Тепловозы 2ТЭМ 10М. I устройство тепловоза расположение оборудования
Скачать 7.44 Mb.
|
ГЛАВА V ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ передача тепловоза
Схема регулирования возбуждения тягового генератора представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования напряжения, тока и мощности тягового генератора Г (рис. 79). Синхронный подвозбудитель СПВ вырабатывает напряжение переменной частоты, пропорциональное частоте вращения вала дизеля. Тахометрический блок ТБ преобразует частоту напряжения синхронного подвозбудителя в пропорциональное ей напряжение и передает сигнал задания в амплистат АВ. Сигналы обратной связи, пропорциональные напряжению тягового генератора и токам тяговых электродвигателей, поступают от трансформаторов постоянного напряжения ТПН и постоянного тока ТПТ в селективный узел СУ. В селективном узле формируется результирующий сигнал отрицательной обратной связи, поступающий в амплистат в виде тока управления. В амплистате алгебраически суммируются магнитодвижущие силы, создаваемые встречно направленными сигналами задания и управления. Суммарный сигнал подмагничивания соответствует выходному напряжению амплистата и в свою очередь определяет возбуждение возбудителя В и тягового генератора. Такая схема регулирования создает селективную (вспомогательную) характеристику генератора. Для получения необходимой гиперболической внешней характеристики тягового генератора дополнительную коррекцию в амплистат вносит индуктивный датчик ИД, преобразующий механическое перемещение штока сервопривода регулятора частоты вращения дизеля Д в электрический сигнал. Регулятор частоты вращения реагирует на отклонение мощности дизеля от заданной. Стабилизирующий трансформатор СТ служит для обеспечения устойчивой работы схемы. Сигнал от стабилизирующего трансформатора поступает в амплистат только во время переходного процесса, когда изменяется напряжение возбудителя. Принципиальная схема тяговой электропередачи. Для передачи мощности от дизеля к колесным парам и регулирования тяговой мощности на тепловозе применяется электропередача постоянного тока. Принципиальная схема тяговой электропередачи (рис. 80) каждой секции одинакова. Тяговой генератор Г постоянного тока с независимым возбуждением питает шесть параллельно соединенных тяговых электродвигателей 1—6 последовательного возбуждения. Электромеханические характеристики электродвигателей последовательного возбуждения в рабочем диапазоне скоростей имеют вид гиперболы, что позволяет осуществить автоматическое регулирование возбуждения тягового генератора при помощи сравнительно несложных и надежных в эксплуатации электрических аппаратов. Тяговые электродвигатели включаются поездными контакторами П1—П6. Для увеличения диапазона использования полной мощности тяговых электродвигателей применяются две ступени ослабления возбуждения. Контакторы ослабления возбуждения ВШ1, ВШ2 включают резисторы ослабления возбуждения СШ1, СШ2 параллельно обмоткам возбуждения ОВ электродвигателей 1—6. Сигналы для срабатывания контакторов ВШ1, ВШ2 поступают от реле ослабления возбуждения РП1, РП2, катушки напряжения которых включены через регулировочные резисторы СРПН1, СРПН2 на напряжение тягового генератора, а токовые — через резисторы СРПТ параллельно обмоткам добавочных полюсов тягового генератора. Направление движения тепловоза изменяется путем изменения направления тока в обмотках возбуждения ОВ тяговых электродвигателей при помощи электропневматического переключателя ПР (реверсора). Система возбуждения тягового генератора совместно с объединенным регулятором дизеля обеспечивает автоматическое поддержание постоянства мощности в рабочем диапазоне внешней характеристики, ограничение тока и напряжения генератора. Независимая обмотка возбуждения тягового генератора питается от возбудителя постоянного тока В Возбудитель имеет две обмотки возбуждения: независимую и размагничивающую. Независимая обмотка включена на выпрямленное напряжение амплистата АВ (магнитного усилителя). В амплиста- те осуществляется алгебраическое суммирование и усиление сигналов задания и обратной связи. Сигнал задания, пропорциональный частоте вращения вала дизеля, поступает в обмотку задания 03 амплистата