2. Автоматическое регулирование напряжения тягового генератора

2.1. Требования, предъявляемые к характеристикам тяговых генераторов.Естественные характеристики и свойства генератора определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. Сопоставляя характеристики генераторов с различными системами возбуждения с идеальной внешней характеристикой тепловозного тягового генератора можно установить, что ни один из видов возбуждения не обеспечивает получения характеристики требуемого вида.

Наиболее близка к такому виду характеристика генератора со встречно-смешанным возбуждением, где напряжение генератора интенсивно уменьшается с увеличением тока нагрузки. Однако это уменьшение происходит по выпуклой кривой, следовательно, условие не выполняется.

В итоге на тепловозах применяется независимое возбуждение тягового генератора, а изменение магнитного потока осуществляется средствами автоматического регулирования тока обмотки возбуждения. Максимальные значения тока и напряжения тягового генератора зависят от параметров локомотива — сцепного веса, мощности дизеля, максимальной скорости движения и от параметров тяговых электродвигателей.

 

Если пренебречь изменением вспомогательной нагрузки и КПД тягового генератора, которые относительно мало меняются при постоянной мощности дизеля, то предельная по мощности теплового двигателя зависимость изображается в виде равнобокой гиперболы ВЕС. Она соответствует «свободной» мощности теплового двигателя при номинальном режиме.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Максимальное значение тока тягового генератора определяется максимальным током тяговых двигателей в момент трогания тепловоза с места. Пусковой ток выбирается так, чтобы тепловоз мог бы реализовать предельную по сцеплению силу тяги.

По электромеханической характеристике электродвигателя определяется максимальный ток электродвигателя и максимальный ток тягового генератора.

Максимальное значение напряжения тягового генератора должно быть достаточным для обеспечения максимальной скорости движения поезда. Для полного использования мощности дизеля желательно, чтобы максимальная рабочая скорость могла быть реализована при полной мощности теплового двигателя, что соответствует некоторой точке С линии ограничения по мощности. Тогда ограничение по максимальному напряжению генератора может быть изображено горизонтальной линией CD, так как напряжение большее, чем в точке С, не требуется.

Номинальный длительный ток, допускаемый по нагреву тяговых двигателей и тягового генератора в течение неограниченного времени, соответствующий точке Е на характеристике, меньше максимального значения тока, соответствующего линии АВ – режима трогания поезда с места, который длится короткий промежуток времени.

Линия ABCD представляет собой предельную внешнюю характеристику генератора, которую можно использовать при заданных тяговых параметрах локомотива. Зависимость свободной мощности дизеля от тока генератора соответствует предельной внешней характеристике генератора. Полная мощность дизеля может быть использована только в диапазоне изменения тока тягового генератора от (при максимальной скорости движения) до (при наибольшей силе тяги).

Практически возможны также ограничения характеристики по режиму работы электропередачи. Режим максимального тока при полной мощности является для тягового генератора наиболее тяжелым по коммутации. Поэтому также необходимо, чтобы ограничение по коммутации не препятствовало полному использованию сцепного веса локомотива при любых условиях сцепления.

В ходе разработки схемы и расчетов оборудования возбуждения тяговых генераторов, а также определения характеристики генератора (линия СОВОАО) для первого положения рукоятки контроллера управления, соответствующего минимальной частоте вращения вала дизеля, необходимо знать зависимость падения напряжения в силовой цепи якоря тягового генератора от тока нагрузки.

Предельная характеристика (линия A1B1C1D) отличается от предельной характеристики на величину ординат линии DА1 падения напряжения в цепи якоря тягового генератора. При постоянной мощности и частоте вращения коленчатого вала дизеля зависимость магнитного потока тягового генератора от тока является также приблизительно гиперболической.

Минимальная мощность генератора (СОВОАО ), для первой позиции контроллера управления определяется из условия возможности маневровых передвижений тепловоза на станции со скоростью 5 … 10 км/ч. По сопротивлению движения тепловоза для этой скорости определяют силу тяги, по характеристике электродвигателя при полном поле находят ток электродвигателя и подсчитывают требуемое напряжение тягового электродвигателя.

Так как электропередача должна обеспечивать работу тягового генератора на режимах, соответствующих предельной характеристике, то для этого, прежде всего, необходимо, чтобы элементы ее были рассчитаны для работы в соответствии с этой характеристикой.

Возможность практической реализации предельной характеристики зависит от характеристик систем регулирования напряжения тягового генератора и управления передачей мощности (систем возбуждения генератора).

Максимальное значение напряжения тягового генератора (обычно около 700 В) ограничивается допустимым значением среднего напряжения между коллекторными пластинами, а максимальный ток - значением реактивной ЭДС, которая не должна превышать 20 В.

