Назначение и принципиальная электросхема. Маневровые тепловозы ТЭМ1 и ТЭМ2 предназначены обрабатывать на сортировочных станциях составы значительного веса (до 4000-6000 т), а также развивать относительно высокие (до 100 км/ч) скорости при движении резервом или с составом малого веса. Чтобы обеспечить требуемую величину силы тяги при различных эксплуатационных условиях и режимах работы, последняя должна изменяться в широких пределах обратно пропорционально изменению скорости движения тепловоза, т. е. тяговая характеристика в этом случае должна иметь вид гиперболы (рис. 88). Тепловозный дизель обладает рядом свойств, которые не соответствуют требованиям тяговой характеристики локомотива, а именно:
1. Дизель может работать под нагрузкой только при частоте вращения коленчатого вала, начиная от минимальной пт1п = 300 об/мин до номинальной пп - 740 об/мин для тепловозов ТЭМ1 и па - 750 об/мин для тепловозов ТЭМ2.
2. Мощность дизеля почти прямо пропорциональна частоте вращения коленчатого вала дизеля, т. е. может быть в пределах от 40 до 100% номинальной.
3. Момент вращения на валу дизеля практически постоянен во всем диапазоне частоты вращения (рис. 89).
При механической связи дизеля с колесами с постоянным передаточным отношением сила тяги тепловоза прямо пропорциональна моменту вращения на коленчатом валу дизеля МвР:
^.=^4, (1)
где 1- передаточное отношение от вала дизеля к оси тепловоза; - радиус колеса тепловоза; г| - к. п. д. передачи.
При постоянном моменте вращения коленчатого вала дизеля в случае непосредственного привода (через механическую передачу) от вала дизеля к движущимся осям тяговая характеристика тепловоза повторила бы зависимость Мвр = ф (п)'гРк - ф (МвР) (см. рис. 89), т. е. сила тяги была бы практически постоянной при различных скоростях движения (см. рис. 89, кривая /').
Касательная мощность тепловоза, равная мощности дизеля за вычетом мощности вспомогательных нагрузок (главный вентилятор и др.) и потерь в элементах передачи, пропорциональна силе тяги и скорости движения (с - постоянный коэффициент):
#к = Ые - #всп -NП = (2)
Из указанного выражения следует, что в случае постоянной силы тяги касательная мощность максимальна при наибольшей скорости движения, а при меньших скоростях она соответственно уменьшается (см. рис. 88, коивая 2').
Кроме того, минимальная мощность дизеля, соответствующая частоте вращения коленчатого вала 300 об/мин, недопустимо завышена для тро-гания тепловоза с места, а вращающий момент при этом недостаточен для получения необходимой силы тяги.
Электрическая передача обеспечивает требуемое автоматическое изменение силы тяги обратно пропорционально скорости движения в соответствии с изменением сопротивления движению поезда при практически постоянной мощности и частоты вращения дизеля на каждой позиции контроллера, а также позволяет осуществлять трогание с малой мощностью.
Электропередача состоит из тягового генератора постоянного тока, якорь которого механически соединен с коленчатым валом дизеля, шести тяговых электродвигателей последовательного возбуждения, соединенных с движущимися осями через зубчатую передачу, возбудителя и вспомогательного генератора и комплекта электроаппаратуры для управления электропередачей и защиты от аварийных режимов.
Принципиальная схема силовых цепей электропередачи тепловоза ТЭМ1 изображена на рис. 90, а. При вращении якоря тягового генератора Г от дизеля и наличии тока в обмотке независимого возбуждения генератора на его зажимах создается напряжение. Обмотка независимого возбуждения Н-НН получает питание от возбудителя В при включении контактора КВ. Параллельная обмотка возбуждения возбудителя Ш1-Ш2 получает питание от вспомогательного генератора ВГ через резистор при включении контактора ВВ и частично от возбудителя В через резистор Противокомпаундная (дифференциальная) обмотка возбудителя О-00 питается током нагрузки тягового генератора. Вспомогательный генератор ВГ не только питает обмотки независимого возбуждения возбудителя, но и служит источником питания цепей управления, освещения и цепей вспомогательной нагрузки, а также зарядки аккумуляторной батареи.
