Лекция 9,10 Силовые цепи возбуждения тяговых электрических машин. Цепи включения тягового режима и управления движением тепловоза.

Большинство тепловозов, эксплуатируемых локомотивными депо, оборудовано электрической передачей мощности.

Первые серийные тепловозы американского производства (советское обозначение Д^а) поступили в СССР во время Второй мировой войны. В пятидесятые годы ХХ века было начато производство отечественных тепловозов ТЭ1, ТЭ2, ТЭМ1, оборудованных передачей, принципиально не отличающейся от передачи тепловозов Д^а. Из ныне эксплуатируемых серий подобной, но несколько модернизированной передачей оборудованы тепловозы ТЭМ2 различных индексов, ТЭМ15, ТЭМ17, ТЭМ18.

Развитие преобразовательной техники (в первую очередь, появление достаточно мощных полупроводниковых выпрямителей) произвело революцию в электрической передаче мощности. В середине шестидесятых годов ХХ века СССР был начат серийный выпуск тепловозов нового поколения: М62, ТЭ10 и ТЭП60, имевших значительно более совершенную передачу. Широкое применение устройств переменного тока (прежде всего магнитных усилителей) позволило успешно решить проблему полноты использования свободной мощности дизеля, исключив при этом из схемы тепловоза ненадёжные и дорогостоящие вибрационные аппараты.

Дальнейшее развитие полупроводниковой техники привело к появлению в середине семидесятых годов ХХ века серийных тепловозов с передачей переменно-постоянного тока: сначала 2ТЭ116, а затем ТЭП70 и ТЭМ7А.

Передача этих тепловозов выгодно отличается от передачи постоянно-постоянного тока большей компактностью, надёжностью и простотой в обслуживании. Появление такой передачи сделало возможным создание тепловозов с мощностью дизеля 4000 л.с. в секции и даже 6000 л.с. (опытные тепловозы ТЭП75, ТЭП80, ТЭ136, 2ТЭ126).

Электрическая передача. Электрическая передача любого тепловоза состоит из тягового генератора (ТГ), ротор которого приводится во вращение коленчатым валом дизеля, тяговых электродвигателей (ТЭД), якори которых через тяговые редукторы приводят во вращение колёсные пары, и системы возбуждения тягового генератора. Тяговые генераторы всех тепловозов имеют независимое возбуждение от специальной электрической машины – возбудителя.

На тепловозах, электровозах, электропоездах, городских трамваях, троллейбусах, применяют тяговые электродвигатели последовательного возбуждения, которые имеют высокую устойчивость к боксованию и реализуют большую силу тяги. Магнитный поток полюсов статора такого двигателя, если пренебречь насыщением, пропорционален силе якорного тока, в связи с чем при увеличении частоты вращения якоря, сопровождающем развитие боксования, вращающий момент якоря снижается больше, чем у двигателя независимого (параллельного) возбуждения. Такое снижение вращающего момента якоря и соответственно силы тяги способствует прекращению боксования.

Специфической особенностью службы тяговых электродвигателей является широкий диапазон изменения частоты вращения якоря в процессе работы.

В процессе разгона тепловоза частота вращения якорей ТЭД возрастает, увеличивается и их противоЭДС, что приводит к уменьшению силы якорного тока, а следовательно, и реализуемой мощности ТЭД. Для поддержания мощности тягового электродвигателя Р = UI на постоянном уровне требуется соответствующее повышение напряжения, подводимого к ТЭД, т.е. возрастание напряжения ТГ. Последнее достигается тем, что система управления возбуждением ТГ повышает силу тока, протекающего по его обмотке возбуждения.

Рис. Зависимость вращающего момента М на валу якоря от частоты вращения n при неизменном подведённом напряжении для двигателей последовательного (а) и независимого (параллельного) (б) возбуждения.

Рис. Зависимость напряжения тягового генератора U от силы тока I в его якорной цепи, формируемая системой автоматического регулирования тяговой передачи:

U_min и U_max, I_min и I_max – соответственно минимальные и максимальные значения напряжения тягового генератора и силы тока в его якорной цепи, Р – мощность тягового электродвигателя.

Напряжение генератора невозможно повышать до сколь угодно большой величины. Этому препятствует насыщение его магнитной системы. В какой-то момент разгона сила якорного тока ТЭД упадёт настолько, что для поддержания мощности ТГ его напряжение придётся повысить до предельной величины. Для обеспечения возможности продолжения разгона ослабляют поле ТЭД: параллельно его обмоткам возбуждения подключают сопротивления, в которые ответвляется часть якорного тока.

Сила тока возбуждения и магнитный поток полюсов ТЭД резко уменьшаются, снижаются противоЭДС двигателей, сила якорного тока возрастает. Во избежание повышения мощности ТГ и превышения ею мощности дизеля система регулирования тяговой передачи снижает силу тока в обмотке возбуждения ТГ, напряжение последнего падает, и мощность остаётся на прежнем уровне.

По мере дальнейшего разгона сила якорного тока вновь уменьшается, система автоматического регулирования передачи повышает напряжение ТГ и по достижении им максимальной величины параллельно обмоткам возбуждения ТЭД подключают ещё одну группу сопротивлений, вследствие чего магнитный поток полюсов ТЭД уменьшается, сила якорного тока возрастает, система автоматического регулирования передачи снижает напряжение ТГ, и далее процесс повторяется.