На тепловозах применяют электрические передачи трех видов: постоянного, переменно-постоянного и переменного тока. Применение электрических передач исключает жесткую связь между коленчатым валом дизеля и колесными парами локомотива. Для полного использования мощности дизеля во всем скоростном диапазоне работы тепловоза и формирования его заданных тяговых свойств применяют специальные системы регулирования как тяговых генераторов, так и тяговых электродвигателей.
Электрические передачи постоянного тока состоят из тягового генератора Г и тяговых электродвигателей ТЭД, которые выполнены в виде машин постоянного тока. Такие передачи применяют на локомотивах секционной мощностью до2200кВт (тепловозы ЧМЭЗ, ТЭМ2, ТЭЗ, М62,2М62У, ТЭП60,2ТЭ 10Л(В,М,У,С) и др.).
Якорь тягового генератора через муфту жестко соединен с коленчатым валом дизеля. При установившемся режиме работы дизеля и постоянном положении органа подачи топлива, мощность тягового генератора, кВт:
где Nc — эффективная мощность дизеля, кВт; ∑NBcn — суммарная мощность, затраченная на приводы вспомогательных механизмов, кВт (в расчетах величина принимается постоянной, не зависящей
от режимов работы дизеля и тепловоза); ηΓ — к.п.д. тягового генератора; Ur — напряжение тягового генератора, В; Iг — сила тока тягового генератора, А.
Зависимость напряжения UΓ от силы тока нагрузки Iг называют внешней характеристикой тягового генератора постоянного тока (рис. 14). Из курса «Электрические передачи локомотивов» известно, что генераторы постоянного тока с любой системой возбуждения не имеют такой внешней характеристики, как представленная на рис. 14, поэтому гиперболическую характеристику тягового генератора тепловозов получают за счет автоматического регулирования возбуждения.
На рис. 15 представлена функциональная схема возбуждения тягового генератора тепловоза. На вход системы возбуждения СВ по току нагрузки и напряжению тягового генератора Г подаются сигналы Iги Ur. Напряжение UB, вырабатываемое системой возбуждения, подведено к обмотке ОВГ возбуждения тягового генератора. Тем самым достигается изменение магнитного потока Фг и напряжения UT тягового генератора по закону линии, называемой гиперболой.
В условиях эксплуатации часто не требуется полное использование мощности дизеля, например, при движении тепловоза с поездом по легкому профилю пути, резервом (без поезда) и т.д. Уменьшение мощности дизеля осуществляется с помощью рукоятки контроллера машиниста тепловоза. Каждой позиции рукоятки контроллера машиниста (обычно их 8 на маневровых и 15 на магистральных тепловозах) соответствуют величины удельного эффективного расхода топлива и фиксированная частота вращения вала дизеля. Каждой фиксированной частоте вращения пе соответствует определенная мощность, при которой к.п.д. дизеля будет максимальный.
Поэтому система возбуждения тягового генератора Г должна обеспечивать при частичных нагрузках постоянство мощности генератора на уровнях, соответствующих экономичным режимам работы дизеля.
При изменении частоты вращения коленчатого вала nе, а следовательно мощности дизеля Д и тягового генератора Г на вход системы возбуждения Г дополнительно вводят сигнал по nе (см. рис. 15). В результате на выходе системы возбуждения, а следовательно, и на выходе тягового генератора имеет место семейство характеристик. На рис. 14 показано семейство частичных характеристик Ur = f(Ir) тягового генератора для следующих позиций рукоятки контроллера машиниста: ПК1, ПК5, ПК 10, ПК14, ПК15.
При построении частичных характеристик тягового генератора предполагалось, что мощности дизеля и тягового генератора при фиксированном значении nе не изменяются во времени. В действительности, мощность дизеля Ne зависит от большого числа различных переменных факторов, например температуры и давления воздуха. Затраты мощности на привод вспомогательных механизмов также могут изменяться во времени, вентиляторы систем охлаждения и тормозной компрессор могут быть включены или выключены и т.д. Мощность тягового генератора также может изменяться в зависимости от температурных и других факторов. Для того чтобы мощность генератора оставалась постоянной, на вход системы возбуждения СВ (см. рис. 15) вводят еще один сигнал X, пропорциональный мощности, передаваемой тяговому генератору, так называемой свободной мощности.
Таким образом, звеном, обеспечивающим гиперболическое изменение напряжения UT относительно величины Iг тягового генератора, является система возбуждения СВ.
При возрастании силы сопротивления движению поезда, например при его движении по подъему, сила тока на тяговых электродвигателях Iтэд и, соответственно, на тяговом генераторе Iг тепловоза будут возрастать. Благодаря гиперболической зависимости Ur-f(IT) увеличение силы тока /г вызовет уменьшение напряжения Ur и, соответственно, Uтэд, в результате чего скорость тепловоза будет снижаться, а сила тока — возрастать, препятствуя снижению скорости локомотива.