Тяговые электродвигатели питаются током тягового генератора и соединены последовательно в две группы по три электродвигателя в каждой: электродвигатели 1, 2, 3 передней тележки соединены в одну группу, электродвигатели 4, 5, 6 задней - в другую. При включении поездного контактора С электродвигатели обеих групп подключаются к зажимам генератора Г последовательно. Ток генератора при этом равен току тяговых электродвигателей и проходит последовательно по обмоткам якорей и обмоткам возбуждения всех шести электродвигателей. При включении поездных контакторов СП1 и СП2 и выключенном контакторе С каждая
из групп электродвигателей подсоединяется к зажимам генератора. В этом случае ток генератора разветвляется на две равные части в каждую из групп электродвигателей. Это соединение электродвигателей называется последовательно-параллельным.
Кроме указанных двух видов соединений тяговых электродвигателей, в схеме применена одна ступень ослабления поля. При включении контакторов Ш1 и Ш2 параллельно обмоткам возбуждения каждой из групп тяговых электродвигателей подсоединяются резисторы ослабления поля соответственно СШ1 и СШ2.
На тепловозе ТЭМ2 (рис. 90, б) взамен последовательного соединения электродвигателей применяется вторая ступень ослабления поля. Данное отличие является существенным преимуществом схемы тепловоза ТЭМ2 перед ТЭМ1, так как при этом облегчается переходный режим генератора
при переключении силовой схемы, значительно упрощается узел реле переходов, повышается устойчивость и надежность работы этого узла. Кроме того, в момент переключения с последовательного соединения на последовательно-параллельное снижается сила тяги тепловоза, что приводит к снижению скорости движения поезда.
Для обеспечения требуемой тяговой характеристики в соответствии с изменением условий движения поезда регулирование электропередачи осуществляется посредством изменения развиваемой мощности дизеля, автоматического регулирования тягового генератора, автоматического регулирования тяговых электродвигателей.
Автоматическое регулирование тягового генератора. В соответствии с рабочими характеристиками дизеля оптимальными условиями работы дизеля являются постоянство мощности и частоты вращения коленчатого вала:
Ne = const при п = const. (3)
В то же время в зависимости от веса состава и профиля пути для обеспечения требуемой скорости движения, а также плавного трогания поезда необходимо изменение мощности на зажимах генератора, начиная от 20- 25 кВт до номинальной. Изменение мощности дизеля осуществляется ступенчатым изменением частоты вращения коленчатого вала дизеля посредством затяжки пружины всережимного регулятора дизеля. Каждому из восьми рабочих положений рукоятки контроллера машиниста соответ-
Рис. 90 Принципиальные схемы силовых цепей электропередач тепловозов:
а - тэм1; 6 - ТЭМ2
ствует определенная частота вращения, а следовательно, и определенная мощность дизеля.
Мощность на зажимах тягового генератора определяют следующим выражением:
Рис. 91. Идеальная внешняя ха рактеристика генератора
где UT - напряжение генератора, В;
1- ток нагрузки генератора, А; и, - к. п. д. генератора; Ne - эффективная мощность дизеля, л. с; Явой- мощность вспомогательных механизмов, приводимых непосредственно от дизеля, л. с, Мощность вспомогательных механизмов и к. п. д. генератора при постоянной мощности дизеля изменяются относительно мало, следовательно, мощность генератора должна сохраниться также приблизительно постоянной:
Pv = UrIP ■ Ю-3 да const. (5)
Ток нагрузки генератора изменяется в соответствии с изменением сопротивления движению поезда, поэтому регулирование генератора для сохранения указанного постоянства мощности выполняется принудительным автоматическим изменением напряжения генератора обратно пропорционально току.
При этом внешняя характеристика генератора, т. е. зависимость напряжения генератора от тока нагрузки, в рабочей зоне выражается формулой гиперболы
(6)
Идеальная внешняя характеристика генератора изображена на рис. 91. Участок АБ является ограничением'по максимальному напряжению, определяемым техническими возможностями выполнения генератора в приемлемых габаритах. Участок БД - гиперболическая рабочая зона - является ограничением по мощности генератора. Участок ВГ - ограничение по длительному току генератора по условиям нагрева обмоток и коллектора. Участок ЕЖ - ограничение по условиям коммутации коллектора.