от бесконтактного тахометрического блока ТБ, питающегося от синхронного подвозбудителя СПВ. Дополнительный сигнал задания поступает в регулировочную обмотку ОР от индуктивного датчика ИД через выпрямительный мост. Сигналы обратной связи по напряжению и току тягового генератора поступают в селективный узел от трансформатора постоянного напряжения ТПН и трансформаторов постоянного тока ТПТ. В селективном узле формируется результирующий сигнал обратной связи, поступающий в обмотку управления ОУ амплистата. Комплексное противобоксовочное устройство тепловоза обеспечивает получение динамических жестких характеристик генератора, т. е. неизменность его напряжения при боксовании одной или нескольких колесных пар, а также своевременное обнаружение боксования и его прекращения с наименьшими потерями силы тяги тепловоза. Уравнительные соединения ПВ1—ПВЗ предназначены для улучшения противобоксовочных свойств тепловоза и представляют собой полупроводниковые диоды, включенные попарно между обмотками возбуждения тяговых электродвигателей. При боксовании одного из электродвигателей в его обмотку возбуждения поступает дополнительный ток от небоксующего двигателя, что повышает жесткость характеристики боксу- ющего двигателя и стабилизирует режим боксования, не давая ему перерасти в «разносное». Для устойчивости электропередачи в переходных режимах сигнал по напряжению возбудителя через стабилизирующий трансформатор поступает в стабилизирующую обмотку ОС амплистата. Для устойчивости электропередачи с уравнительными соединениями (при боксовании) дополнительно введена отрицательная обратная связь по уравнительному току. Размагничивающая обмотка возбудителя, питающаяся напряжением постоянного тока, служит для аварийного возбуждения возбудителя при выходе из строя элементов системы автоматического регулирования тягового генератора и компенсирует напряжение холостого хода амплистата. Трансформаторы постоянного тока и напряжения, рабочие обмотки амплистата, индуктивный датчик питаются от синхронного подвозбудителя через распределительный трансформатор ТР.
Магнитные усилители. Если по катушке со ста. ьным сердечником проходит переменный ток, то в ней преобладает индуктивное сопротивление. Ток, протекающий по катушке, образует в сердечнике магнитный поток. Обычно величина потока определяется по характеристике намагничивания в зависимости от магнитодвижущей силы (м. д. с.), равной произведению тока на число витков катушки и выражающейся в амперах. При увеличении м. д. с. поток в сердечнике возрастает вначале пропорционально, затем возрастание его замедляется в результате магнитног' часыщения материалу сердечника. При насыщении материала сердечника индуктивное сопротивление катушки значительно уменьшается. Рассмотрим устройство, представляющее замкнутый стальной сердечник с двумя катушками. Одну из них подключим к источнику напряжения переменного тока. Если в сердечнике создается магнитный поток, недостаточный для его насыщения, то в этом случае индуктивное сопротивление катушки будет значительным, а сила тока в ней — небольшой. Подключим теперь другую катушку к источнику напряжения постоянного тока. Эту катушку, а также протекающий в ней ток и ее м. д. с. назовем подмагничивающими. С увеличением тока подмагничивания сердечник насыщается и индуктивное сопротивление катушки, подключенной к источнику напряжения переменного тока, уменьшается, а ток в ней возрастает. Таким образом с помощью постоянного тока подмагничивания можно управлять значением переменного тока в катушке. Обмотку подмагничивания называют обмоткой управления. Описанное устройство, представляющее собой замкнутый стальной сердечник с двумя катушками (переменного тока и постоянного тока подмагничивания), называется управляемым дросселем. Для дросселя с сердечником из высококачественного магнитного материала, когда ток управления отсутствует, индуктивное сопротивление обмотки переменного тока очень велико, а ток в ней незначителен. С увеличением тока управления среднее значение переменного тока возрастает. Простейший магнитный усилитель МУ состоит из двух управляемых дросселей (рис. 81, а). Обмотки управления дросселей обычно соединяют последовательно или же вместо двух обмоток применяют