Внешняя характеристика (кривая а-б-в-г на рис. 14) тягового генератора имеет ограничения по максимальному току Iг тах (линия а-б) и напряжению Ur (линия в-г). В период трогания с места и разгона тепловоза его тяговые электродвигатели работают в режиме максимальных токов и минимальных напряжений. Этот же режим характерен для работы тягового генератора — при разгоне тепловоза мощность его тягового генератора определяется следующим равенством РГ= 10-3UrminIrmax. Таким образом, на отрезке а — б внешней характеристики тягового генератора развивается наибольшая электромагнитная сила, создаваемая на якоре ТЭД:
(2.17)
где ∆F — механические и магнитные потери в тяговом электродвигателе, Н.
При трогании с места и разгоне тепловоза значения электромагнитной силы, создаваемой на якоре ТЭД F , и, соответственно, касательной силы тяги FK ограничены условиями сцепления колес с рельсами. При росте скорости движения тепловоза коэффициент сцепления колес с рельсами и реализуемая сила тяги плавно уменьшаются (см. рис. 6). Примерно по такому же закону происходит изменение максимального тока тягового генератора Iг mах при трогании с места тепловоза с электрической передачей (отрезок а-б на рис. 14). В этот период времени э.д.с. тяговых электродвигателей тепловоза равно
нулю и напряжение тягового генератора Ur подводимое к двигателям, минимальное и уравновешивается падением напряжения в обмотках якоря ТЭД и в силовых кабелях. В момент трогания с места и начале движения тепловоза частота вращения якорей тяговых электродвигателей и величина Е увеличиваются, соответствующим образом растет напряжение Ur подводимое к двигателям (см. рис. 14). Номинальный режим работы тягового генератора достигается в точке «д», в этом случае Рг= 10-3Uг номIг ном,кВт.
При дальнейшем росте скорости движения тепловоза, сила тока уменьшается, а напряжение тягового генератора плавно возрастает до своего максимального значения Ur max (точка «в» на рис. 14). Применяемые на тепловозах с электрической передачей постоянного тока системы возбуждения тягового генератора из-за насыщения его ограниченной магнитной системы позволяют изменять напряжение Ur не более чем в 1,5 раза,т.е. Urmax/Urmin = 1,5.
Увеличение объема магнитной системы главного генератора приведет к увеличению его веса и габаритов, неприемлемых для тепловозов, из-за ограничения по нагрузке от колесных пар на рельсы.
Для обеспечения полного использования мощности дизеля во всем скоростном диапазоне работы тепловоза с электрической передачей необходимо изменять напряжение на тяговых электродвигателях, соответственно, частоту вращения их якорей примерно в 4 — 5 раз. Для решения этой задачи на тепловозах применяют различные системы регулирования частоты вращения якоря двигателя постоянного тока.
Как известно, частота вращения якоря двигателя постоянного тока, об/мин, определяется как
(2.18)
где Uтэд — напряжение, подводимое к двигателю, В; I — сила тока якоря двигателя, А; Rя — суммарное сопротивление обмоток якоря, Ом; Ф — магнитный поток двигателя, Вб; се — магнитная постоянная.
Из формулы (2.18) следует, что частоту вращения якоря тягового электродвигателя тепловоза можно изменить, регулируя напряжение (Iтад, магнитный поток Ф и суммарное сопротивление обмоток якоря Rя. Из-за больших потерь, достигающих на электроподвижном составе до 20 % тяговой (касательной) мощности, последний способ на тепловозах с электропередачей не применяется.
Способы регулирования напряжения Uтэд. Напряжение Uтад, подводимое к двигателю, можно изменять, регулируя магнитный поток тягового генератора или изменяя схему соединения тяговых электродвигателей.
Принцип регулирования скорости движения на основе изменения схемы соединения тяговых электродвигателей осуществлен на ряде серий тепловозов старой постройки ТЭМ1, ТЭ2, также на опытной партии ТЭМ2. Возможные схемы соединения тяговых электродвигателей шестиосного тепловоза показаны на рис. 16. При последовательном соединении двигателей, к каждому из них подводят напряжение Uтэд = Ur|m, где т — число двигателей, соединенных последовательно.
Четыре схемы соединения двигателей, приведенные на рис. 16, обеспечивают такое же количество ступеней регулирования напряжения, подводимого к двигателю: при последовательном соединении, при последовательно-параллельном — Uтад = Uг|3 и Uтад = UT|2, при параллельном — Uтад = UT.
Рис. 16. Схемы соединения тяговых электродвигателей шестиосного тепловоза: а — последовательное (С), б и в — последовательно-параллельное (СП); г - параллельное (П)
Переключение двигателей возможно тремя способами: коротким замыканием, с разрывом цепи и замыканием по схеме моста. На тепловозах используется только первый способ, не требующий дополнительного оборудования и характеризующийся относительно небольшим снижением силы тяги при переключении. На электровозах в разной степени применяют все три способа переключения тяговых электродвигателей.