Средством регулирования напряжения принимается изменение магнитного потока генератора
(7)
где Ет - электродвижущая сила генератора; Фт - магнитный поток генератора; пт - частота вращения якоря генератора;
с - постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных параметров генератора. Как следует из этого выражения, при определенной частоте вращения якоря напряжение генератора определяется только величиной магнитного потока. Для получения требуемого изменения магнитного потока на тепловозах применен специальный возбудитель постоянного тока с расщепленными полюсами (рис. 92). Каждый из четырех полюсов возбудителя разделен вдоль оси машины на две части: ненасыщенный полюс НН и насыщенный полюс Я, имеющий на части высоты сердечника уменьшенное сечение, чем достигается насыщение этого полюса при относительно небольших значениях магнитного потока.
Рис. 92. Схема устройства возбудителя с продольно расщепленными полюсами:
НН - ненасыщенная часть полюса; Я - насыщенная часть полюса; Ш1, Ш2 - параллельные обмотки; 0-00 - противоком-паундная (дифференциальная) обмотка
Обе части полюса охватываются параллельной обмоткой возбуждения Ш1 и U12. Кроме того, на насыщенную часть полюса Н установлена про-тивокомпаундная обмотка О-00, обтекаемая током нагрузки тягового генератора и действующая навстречу обмотки Uli и Ш2.
Магнитный поток Ф^ полюса НН определяется числом ампер-витков Wuii-uj2 X 1ш1-Ш2 обмотки Ш1-Ш2. Магнитный поток Фн зависит от суммы ампер-витков обмоток Ш1-U12, О-00:
А WB - WШ1-Ш21Ш1-Ш2 - ^о-ооЛ>, (°)
где W'Ш1-Ш2 - число витков обмотки Uli-Ш2; ^о-оо - число витков обмотки О-00; 1Ш1-Ш2 - ток обмотки Uli-Ш2; /т - ток нагрузки генератора.
При отсутствии тока нагрузки тягового генератора ампер-витки про-тивокомпаундной обмотки равны нулю. Магнитные потоки Фн и Фнн создаются только обмоткой Uli-U12 и имеют одинаковое направление. При возникновении тока нагрузки магнитный поток Фн начинает уменьшаться в результате увеличения размагничивающих ампер-витков обмотки О-00. Когда ток нагрузки достигает величины, при которой ампер-витки обмоток Uli-Ü12 и 00-О становятся примерно равными, магнитный поток Фн уменьшается до нуля.
Дальнейшее увеличение тока нагрузки генератора, а следовательно, и ампер-витков обмотки О-00 приводит к изменению направления магнитного потока Фн.
При вращении якоря возбудителя в его обмотке магнитным потоком Фн наводится э. д. с. Еи, а потоком Фнн - э. д. с. £нн. Электродвижущая сила возбудителя в случае постоянной частоты вращения пропорциональна суммарному магнитному потоку обеих частей полюсов и равна алгебраической сумме э. д. с, создаваемых каждым из магнитных потоков:
Ев = свпв (Ф„ ± Фнн) = £н ± £нн, (9)
где сл - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции возбудителя;
пв - частота вращения якоря возбудителя.
Напряжение возбудителя
£/„ = £„ - iBrR, (10) где iB, гя - потеря напряжения в активном сопротивлении обмотки якоря возбудителя. На рис. 93 приведены зависимости э. д.с. возбудителя оттока нагрузки тягового генератора. Форма кривой Ев (кривая /) определяется изменением магнитного потока Ф„. Э. д. с. Ев меняет знак при измене-
Рис. 93 Характеристика возбудителя с расщепленными полюсами: 1- э. д. с. возбудителя, создаваемая насыщенными полюсами Еш; 2, 4 - изменение э. д. с £нн и Ев при изменении сопротивления К2 (см. рис. 90); 3 - 9. д. с. возбудителя, создаваемая ненасыщенными полюсами £вн; 5, 6 - изменения э. д. с. £нн и £в при изменении сопротивления К, в цепи обмотки Ш1-Ш2 (см. рис. 90); 7 - суммарная 8. д. с, создаваемая насыщенными и ненасыщенными полюсами £в
Рис. 94. Характеристики возбудителя МВТ 25/9 при работе на горячую обмотку возбуждения генератора (гОбм = 774-90° С) тепловоза на 1-8-м положениях рукоятки контроллера
нии направления этого потока. Величина Енн (кривая 3) несколько уменьшается с ростом тока /г. Это уменьшение вызывается тем, что параллельная обмотка возбуждения возбудителя 1111- Ш2, кроме питания от неизменного напряжения вспомогательного генератора, питается от возбудителя, напряжение которого с ростом тока нагрузки тягового генератора снижается, следовательно, уменьшаются ток возбуждения обмотки Ш1-Ш2 и магнитный поток Фнн- Суммарная э. д. с. возбудителя Ев (кривая 7) получается сложением ординат кривых Ен и .Енн.