одну обмотку ОУ, охватывающую сердечники обоих дросселей. Обмотки переменного тока (рабочие обмотки) ОР1 и ОР2 также соединяют последовательно, включая в их цепь резистор нагрузки СН. Как и в обычном трансформаторе, в управляющих обмотках дросселей наводится переменное напряжение, нарушающее работу МУ. Чтобы избежать его вредного влияния, рабочие обмотки соединяют пос- ледовательно таким образом, чтобы наводимые ими э. д. с. были направлены встречно друг другу и взаимно компенсировались. На схеме МУ, показанной на рисунке 81,6, через нагрузочный резистор протекает не переменный, а постоянный ток, поскольку резистор включен через выпрямительный мост В. Если включить обмотку возбуждения электрической машины в качестве нагрузки усилителя, то таким усилителем можно регулировать значение тока в ней. Мощность нагрузки усилителя во много раз больше мощности цепи управления. Отношение этих мощностей называется коэффициентом усиления по мощности. ры постоянного тока ТПТ-21 и ТПТ В системе автоматического регулирования возбуждения генератора тепловоза используются магнитные усилители: амплистат АВ-ЗА, трансформато 22 и трансформатор постоянного напряжения ТПН-ЗА. Амплистат АВ-ЗА. Высокий коэффициент > \ ;ления дает магнитный усилитель, рабочие обмотки которого включены последовательно с выпрямителями Д1—Д4 (рис. 82). При этом ток в рабочих обмотках будет пульсирующим. Положим, что в первый полупе- риод ток пройдет по выпрямителю ДЗ, резистору нагрузки СН, выпрямителю Д2, обмотке ОР1. Во второй полупериод ток пройдет по обмотке ОР2, выпрямителю Д1, резистору нагрузки СН, выпрямителю Д4. Значение тока можно рассматривать как результат сложения обычного переменного тока с постоянным током определенного значения. Постоянная составляющая тока, протекающая по рабочим обмоткам, подмагничивает усилитель. Таким образом, рабочие обмотки являются одновременно и подмагничивающими, что приводит к значительному увеличению коэффициента усиления. Такой усилитель называется усилителем с внутренней обратной связью, или с самопод- магничиванием. Из характеристики усилителя (рис. 83) видно, что когда нет тока в обмотке управления, то напряжение и, следовательно, ток нагрузки достигают наи- большего значения (точка Б). Для усилителя без обратной связи в этом случае ток нагрузки (ток выхода) очень мал. При протекании тока по обмотке (обмоткам) управления напряжение выхода U амплистата возрастает до максимального значения (точка В), если результирующая м. д. с. обмоток управления F (подмагничивания) положительна, и снижается до малого значения (точка Л), если результирующая м. д. с. отрицательна. В электрической схеме тепловоза магнитный усилитель типа АВ-ЗА предназначен для непосредственного регулирования тока возбуждения возбудителя. Магнитные усилители с внутренней обратной связью называют амплистатами. Амплистат однофазный, кроме рабочих обмоток РО, имеет две подмагничивающие обмотки: задания 03 и регулировочную ОР; размагничивающую обмотку управления ОУ и стабилизирующую ОС. Нагрузкой рабочих обмоток амплистата является обмотка возбуждения возбудителя. Выходное напряжение амплистата в каждый момент зависит от суммарной магнитодвижущей силы его сердечников, создаваемой взаимодействием магнитных потоков от каждой из обмоток с учетом их направления. Трансформаторы постоянного тока ТПТ-21 и ТПТ-22. Трансформатор постоянного тока (ТПТ), являющийся источником тока, позволяет получить сигнал в с^^ме тепловоза, пропорциональный току одного или двух тяговых электродвигателей. На каждом из двух сердечников (рис. 84) имеется по рабочей обмотке. Рабочие обмотки соединены между собой последовательно встречно, образуя вместе с нагрузкой рабочую цепь, которая питается напряжением переменного тока от распределительного трансформатора ТР. Ток нагрузки выпрямляется мостовым выпрямителем БВ. Управляющей обмоткой служат силовые провода, проходящие через центральное отверстие трансформатора от тягового генератора к тяговым электродвигателям. Индуктивное сопротивление рабочих обмоток изменяется под действием подмагничивания постоянным током тягового генератора. Сердечник намагничивается одновременно постоянным и переменным током. В каждый полупериод переменный поток, создаваемый