Системы генераторов тепловых двигателей

Транспорт » Системы генераторов тепловых двигателей

Для обеспечения изменения силы тяги и скорости локомотива, требуется регулирование тока нагрузки и напряжения генератора. Максимальные возможные значения тока и напряжения зависят от тяговых параметров локомотива — сцепного веса, мощности теплового двигателя, максимальной скорости движения и от параметров тяговых электродвигателей. Зависимость между мощностью, напряжением и током генератора определяется равенством

где Рг – полезная мощность генератора; Рд = Ре-Рвн – мощность на валу генератора, называемая далее «свободной» мощностью теплового двигателя; Ре – эффективная мощность на валу теплового двигателя; Рвн = (0,05 ÷0,07) Ре – мощность, расходуемая на вспомогательные нужды; ηг = 0,92 ÷0,95 – КПД генератора.

Если пренебречь изменением вспомогательной нагрузки и КПД генератора, которые относительно мало меняются при постоянной мощности теплового двигателя, то предельная по мощности теплового двигателя зависимость Uг(Iг) изображается равнобокой гиперболой ВС (рис. 5.1а). Она соответствует свободной мощности теплового двигателя при номинальном режиме, который, как правило, является предельным.

Максимальное значение тока генератора определяется максимальным током тяговых двигателей, который в свою очередь зависит от предельной по сцеплению колес с рельсами силы тяги. Так как коэффициент сцепления немного снижается при увеличении скорости движения, предельный по условиям сцепления ток генератора уменьшается при повышении напряжения и может быть изображен линией АВ (см. рис. 5.1а).

генератор тепловой двигатель

Максимальное значение напряжения генератора должно быть достаточным для обеспечения максимальной скорости движения поезда. Для наибольшего использования мощности теплового двигателя 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.

Линия ABCD представляет собой предельную внешнюю характеристику генератора, которую можно использовать при заданных тяговых параметрах локомотива. Зависимость Рд(Iг) свободной мощности теплового двигателя от тока генератора, соответствующая предельной внешней характеристике генератора, изображена на рис. 5.1 б. Полная мощность теплового двигателя может быть использована в диапазоне изменения тока от Iг мин (при максимальной скорости движения) до Iг макс (при наибольшей силе тяги).

Практически возможны также ограничения характеристики по режиму работы электропередачи. Как известно, в условиях эксплуатации коэффициент сцепления колеблется в широких пределах. Режим максимального тока при полной мощности является для генератора наиболее тяжелым по коммутации. Следует добиваться, чтобы ограничение по коммутации не препятствовало полному использованию сцепного веса локомотива при любых условиях сцепления.

Максимальные значения тока по линии ВА реализуются при трогании поезда в течение короткого времени. Длительный ток, допускаемый по нагреванию тяговых двигателей и генератора в течение неограниченного времени, меньше максимального и соответствует некоторой точке Н на характеристике (см. рис. 5.1а).

В современном теплоэлектрическом подвижном составе, как правило, электропередача выполняется так, чтобы возможность полного использования тяговых параметров была обеспечена и ограничения по режиму ее работы были за пределами ограничений по тяговым параметрам. В некоторых локомотивах вследствие напряженных нагрузок электропередачи или для снижения веса последней максимальное напряжение ограничивается режимами электропередачи. При этом полная мощность теплового двигателя не может быть использована при больших скоростях.

При построении характеристик генератора иногда удобно пользоваться не напряжением генератора, а его ЭДС:

где Rг – сопротивление последовательных обмоток генератора.

В этом случае можно пользоваться также величиной электромагнитной мощности

, (5.1)

где ηмг = 0,97…0,98 – коэффициент, учитывающий магнитные и механические потери в генераторе.

Предельная внутренняя характеристика Ег(Iг) генератора представлена на рис. 5.1а линией B1A1С1D1 и отличается от предельной внешней характеристики на величину ординат линии OA1 падения напряжения в цепи якоря генератора.

Разделив все члены равенства (5.1) на угловую скорость ωД, получим

где Мэг – электромагнитный момент генератора; Мд – крутящий момент, передаваемый от дизеля генератору; Фг – магнитный поток генератора; см – постоянная генератора.

Отсюда следует, что при постоянной мощности теплового двигателя зависимость магнитного потока генератора от тока нагрузки является также приблизительно гиперболической. Если между тепловым двигателем и генератором имеется зубчатая передача, передаточное отношение входит в коэффициент см, момент и скорость приводятся к валу теплового двигателя.

Важнейшим требованием к электропередаче является обеспечение работы генератора по предельной характеристике ABCD. Для этого прежде всего необходимо, чтобы элементы ее были рассчитаны на работу по этой характеристике. Возможность практической реализации предельной характеристики зависит также от характеристик и системы регулирования электропередачи и, в частности, от системы возбуждения генератора.