На рис. 94 приведена характеристика возбудителя тепловоза ТЭМ2 при работе на горячую обмотку возбуждения генератора (/обм = 77-т-90ЧС). Внешняя характеристика тягового генератора приблизительно повторяет характеристику возбудителя, несколько отличаясь от нее в зоне больших напряжений в результате насыщения магнитной цепи генератора. Путем подбора магнитной характеристики полюсов и обмоток возбудителя достигается такая внешняя характеристика генератора, при которой мощность генератора в рабочем диапазоне токов нагрузки приблизительно постоянна.
При уменьшении величины сопротивления ^ в цепи обмотки Ш1-Ш2 увеличится составляющая тока возбуждения возбудителя г'в, зависящая в основном от неизменного напряжения вспомогательного генератора. В результате этого увеличится магнитный поток Фнн и э. д. с. £нн. В связи с тем что эта составляющая мало зависит от напряжения возбудителя, а следовательно, и от тока нагрузки тягового генератора, кривая £Нн переместится в этом случае вверх почти параллельно самой себе. Результирующая э. д. с. изменится соответственно (см. рис. 93, кривые 5, 6). Внешняя характеристика тягового генератора также поднимется вверх, следовательно, изменение величины мощности может производиться изменением величины сопротивления Ях.
При изменении величины сопротивления 7?2 изменяется главным образом составляющая тока /в, зависящая от напряжения возбудителя и влияющая на форму кривой £нн. При уменьшении величины сопротивления #2 наклон кривой Енн, а также соответственно и кривой Ев несколько увеличится (см. рис. 93, кривые 4, 7). Изменением величины сопротивления #2 можно изменять наклон рабочей зоны внешней характеристики тягового генератора. Ввиду насыщения сердечника указанные изменения величин сопротивления >?! и /?2 не приводят к существенным изменениям магнитного потока насыщенного полюса Фн и э. д. с. Ев.
Рис. 95. Внешние характеристики генераторов на 8-й позиции контроллера:
а - типа МПТ 84/39; б - типа ГП-300Б 104
На рис. 95, а, б представлены внешние характеристики генераторов тепловозов ТЭМ1 и ТЭМ2 на 8-й позиции контроллера.
На тепловозах внешние характеристики настраиваются при прогретых обмотках возбуждения и полностью включенных вспомогательных нагрузках на следующие величины мощности: 607 кВт на тепловозе ТЭМ1 и 737 кВт на тепловозе ТЭМ2. Внешняя характеристика каждого образца генератора должна укладываться в поле, ограниченное на данных рисунках двумя линиями. Некоторое несоответствие характеристики конкретного генератора гиперболе в рабочей зоне обусловливается технологическими отклонениями при изготовлении возбудителя и генератора.
На промежуточных позициях контроллера уменьшается частота вращения вала дизеля относительно номинальной. При этом изменяется режим работы тягового генератора и возбудителя. Ввиду снижения частоты вращения якоря уменьшается напряжение возбудителя ив. Также несколько уменьшается ток возбуждения возбудителя ів вследствие зависимости его от напряжения возбудителя. Однако это уменьшение тока незначительно, а следовательно, снижение потоков Фнн и Фн сравнительно мало, так как большую часть тока г'в получает обмотка возбуждения от вспомогательного генератора, напряжение которого остается неизменным благодаря действию регулятора напряжения. В связи с этим напряжение возбудителя согласно выражению (9) изменяется приблизительно пропорционально частоте вращения вала дизеля. Уменьшение напряжения возбудителя ив вызывает уменьшение тока обмотки возбуждения и соответственно магнитного потока тягового генератора. Напряжение же тягового генератора изменяется пропорционально изменению частоты вращения вала дизеля и магнитного потока генератора - согласно выражению (7).