рабочим током, в одном из сердечников совпадает по направлению с постоянным потоком, а в другом "Имеет обратное направление. Вследствие этого первый сердечник переходит в насыщенное состояние, второй будет ненасыщен. Пока сердечник находится в ненасыщенном состоянии, в нем уравновешиваются м. д. с. управляющей и рабочей обмоток. Быстродействие ТПТ обусловлено тем, что благодаря балансу магнитодвижущих сил в насыщенном сердечнике рабочий ток практически мгновенно следует за измеряемым током тяговых электродвигателей. Пропорциональность выходного сигнала (рабочего тока) ТПТ току тяговых двигателей достигается благодаря действию принципа равенства магнитодвижущих сил первичной обмотки (силовые провода) и вторичной (рабочие обмотки). Для снижения влияния окружающих стальных масс и сильноточных проводов в трансформаторах типа ТПТ-21, ТПТ-22 каждая рабочая обмотка выполнена из четырех параллельно соединенных между собой секций. Неравномерность намагничивания сердечников в значительной мере устраняется за счет уравнительных токов в секциях. Трансформатор постоянного напряжения ТПН-ЗА. Трансформатор постоянного напряжения (ТПН), также являющийся источником тока, позволяет получить сигнал (рабочий ток), пропорциональный напряжению тягового генератора. Схема включения трансформатора изображена на рис. 85. Управляющая обмотка У охватывает оба сердечника и через резистор СТН включена на напряжение тягового генератора. Селективный узел. В селективный узел (рис. 86) поступают сигналы обратной связи, пропорциональные току и напряжению тягового генератора. В результате их сравнения в узле формируется ток управления амплистатом. Селективный узел состоит из резисторов СБТТ, СБТН, СОУ и мостовых выпрямителей Bl, В2, ВЗ, В4, В6 (на рисунке В1 и В2 не показаны). Селективность (избирательность) этого узла проявляется в зависимости выходного тока управления от составляющих сигналов обратной связи, определяющих различные участки селективной характеристики тягового генератора. Для выпрямления переменного тока в схеме селективного узла применен блок выпрямителей. 15. Формирование характеристики тягового генератора Селективная характеристика. Характеристика генератора А'Б'Г'Д' (рис. 87), определяемая работой системы автоматического регулирования возбуждения без электрической связи с объединенным регулятором дизеля (отключена регулировочная обмотка амплистата), называется селективной. Формирует ее селективный узел, который производит выбор (селекцию) сигналов обратной связи по току и напряжению — пропускает в управляющую обмотку амплистата ток ТПТ при ограничении тока, сумму токов ТПТ и ТПН при поддержании постоянной мощности и ток ТПН при ограничении максимального напряжения. Уровень селективной характеристики задается током уставки (током подмагничивания) в задающей обмотке, определенным для каждой позиции контроллера. Поэтому формирование характеристики и работа' селективного узла аналогичны для позиций и рассматриваются для номинального режима на 15-й позиции контроллера машиниста. При регулировании тока, мощности и напряжения рабочая точка амплистата, характеризующая намагниченность сердечника и ток выхода, перемещается вдоль крутой части характеристики амплистата от точки А до Д (рис. 88). В пределах этой области кривой магнитодвижущие силы задающей и управляющей обмоток изменяются незначительно, а ток выхода амплистата — от мини-. мального до максимального значения. Очевидно, что чем круче будет идти кривая, тем меньше требуется изменение магнитодвижущей силы для получения тех же значений тока выхода амплистата. При подаче напряжения на задающую и рабочие обмотки амплистата выходной ток амплистата будет максимальным. В этом случае рабочая точка Е находится в области насыщения сердечника амплистата. Получают питание обмотки возбуждения возбудителя и тягового генератора. Происходит быстрое увеличение тока в цепи тяговых электродвигателей, так как якоря их в первоначальный момент неподвижны, а сопротивление обмоток очень мало. Одновременно из-за сильного подмагничивания сердечников ток ТПТ ia (см. рис. 86) быстро увеличивается и становится значительно больше, чем ток ТПН (£и). Ток ia разветвляется: часть его £бт протекает по балластному резистору