 

При движении поезда на участке пути с переменным профилем предельная характеристика не всегда может быть реализована. На уклонах реализуемая мощность уменьшается из-за ограничения скорости. В ряде случаев (проезд раздельных пунктов, движение в кривых участках пути малого радиуса и т. п.) мощность необходимо уменьшать для снижения скорости. Полная мощность не может быть использована в начале разгона поезда и при движении тепловоза с малым числом вагонов. Для того чтобы дизель при пониженной мощности работал с наименьшим расходом топлива, необходима определенная зависимость момента тягового генератора от частоты вращения вала дизель-генератора. Мощность дизеля регулируется изменением одновременно обеих величин. Для каждого теплового двигателя имеется линия наибольшей экономичности АВ, определяющая величину крутящего момента дизеля, при которой КПД его является наибольшим на заданном значении частоты вращения коленчатого вала. Распределение частот вращения коленчатого вала дизеля по положению рукоятки управления задаётся приводом настройки регулятора и равномерно изменяется при повороте рукоятки с одного положения на другое. В действительности номинальный режим работы теплового двигателя (точка D) определяется условиями получения наибольшей мощности и не всегда отвечает условию наибольшей экономичности (точка D не лежит на линии наибольшей экономичности АВ). При понижении мощности целесообразно так выбирать значения крутящего момента и частоту вращения коленчатого вала, чтобы режим работы дизеля был близок к оптимальному по экономичности. Если линия наибольшей экономичности соответствует кривой АВ, то крутящий момент следует изменять по линии DBA или хотя бы по линии DCA.

Так как линии наибольшей экономичности различны для разных дизелей, то для экономичной работы конкретного дизеля необходимо подбирать индивидуальную зависимость нагрузки.

Мощность дизель-генератора меньше номинальной может быть реализована при малых токах тягового генератора. Для соответствия режиму наибольшей экономичности дизеля при разных мощностях необходимо, чтобы при любой частоте вращения вала дизель-генераторной установки магнитный поток возбуждения изменялся приблизительно обратно пропорционально току. Высокая точность поддержания постоянного момента при этом не обязательна, так как в зоне наибольшей экономичности КПД дизеля сравнительно мало изменяется при небольших изменениях момента или частоты вращения вала. Ток тягового генератора определяется силой тяги, развиваемой тяговыми электродвигателями, скоростью локомотива и напряжением тягового генератора. При установившемся движении сила тяги равна силе сопротивления движению и зависит от скорости движения, профиля пути и внешних условий работы дизель-генератора. Кроме того, при каждой заданной частоте вращения вала дизель-генератора требуется реализация различных токов. Поэтому при движении поезда необходимо изменять магнитный поток тягового генератора в зависимости и от частоты вращения вала. При некотором постоянном значении тока тягового генератора момент сопротивления его пропорционален магнитному потоку, и, следовательно, график зависимости при должен быть близким по форме к линии наибольшей экономичности дизеля.

Сила тяги тепловоза при трогании поезда с места должна устанавливаться в зависимости от требуемого ускорения, массы его и условий сцепления. Максимальная сила тяги ограничивается условиями сцепления колес тепловоза с рельсами. Должна быть также обеспечена возможность реализации промежуточных значений силы тяги при разгоне поезда путем плавного непрерывного или ступенчатого изменения ее. Число ступеней должно быть таким, чтобы при их переключении скачки силы тяги и тока не были слишком большими.

Если тяговые электродвигатели работают в соответствии со своими скоростными характеристиками, то их ток уменьшается при увеличении скорости движения, и машинист для дальнейшего увеличения скорости должен переводить рукоятку контроллера на более высокую позицию для увеличения частоты вращения вала дизеля и его мощности. При этом возникают броски тока, которые при недостаточно умелом управлении тепловозом могут привести к нарушению сцепления колес с рельсами. Наиболее совершенный способ управления разгоном поезда заключается в сочетании возможности выбора значения силы тяги по условиям трогания с автоматическим поддержанием ее во время разгона поезда. При этом упрощается управление, обеспечивается плавный разгон поезда и уменьшается опасность нарушения сцепления колес с рельсами.

 

Сила тяги тепловоза определяется токами электродвигателей. Следовательно, плавный управляемый разгон поезда может быть обеспечен путем поддержания тока тягового генератора постоянным при данном положении рукоятки контроллера машиниста и изменения его при изменении положения рукоятки. Преимуществом раздельного регулирования мощности и напряжения тягового генератора является возможность произвольного выбора любой силы тяги при разгоне и любой мощности в конце разгона, что делает управление более гибким. Практически наиболее часто применяется управление с помощью одной рукоятки контроллера таким образом, что каждому ее положению соответствует определенная частота вращения вала дизель-генератора и определенная мощность тягового генератора. При уменьшении частоты вращения вала и мощности необходимо уменьшать максимальный магнитный поток тягового генератора.

Следовательно, для того чтобы получить требуемую форму внешней характеристики генератора, необходимо ток обмотки возбуждения изменять по определенному закону в зависимости от ряда факторов, влияющих на напряжение тягового генератора и мощность дизель-генераторной установки. Характеристики и можно получить, изменяя магнитный поток или м. д.с. тягового генератора в зависимости от трех величин: отклонения напряжения от заданного значения, тока и частоты вращения его вала. При увеличении тока от нуля магнитный поток (а значит, и напряжение) должен оставаться приблизительно постоянным, затем уменьшаться приблизительно обратно пропорционально току, после чего уменьшаться при сравнительно постоянном токе. Во второй зоне характеристик важно не получение определенной формы характеристик, а возможность полного использования «свободной» мощности дизеля тяговым генератором. Требуемые характеристики могут быть реализованы с помощью специальных автоматических систем регулирования напряжения тягового генератора.

В данном учебном пособии рассматриваются следующие системы автоматического регулирования напряжения тягового генератора:
- электромашинная система тепловоза ТЭМ2;
- электроаппаратная система тепловоза 2ТЭ10;
- электроаппаратная система тепловоза 2ТЭ116;
- унифицированная микропроцессорная система УСТА.