Поскольку мощность дизеля при полной подаче топлива изменяется приблизительно пропорционально частоте вращения, то на тепловозе дизель работает при полной подаче топлива (на упорах) лишь на 8-м положении рукоятки контроллера. На остальных положениях контроллера центробежный регулятор разгружает дизель в результате уменьшения напряжения возбудителя, уменьшая подачу топлива в соответствии с развиваемой мощностью генератора на данной частоте вращения.
Следует отметить, что мощность генератора при неизменной настройке системы возбуждения меняется вследствие изменения температуры обмоток возбуждения генератора и возбудителя, так как изменяются их сопротивления и протекающие по ним токи. Температура же обмоток определяется нагревом их током и температурой охлаждающего воздуха. При изменении температуры обмотки возбуждения генератора на каждые 10° С изменяется мощность на зажимах генератора приблизительно на 20 кВт.
Во избежание значительных перегрузок дизеля при холодных обмотках и недогрузки при нагретых обмотках настройку генератора производят при средней эксплуатационной температуре обмотки возбуждения. В эксплуатации при холодной обмотке возбуждения генератор на 8-й позиции контроллера может перегружать дизель, что вызывает просадку частоты вращения вала дизеля на 60-70 об/мин. Это примерно соответствует работе дизель-генератора на 7-й позиции контроллера. В данном случае изменение положения рукоятки контроллера не изменяет режим работы дизель-генератора. Возможность просадки частоты вращения вала дизеля в результате перегрузки при холодной обмотке на промежуточных позициях контроллера снижается вследствие того, что на этих позициях генератор разгружает дизель по подаче топлива в результате уменьшения напряжения ив возбудителя. В случае поездной работы в южных районах возможен нагрев обмотки возбуждения генератора выше средней эксплуатационной, т. е. температуры настройки, и, как следствие, возможно снижение мощности генератора на 60-80 кВт, Внедрение сезонного изменения настройки
генератора на осенне-зимний и весенне-летний периоды в соответствии с условиями работы тепловоза снижает разгрузку дизеля.
Автоматическое регулирование тяговых электродвигателей. При трoгании и разгоне поезда развивается наибольший ток нагрузки генератора ввиду больших сопротивлений движению при трогании и сил инерции при разгоне. По мере увеличения скорости ток нагрузки уменьшается, а напряжение увеличивается по гиперболической части внешней характеристики генератора.
По достижении ограничения по напряжению (см. рис. 91) при дальнейшем уменьшении тока нагрузки рост напряжения прекращается, а мощность уменьшается пропорционально току. Максимальная скорость движения при полном использовании мощности при этом относительно мала. Для возможности расширения диапазона скоростей, при которых используется полная мощность дизеля, применяется регулирование тяговых электродвигателей посредством изменения схемы соединения и ослабления поля.
Движение тепловоза ТЭМ1 начинается при последовательном соединении шести тяговых электродвигателей для возможности реализации длительной силы тяги тепловоза 20 тс, которой соответствует длительный ток двигателя 820 А. Последовательно-параллельное соединение в две группы по три двигателя в каждой для тепловоза ТЭМ1 при трогании неприемлемо ввиду недопустимости длительного тока генератора /Р =820 х 2 = 1640 А.
При достижении на последовательном соединении двигателей максимальной скорости, соответствующей наибольшему напряжению генератора и началу недоиспользования мощности, производят переключение схемы соединения на последовательно-параллельное. Поскольку мощность генератора и скорость движения за время переключения практически не изменяются, сила тяги сохраняется почти неизменной согласно выражению
о - ТЭМ1; С-СП - переключение с последовательного соединения на последовательно-параллельное; СП-СПШ - включение ослабленного поля; СПШ-СП - отключение ослабленного поля; СП - С - переключение с последовательно-параллельного соединения на последовательное; б - ТЭМ2; СП - СПШ1 - включение ослабленного поля перввой ступени; СПШ1-СПШ2 - включение ослабленного поля второй ступени; СПШ2-СПШ1 - отключение ослабленного поля второй ступени; СПШ1-СП - отключение ослабленного поля первой ступени
Ввиду уменьшения сопротивления обмоток при ХОЛОДНОМ СОСТОЯНИИ этот коэффициент снижается.