СБТТ, другая часть i'A—через выпрямитель 55, резистор СОУ проходит в управляющую обмотку ОУ амплистата, создавая на этом участке падение напряжения UBr Ток от ТПН, протекая по резистору СБТН, создает на нем падение напряжения. Так как ток £бн мал (в первоначальный момент напряжение тягового генератора небольшое), то падение напряжения на СБТН меньше того, которое создано на обмотке управления и резисторе СОУ током £д. Поэтому потенциал в точке в значительно выше, чем в точке а, и диод В7 будет заперт. Таким образом, при больших токах тяговых электродвигателей ток от ТПН не проходит в управляющую обмотку амплистата. По мере роста тока тяговых электродвигателей ток в управляющей обмотке возрастает и результирующая магнитодвижущая сила Fx, равная разности магнитодвижущих сил, создаваемых задающей и управляющей обмотками, уменьшается. Дальнейшее возрастание тока тяговых электродвигателей приводит к тому, что магнитодвижущая сила управляющей обмотки превысит на некоторое значение магнитодвижущую силу уставки, и рабочая точка займет на характеристике амплистата (см. рис. 88) положение точки А. Напряжение тягового генератора станович1 я минимальным и соответствует падению напряжения на силовых цепях тяговых электродвигателей, т. е. происходит ограничение тока генератора. На селективной характеристике это соответствует положению точки А. Когда якоря тяговых электродвигателей приходят во вращение и тепловоз трогается, растет э. д. с. двигателей и повышается напряжение тягового генератора. Увеличивается падение напряжения на резисторе СБТН (см. рис.86) и, следовательно, возрастает потенциал точки а. Значение сопротивления резистора СБТН выбирается с таким расчетом, чтобы при токе, соответствующем точке Б1 селективной характеристики, потенциал в точке а селективного узла был равен потенциалу в точке в. С этого момента ток i'„ (сначала очень малый) от ТПН начинает протекать через выпрямитель В7, и в управляющей обмотке амплистата будет суммарный ток г'д + г'и от трансформаторов ТПТ и ТПН. В дальнейшем при повышении скорости тепловоза работа генератора определяется участком Б'Г' селективной характеристики, сумма токов i'A + i'H поддерживается постоянной, а сама характеристика представляет прямолинейную наклонную линию. В точке Г' селективной характеристики ток i'H от ТПН становится настолько большим, что потенциал в точке в селективного узла превышает потенциал точки д, т. е. вентиль В5 запирается и доля тока от ТПТ в управляющей обмотке г‘д = 0. Участок Г' Д' селективной характеристики соответствует ограничению напряжения генератора. В управляющей обмотке амплистата будет протекать только увеличивающийся ток г' от ТПН. При небольшом увеличении напряжения генератора и значительном уменьшении его тока рабочая точка на характеристике амплистата будет смещаться вниз от точки Д к точке Г. Внешняя характеристика. Селективная характеристика генератора на рабочем участке Б' Г' (см. рис. 87), т. е. между режимами ограничения максимально допустимых тока и напряжения, не обеспечивает требуемого постоянства тяговой мощности в различных точках. Для выполнения этой задачи применяется дополнительное регулирование мощности при помощи индуктивного датчика, встроенного в регулятор частоты вращения. Регулировочная обмотка амплистата подключена к распределительному трансформатору через индуктивный датчик, выпрямительный мост и резистор. Таким образом, появляется дополнительное подмагничивание амплистата регулировочной обмоткрй, зависящее от степени нагрузки дизеля. При неизменном максимальном токе в регулировочной обмотке селективная характеристика переместится в положение ГБ, изображенное на рисунке штриховой линией; ограничиваемые значения тока, напряжения и мощности увеличатся. Так как якорь индуктивного датчика связан со штоком серводвигателя регулятора мощности, значение тока регулировочной обмотки изменяется в зависимости от положения индуктивного датчика. При перегрузке дизеля на данной позиции рукоятки контроллера якорь индуктивного датчика под действием регулятора мощности дизеля начнет перемещаться таким образом, Что индуктивное, а следовательно, и полное сопротивление катушки увеличится (максимальное сопротивление катушки соответствует такому