Глава 7. Управление тяговыми электродвигателями

в электрических передачах локомотивов……………………………… 95

7.1. Управление тяговыми электродвигателями постоянного тока… 95

7.1.1. Управление тяговыми электродвигателями постоянного

тока изменением напряжения…………………………………………… 95

7.1.2. Управление тяговыми электродвигателями постоянного

тока изменением магнитного потока возбуждения…………………… 96

7.2. Электрическая передача с поосным регулированием

касательной силы тяги…………………………………………………… 97

7.3. Управление асинхронными тяговыми электродвигателями……… 101

Глава 8. Тяговые преобразователи электрических передач

локомотивов……………………………………………………………… 106

8.1. Тяговые выпрямительные установки……………………………… 106

8.2. Тяговые автономные инверторы……………………………….. 108

8.2.1. Автономные инверторы тока…………………………………… 108

8.2.2. Автономные инверторы напряжения…………………………… 113

8.3. Тяговые непосредственные преобразователи частоты…………… 118

Глава 9. Электрическое торможение………………………………… 124

9.1. Электрическое торможение в электрических передачах

постоянного и переменно-постоянного тока……………………….. 124

9.2. Электрическое торможение в электрических передачах

переменного тока……………………………………………………… 127

Перечень обозначений основных величин…………………………… 136

Литература………………………………………………………………… 138

В в е д е н и е

Тепловозы с электрической передачей составляют основу тепловозного парка железных дорог России. Изучение принципов построения и управления, характеристик электрических передач и их элементов, тяговых электрических машин и тяговых статических преобразователей должно входить неотъемлемой частью в комплекс знаний, получаемых в процессе обучения студентами по специальности 190301 «Локомотивы». Дисциплина «Электрические передачи локомотивов» тесно связана с другими специальными дисциплинами: «Электрооборудование и электрические схемы локомотивов», «Электронная и преобразовательная техника локомотивов», «Локомотивные энергетические установки», «Автоматика и микропроцессорная техника локомотивов». В учебное пособие включены материалы о тяговых электрических машинах, применяемых в электрических передачах локомотивов, о традиционных электрических передачах постоянного, переменно-постоянного и переменного тока, об опытных и перспективных разработках электрических передач, содержащих асинхронные тяговые генераторы и асинхронные тяговые двигатели с фазным ротором, электрическим передачам с полюсо-переключаемыми тяговыми электрическими машинами, о традиционных системах регулирования напряжения тяговых генераторов, системе УСТА, электронному регулятору дизеля и другие материалы.

Учебное пособие подготовлено в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Электрические передачи локомотивов» для студентов V курса специальности 190301 «Локомотивы», и может служить дополнением к лекционному курсу по этой дисциплине, а также к материалам лабораторных работ и практических занятий.

1. Передачи локомотивов. Назначение передач и требования, предъявляемые к ним. Виды передач. Тяговые характеристики локомотивов.

Передачей называется совокупность устройств, передающих вращающий момент от вала силовой установки к движущим колесам.

Любой локомотив (или тяговое транспортное средство) имеет силовую установку - дизель, карбюраторный двигатель, газотурбинную установку и др., которые обладают своими специфическими характеристиками. Эти характеристики далеко не всегда отвечают условиям реализации требуемой тяговой характеристики.

Для перемещения состава со скоростью V локомотив должен развивать касательную мощность

N_к = 10^-3 F_к ·V, кВт (1.1)

где F_к, Н - сила тяги, отнесенная к ободу движущих колес, или касательная сила тяги.

Графическая зависимость между касательной силой тяги F_к и скоростью движения V локомотива называется тяговой характеристикой локомотива. Тяговая характеристика локомотива (рис. 1.1.) имеет следующие ограничения:

1. Сила тяги не должна превышать силу сцепления колес локомотива с рельсами

F_{к макс} ≤ _макс ·Р_сц, (1.2)

где Р_сц - сцепной вес тепловоза,

_макс - рассчетный коэффициент сцепления колес локомотива с рельсами.

При F_к > _макс · m нарушается сцепление колес локомотива с рельсами и начинается процесс боксования (ограничение АБ, см. рис.1.1). Здесь m – масса локомотива.

2. Для каждого локомотива установлена максимальная (конструкционная) скорость V_макс - ограничение БВ на рис. 1.1.

3. Реализация тяговой характеристики в границах АБВ технически неосуществима и нецелесообразна. Рациональная тяговая характеристика локомотива имеет ограничение по мощности силовой установки.

Мощность локомотива необходимо использовать полностью во всем диапазоне изменения скорости V. Возникает условие

N_к = 10^-3 F_к·V = const, (1.3)

отвечающее уравнению гиперболы.

Внутри области, ограниченной линией А-А₁-В₁-В локомотив должен реализовать любые значения силы в рабочем диапазоне изменения скорости движения.

На тяговую характеристику могут накладываться также другие ограничения (по температуре якорных обмоток тяговых электродвигателей, температуре масла гидропередачи и др.).