При движении поезда на участке с переменным профилем пути предельная характеристика не всегда может быть реализована. На уклонах реализуемая мощность уменьшается вследствие ограничений по скорости, в ряде случаев (проезд раздельных пунктов, в кривых участках пути малого радиуса и т. п.) мощность необходимо уменьшать для снижения скорости. Полная мощность не может быть реализована в начале разгона поезда после остановки и при движении локомотива с малым числом вагонов.

Мощность теплового двигателя можно регулировать изменением подачи топлива или угловой скорости вала или одновременно обеих величин. Как указывалось ранее, для каждого теплового двигателя может быть найдена линия наибольшей экономичности FG (рис. 5.2), определяющая величину крутящего момента Мд теплового двигателя, при которой КПД его является наибольшим при заданном значении угловой скорости. Номинальный режим работы теплового двигателя (точка S) определяется, как правило, условиями получения наибольшей мощности и не всегда отвечает условию наибольшей экономичности, но при понижении мощности целесообразно так выбирать значения крутящего момента и угловой скорости, чтобы режим работы двигателя был близок к оптимальному по экономичности. Если линия наибольшей экономичности соответствует кривой FG (см. рис. 5.2), то крутящий момент следует изменять по линии SGF или хотя бы по линии SLF.

Если в двигателе, работающем в номинальном режиме, уменьшить подачу топлива, угловая скорость двигатель-генератора начнет снижаться согласно уравнению движения

Равновесный режим наступит, когда момент сопротивления генератора станет равным моменту теплового двигателя при новой подаче топлива. Для этого, очевидно, необходимо, чтобы момент сопротивления генератора уменьшался при снижении скорости. Для того чтобы двигатель работал в режиме наибольшей экономичности, зависимость момента сопротивления генератора от угловой скорости должна соответствовать линии FS или FG. Линии наибольшей экономичности различны для разных тепловых двигателей. Следовательно, для экономичной работы необходимо для каждого двигателя подбирать требуемую зависимость Мг(ωд).

Пониженная мощность двигатель-генератора может быть реализована при малых токах нагрузки генератора (например, при движении на уклоне с малой силой тяги) и при больших токах (трогание поезда большого веса). Для соответствия момента сопротивления генератора режиму наибольшей экономичности при любых возможных нагрузках нужно, чтобы при любой угловой скорости магнитный поток генератора изменялся приблизительно обратно пропорционально току. Высокая точность поддержания постоянного момента при этом не обязательна, поскольку в зоне наибольшей экономичности КПД теплового двигателя сравнительно мало меняется при некоторых отклонениях момента или скорости. Величина тока нагрузки определяет силу тяги, развиваемую тяговыми электродвигателями. При установившемся движении сила тяги равна силе сопротивления движению и, следовательно, зависит от скорости движения, профиля пути и других внешних для двигатель-генератора условии работы. Кроме того, как указывалось, при каждой угловой скорости двигатель-генератора требуется реализация различных величин тока. Поэтому принудительное регулирование тока в зависимости от угловой скорости двигатель-генератора нецелесообразно, за исключением режима трогания поезда, рассмотренного ниже.

Отсюда вытекает, что при движении поезда на участке необходимо изменять магнитный поток генератора в зависимости от угловой скорости. При некотором заданном токе нагрузки момент сопротивления пропорционален магнитному потоку, и, следовательно график зависимости Фг(пд) при Iг = const должен быть близким по форме к линии наибольшей экономичности теплового двигателя (например, кривая FS на рис. 5.2). При изменении тока нагрузки масштаб ординат графика меняется. Диапазон изменения тока зависит от тяговых параметров. Следовательно, требуемые характеристики зависимости Фг(пд) имеют вид сетки кривых (рис. 5.3). Для разных тепловых двигателей форма и наклон характеристики существенно различны, однако во всех случаях магнитный поток должен увеличиваться при возрастании угловой скорости.

Как будет показано ниже, от наклона кривой Мг(пд) зависит степень использования полной мощности и стабильность режима работы теплового двигателя при саморегулировании.

Таким образом, требуемые зависимости Фг(пд)должны быть определены при проектировании с учетом особенностей характеристик и параметров теплового двигателя и электропередачи. По этим характеристикам может быть построена сетка кривых Фг(Iг) (рис. 5.4а) и Eг(Iг) (рис. 5.4б) при различных угловых скоростях.