положению якоря, когда он полностью находится внутри катушки). Ток в регулировочной обмотке уменьшится и рабочая точка на характеристике опустится вниз, что вызовет уменьшение мощности тягового генератора. Таким образом, регулятор мощности дизеля, изменяя положение якоря индуктивного датчика, формирует гиперболическую внешнюю характеристику БГ тягового генератора, соответствующую постоянной свободной мощности дизеля. В процессе работы тепловоза мощность дизеля изменяется при изменении режима вспомогательных нагрузок. Регулятор мощности дизеля, изменяя при помощи индуктивного датчика ток регулировочной обмотки амплистата, приводит в соответствие мощность тягового генератора с имеющейся свободной мощностью дизеля. Ослабление возбуждения тяговых электродвигателей. Ограничение максимального напряжения тягового генератора определяет реально достижимую тепловозом скорость — примерно 47 км/ч при расчетной норме массы поезда на горизонтальном участке пути. Так как напряжение тяговых электродвигателей (с небольшим допущением) можно принять пропорциональным частоте вращения их якорей, дальнейшее повышение скорости при полном возбуждении тяговых двигателей возможно лишь в случае их исполнения на большее допустимое напряжение. Это потребовало бы значительного увеличения габаритных размеров и, следовательно, массы машин. Для повышения максимальной скорости тепловоза с использованием полной мощности тяговых электродвигателей в электрической передаче применено ослабление возбуждения тяговых электродвигателей. Из известного соотношения Е = СеФп, где Е — электродвижущая сила (э. д. с.); Ф — магнитный поток; Се — электромашинная постоянная электродвигателя; п — частота вращения якоря, следует, что если уменьшить (ослабить) поток возбуждения, то уравновесить э. д. с. (следовательно, и напряжение) двигателя можно за счет увеличения частоты вращения якоря. Поэтому характеристики двигателя n = f(Ir). где 1Г — ток тягового генератора, с различной степенью ослабления возбуждения ОП1, ОП2 располагаются, как показано на рис. 89, выше характеристики при полном возбуждении ПП. Степень ослабления возбуждения а определяется отношением тока в обмотке возбуждения к току якоря тягового электродвигателя. Движение тепловоза начинается при полном возбуждении тяговых электродвигателей. При достижении тепловозом скорости 39—44 км/ч на 15-й позиции рукоятки контроллера машиниста включается групповой контактор ослабления возбуждения BU11. Своими главными контактами ВШ1 включает параллельно обмотки возбуждения тяговых двигателей резисторы первой ступени ослабления возбуждения СШ1. При этом часть тока якоря каждого электродвигателя идет через обмотки возбуждения, часть через замкнутые контакты ВШ1 и резисторы СШ1. На этой ступени возбуждения протекает 60% тока якоря (а, = 60%). Уменьшение тока возбуждения вызывает увеличение частоты вращения якорей тяговых электродвигателей (переход на характеристику ОП1). При дальнейшем увеличении скорости тепловоза до 55—65 км/ч включается второй групповой контактор ослабления возбуждения ВШ2. Главные контакты ВШ2 подключают резисторы СШ2 ослабления возбуждения второй ступени параллельно включенным ранее резисто- 1 рам первой ступени. Ток возбуждения уменьшается до 36% тока якоря (а2 = 36%), что приводит к дальнейшему увеличению частоты вращения якорей тяговых электродвигателей (переход на характеристику ОП2). Включением и выключением контакторов ВШ1 и ВШ2 управляют два реле перехода РП1 и РП2, в качестве которых применены реле типа РД-3010. При увеличении скорости тепловоза напряжение тягового генератора увеличивается, а его ток уменьшается. Включающее усилие, создаваемое катушкой напряжения реле, растет, а отключающее усилие токовой катушки, действующее согласно с отключающей пружиной реле, падает. Так как каждой скорости тепловоза однозначно соответствует определенное соотношение тока и напряжения, включение и отключение реле перехода с соответствующим ослаблением и восстановлением возбуждения двигателей происходят автоматически. Отключение реле регулируется изменением сопротивления, вводимого в цепь катушки напряжения размыкающими вспомогательными контактами соответствующего контактора ослабления возбуждения (ВШ1 или ВШ2). |