Основным назначением передачи мощности локомотива является приспособление характеристик силовой установки к условиям тяги. Первичным двигателем на тепловозе является дизель. Скорость движения локомотива V и сила тяги F_к связаны со скоростью вращения вала дизеля ω_д и вращающим моментом на валу М_д выражениями:

V = π·D_дк·ω_д/ μ_п ; (1.4)

F_к = 2· М_д·η_п· μ_п/ D_дк ; (1.5)

где D_дк - диаметр движущих колес, м;

ω_д - скорость вращения вала дизеля, с^-1;

_п - передаточное отношение передачи мощности (_п = ω_д / ω_дк ,

где ω_дк - скорость вращения оси колесной пары);

М_д - вращающий момент на валу дизеля, Нм;

_п - КПД передачи.

Передача тепловоза преобразует вращающий момент на валу М_д и скорость вращения вала дизеля ω_д в переменные величины вращающего момента и скорости вращения движущих колес.

Моментные характеристики дизелей (зависимости вращающего момента от скорости вращения вала дизеля) практически непригодны для локомотива, как тягового транспортного средства (см. рис.1.2).

При постоянном значении передаточного отношения передачи мощности _п = const тяговая характеристика локомотива была бы подобна моментной характеристике дизеля (см. выражения (1.4) и 1.5)), и такая тяговая характеристика совершенно не удовлетворяла бы требованиям тяги. Кроме того, дизель может работать под нагрузкой в узком диапазоне скорости вращения вала.

В то же время, дизель, как силовая установка, наиболее полно удовлетворяет требованиям тяги по мощности, экономичности, надежности, габаритным размерам и весу и другим показателям.

Согласование характеристики дизеля с требуемой тяговой характеристикой осуществляется за счет изменения передаточного отношения передачи мощности _п. Это позволяет при сохранении постоянными скорости вращения вала и его вращающего момента, а значит, и мощности дизеля, изменять в широком диапазоне скорость движения V и силу тяги тепловоза F_к в соответствии с изменением профиля пути и условий движения.

Изменение момента и скорости вращения в передаче мощности может происходить без преобразования или с преобразованием энергии из одного вида в другой. Если передача мощности способна передавать вращающий момент и скорость вращения без изменения характера зависимости между ними, то такая передача обладает свойствами прозрачности (например, механическая передача мощности).

Преобразование момента и скорости вращения может быть ступенчатым и непрерывным.

На тяговых транспортных средствах кроме электрической применяются передачи мощности следующих типов: механическая, гидравлическая, гидромеханическая и электромеханическая.

Основными требованиями, предъявляемыми к передаче мощности, являются:

- обеспечение требуемой тяговой характеристики и плавное изменение силы тяги и скорости локомотива во всем рабочем диапазоне (от 0 до F_{к макс} и от 0 до V_макс);

- обеспечение пуска дизеля без нагрузки с последующим его подключением;

- обеспечение возможности реверсирования передачи (изменения направления движения локомотива);

- общетехнические требования (высокий КПД, надежность, минимальные вес и габариты, невысокая стоимость, минимальные эксплуатационные затраты и др.).

Выбор типа передачи определяется мощностью силовой установки локомотива, назначением и условиями его работы.

Механические передачи отличаются простотой, малой удельной массой, высоким КПД (η_мп = 0,86 ÷ 0,88). Однако, с увеличением мощности транспортного средства возникают серьезные трудности в изготовлении передачи, ухудшается отвод тепла от муфт сцепления, увеличиваются продольные воздействия в поезде из-за резкого изменения силы тяги при переключении ступеней передачи (при переключении ступеней передачи сила тяги падает до нуля), снижается ее надежность Тяговая характеристика транспортного средства с механической передачей имеет явно выраженные ступени (см. рис. 1.3.).

Рис. 1.3 Тяговая характеристика транспортного средства

с механической передачей

При механической передаче невозможно обеспечить полное использование мощности силовой энергетической установки во всем диапазоне изменения скорости движения, что для локомотивов большой мощности имеет существенное значение. Механическую передачу применяют на транспортных средствах мощностью до 200 кВт.

Гидравлические передачи отличаются компактностью и невысокой удельной массой. Основными элементами гидравлических передач являются гидротрансформаторы и гидромуфты. Принципиально гидравлическая передача может быть выполнена для транспортного средства любой мощности, однако в России традиционно поддерживается концепция о рациональности применения этого вида передачи для транспортных средств малой (200÷350 кВт) и средней (500÷900 кВт) мощности. Тяговая характеристика транспортного средства с гидравлической передачей также имеет явно выраженные ступени, но при переходе с одной ступени на другую сила тяги не снижается. КПД гидравлической передачи η_гп = 0,88.

Электрические передачи содержат тяговые электрические машины (тяговые генераторы и тяговые электродвигатели) и тяговые преобразователи электрической энергии (тяговые выпрямительные установки, тяговые инверторы и преобразователи частоты). Электрическая передача применяется на локомотивах мощностью от 600 до 6000 кВт. КПД электрической передачи η_эп = 0,78 ÷ 0,84 при мощности локомотива до 1000 кВт, и η_эп = 0,84 ÷ 0,86 при мощности свыше 1000 кВт.