Сила тяги локомотива при трогании поезда с места должна устанавливаться в зависимости от желательного ускорения последнего, его веса и условий сцепления. Минимальная пусковая сила тяги не должна превышать величины, определяемой допустимым ускорением (0,4…0,6 м/сек2) при трогании локомотива без поезда на горизонтальном пути. Максимальная сила тяги ограничивается условиями сцепления его колес с рельсами. Должна быть также обеспечена возможность реализации промежуточных значений пусковой силы тяги путем плавного или ступенчатого изменения ее. Количество ступеней в последнем случае должно быть достаточным, чтобы при переключении ступеней толчки силы тяги и тока не были слишком велики. Величина пусковой силы тяги выбирается машинистом (или автомашинистом) в зависимости от указанных выше условий.

Если тяговые электродвигатели работают по своим естественным характеристикам, потребляемый ими ток снижается по мере увеличения скорости движения и машинист для обеспечения требуемого ускорения должен переводить рукоятку контроллера для увеличения силы тяги. При этом возникают толчки тока, которые при недостаточно умелом управлении могут привести к потере сцепления колес с рельсами. Наиболее совершенный способ управления пуском заключается в сочетании возможности выбора пусковой силы тяги по условиям пуска с автоматическим поддержанием приблизительно постоянной величины ее в процессе пуска. При этом упрощается управление, обеспечивается плавный пуск и уменьшается опасность потери сцепления колес с рельсами.

Сила тяги определяется токами электродвигателей, пропорциональными току генератора. Следовательно, указанный способ пуска может быть обеспечен, если ток генератора при пуске поддерживается приблизительно постоянным для заданного положения рукоятки контроллера и меняется при изменении ее положения, как показано линиями A1B1, А2В2... (см. рис. 5.4). В принципе возможно раздельное управление изменением мощности дизеля (линии В1С1, В2С2) и пускового тока. Преимуществом раздельного управления является возможность выбора любой силы тяги при пуске и любой мощности в конце пуска, что делает управление более гибким. Практически наиболее часто применяется управление одной рукояткой таким образом, что каждому положению ее соответствуют определенные пусковой ток и режим теплового двигателя, т. е. определенная характеристика A1B1C1, A2B2C2, ....

При уменьшении угловой скорости и мощности целесообразно также снижать максимальную величину магнитного потока генератора, чтобы уменьшить мощность возбудителя. Для получения наибольшей мощности при пониженной скорости пришлось бы увеличивать размеры возбудителя.

Таким образом, серия характеристик вида A1B1C1D1, A2B2C2D2 (рис. 5.4) в сочетании с характеристиками (см. рис. 5.3) является наиболее желательной, причем распределение характеристик должно быть по возможности равномерным в диапазоне частот вращения вала дизеля от nд ном до nд 5

Характеристики. (рис. 5.4а и 5.4б) можно получить, изменяя магнитный поток или н. с. генератора по двум параметрам: току нагрузки и угловой скорости. Магнитный поток должен увеличиваться при возрастании угловой скорости. При увеличении тока нагрузки от нуля магнитный поток (пли напряжение) должен сохраняться приблизительно постоянным, затем уменьшаться приблизительно обратно пропорционально току, после чего снижаться при сравнительно постоянном токе. Следует отметить, что во второй зоне важно не получение определенной формы характеристики генератора, а обеспечение использования той мощности, которую может развить тепловой двигатель при номинальной скорости и наибольшей допустимой подаче топлива.

Указанные задачи могут быть решены наиболее полно и точно с помощью специальных систем автоматического регулирования. Такие системы получили широкое распространение в различных видах теплоэлектрического подвижного состава, и в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию и исследованию новых, совершенных систем автоматического регулирования.

Нередко применяются системы возбуждения генератора, при которых без использования специальных регулирующих устройств могут быть характеристики генератора, в большей или меньшей степени приближающиеся к требуемым. Такие системы в отличии от систем автоматического регулирования называются системами саморегулирования двигатель-генератора. Уступая первым по точности регулирования, они являются более простыми по схеме и более надежными в работе. Находят применение также системы, являющиеся сочетанием систем саморегулирования с системами автоматического регулирования. В этих системах регуляторы служат для повышения использования мощности и улучшения пусковых характеристик.

В данном курсе рассматриваются наиболее характерные примеры систем возбуждения генератора без регуляторов, т. е. систем саморегулирования, и характеристики, создаваемые ими. В зависимости от формы внешних характеристик Uг(Iг) или соответствующих им кривых Фг(Iг) эти системы можно разделить на две группы. При использовании схем одной группы указанные характеристики при неизменной угловой скорости имеют вид кривых, выпуклых относительно осей координат. Эти характеристики в дальнейшем называются кратко выпуклыми. В системах другой группы получаются характеристики, близкие по форме к кривым ВС, B1C1,...(cм. рис. 5.4), которые условно называются в дальнейшем гиперболическими.

Системы генераторов тепловых двигателей

Навигация