Рис. 17. Переключение тяговых электродвигателей тепловоза методом короткого замыкания
Метод короткого замыкания для переключения двигателей заключается в следующем (рис. 17).
Последовательное соединение двигателей 1-2 и 3-4 обеспечивается включением контактора С. При переключении сначала замыкается контактор СП1 и двигатели 1-2 оказываются замкнутыми контакторами С и СП 1, а двигатели 3-4 подключаются на полное напряжение генератора. Затем контактор С выключается, а контактор СП2 включается и двигатели 1-2 также подключаются к генератору. Соединение пар двигателей становится параллельным, но при переключении не происходит полной потери силы тяги локомотива.
Другой способ регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям Uтэд — за счет изменения напряжения главного генератора. Как отмечалось ранее, изменение сопротивления движения поезда приводит к изменению скорости движения тепловоза и снижению частоты вращения якоря тягового двигателя.
Сила тока тягового двигателя, А, определяется по формуле:
(2-19)
Из формулы (2.19) следует, что, снижение частоты вращения якоря пТЭД приводит к увеличению значения тока двигателя и, соответственно, тягового генератора Iг. В соответствии с внешней характеристикой тягового генератора в этом случае уменьшится его напряжение UT. Таким образом, изменение скорости движения тепловоза с электрической передачей автоматически приводит к регулированию напряжения Ur и Uтэд .
Напряжение тягового генератора Ur, В, также можно регулировать изменением частоты вращения коленчатого вала дизеля тепловоза:
где nе — частота вращения вала дизеля, об/мин.
Регулируя частоту вращения коленчатого вала дизеля обеспечивают ступенчатое изменение величины Uг. Этим способом обычно пользуются в период трогания с места и разгона тепловоза с электрической передачей.
Способ регулирования магнитного потока тяговых двигателей.
Этот способ регулирования скорости движения получил самое широкое применение на локомотивах с электрическим приводом колесных пар. На локомотивах применяют так называемую систему ступенчатого изменения величины магнитного потока Ф возбуждения тяговых электродвигателей. Существующие методы позволяют лишь уменьшать величину Ф, тем самым снизить максимальное напряжение тягового генератора, от которого зависят его вес и габаритные размеры.
Рис. 18. Схема регулирования магнитного потока тягового электродвигателя тепловоза шунтированием обмотки возбуждения
На тепловозах регулирование магнитного потока тяговых электродвигателей осуществляют шунтированием его обмотки возбуждения. Параллельно последовательно включенной обмотке возбуждения К-КК тягового электродвигателя ТЭД (рис. 18) подключают несколько резисторов Rш1, RШ2.
При включении контактора Ш1 часть тока якоря двигателя отводится от обмотки возбуждения в цепь, образуемую резистором. Магнитный поток полюсов тягового электродвигателя уменьшается.
Включение с помощью контактора Ш2 второго резистора (второй ступени ослабления) еще больше уменьшит магнитный поток. На тепловозах ограничиваются двумя ступенями ослабления магнитного потока. Коэффициент ослабления магнитного потока а одной ступени регулирования
где Rш — сопротивление обмотки возбуждения якоря двигателя, Ом; RB — сопротивление шунтирующего резистора, Ом.
Обычно для тепловозных электрических передач коэффициент ослабления магнитного потока первой ступени равен а1 > 0,6, второй — а2> 0,3.
Таким образом, применение на тепловозах двухступенчатой системы ослабления магнитного потока возбуждения тяговых электродвигателей позволяет троекратно использовать внешнюю характеристику тягового генератора при тяговом режиме его работы.
Электрическая передача переменно-постоянного тока, в которой тяговый генератор СГ выполнен в виде синхронной электрической машины переменного тока, а тяговые электродвигатели — машин постоянного тока, применена на тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70, 2ТЭ121, ТЭП75, ТЭП80, ТЭМ7. Для преобразования переменного тока частотой до 100 Гц в постоянный ток используется выпрямительная установка, которая включена в силовую цепь между синхронным генератором и тяговыми электродвигателями тепловоза.
Система регулирования напряжения синхронного тягового генератора и, соответственно, скорости движения тепловоза с передачей переменно-постоянного тока включает в себя специальный генератор-возбудитель переменного тока и тиристорный усилитель, питающий обмотку возбуждения СГ. Для формирования гиперболической внешней характеристики тягового генератора СГ в систему регулирования напряжения UT также включены четыре регулятора напряжения тягового генератора: по отклонению напряжения Ur, по току тяговых электродвигателей или СГ, по частоте вращения коленчатого вала дизеля nе и по положению рейки топливных насосов дизеля.