Как и при переключении с последовательного на последовательно-параллельное соединение, после перехода на ослабленное поле сила тяги сохраняется практически неизменной согласно формуле (11). Однако ток тяговых электродвигателей увеличивается обратно пропорционально снижению магнитного потока Фд согласно выражению (12). Увеличение тока двигателей вызывает увеличение тока генератора, и работа генератора будет происходить снова в зоне гиперболического участка внешней характеристики.
Переключение схемы соединения тяговых электродвигателей, включение и выключение ослабления поля осуществляются автоматически посредством реле переходов.
На рис-. 96, а приведена характеристика режимов переходов на 8-й позиции рукоятки контроллера тепловоза ТЭМ1 при прогретой независимой обмотке возбуждения тягового генератора. При холодной обмотке параметры срабатывания реле переходов несколько отличаются ввиду изменения внешней характеристики генератора. Из-за некоторого отклонения внешней характеристики генератора от гиперболы перед переключением на СП, а также при переходе на СПШ полная мощность дизеля частично недоиспользуется.
Максимальная скорость, при которой мощность дизеля тепловоза ТЭМ1 при прогретых обмотках возбуждения тяговых электродвигателей используется полностью, составляет ~45 км/ч.
На тепловозе ТЭМ2 длительная сила тяги 20,2 тс развивается на последовательно-параллельном соединении тяговых электродвигателей при длительном токе двигателей /д = 605 А и длительном токе генератора /г = = 1210 А, поэтому последовательного соединения не применяется, что дает существенные преимущества этого тепловоза по сравнению с тепловозом ТЭМ1.
Для расширения диапазона скоростей использования полной мощности дизеля используются две ступени ослабления поля. Коэффициент ослабления поля первой ступени а = 0,48, второй ступени а = 0,25.
На рис. 96, б приведена характеристика режимов переходов на 8-й позиции контроллера тепловоза ТЭМ2. Переходы на СПШ1 и СПШ2 (прямые переходы) происходят в одной точке внешней характеристики, на СПШ2 и СПШ1 (обратные переходы) - тоже в одной точке. Это дает возможность полнее использовать гиперболическую часть внешней характеристики, а следовательно, обеспечивает диапазон скоростей использования мощности дизеля с меньшей перегрузкой тягового генератора по току при обратных переходах и меньшим недоиспользованием мощности при прямых переходах. Максимальная скорость использования полной мощности дизеля при прогретых обмотках возбуждения электродвигателей составляет ~58 км/ч.
Рис. 97. Электромеханические характеристики электродвигателей:
а- ЭДТ-200Б (Рдл - 87 кВт; /дл - 820 А, [Удл-125 В; (=4,41); б - ЭД-107 (Рдл-112 кВт; /дл = = 605 А; (Удл=215 В; (=4,53)
Как видно из кривых рис. 96, обратные переходы на тепловозах ТЭМ1 и ТЭМ2 происходят при токах генератора, больших длительных. Это расширение гиперболической зоны генератора за счет перегрузки электрических машин практически не вызывает их перегрева, так как условия движения меняются и перегрузка не бывает длительной.
Расчетные электромеханические характеристики тяговых электродвигателей тепловозов ТЭМ1 и ТЭМ2 при питании от генератора с гиперболической внешней характеристикой при полном и ослабленном поле электродвигателей показаны на рис. 97.
Сила тяги тепловоза складывается из суммы силы тяги всех электродвигателей: _
Следовательно, тяговые характеристики тепловоза могут быть получены перемножением на шесть значений силы тяги одного электродвигателя по электромеханическим характеристикам при различных скоростях движения (см. рис. 3,4).
Система охлаждения дизеля | Маневровый тепловоз ТЭМ1 ТЭМ2 | Электрическая передача тепловозов