Особенности расчёта характеристик электропривода

Особенности рассматриваемою о дайной статье смешанного привода двухзвенных поездов, состоящих из тягача и прицепа (или полуприцепа), определяются тем, что ведущие колеса тягача имеют непосредственную кинематическую связь с тепловым двигателем (механическая трансмиссия), а ведущие колеса прицепа могут быть периодически связаны с ним через электропривод. Параметры механической и электрической передач не являются идентичными, вследствие чего механические характеристики (зависимость крутящего момента от числа оборотов), отнесенные к ведущим колесам тягача и прицепа, отличаются друг от друга. Благодаря связи ведущих колес через поверхность качения число их оборотов (а также окружные скорости) при движении поезда практически уравнивается (при условии, что размер шин тягача и прицепа одинаков), исключая случаи буксования или движения но кривой, но соотношение крутящих моментов не сохраняется постоянным с изменением числа оборотов теплового двигателя, если только в электроприводе не предусмотрен специальный регулятор.

С изменением количества подаваемого в тепловой двигатель топлива изменяются крутящий момент и число оборотов колес тягача. Одновременно изменяется и режим работы тягового электродвигателя, но регулирование подачи топлива воздействует на него не непосредственно, а через электрический генератор и через грунт и колеса. Следовательно, воздействие теплового двигателя на режим работы электродвигателя определяется как характеристиками генератора и системы регулирования электропривода, так и параметрами кинематической связи теплового двигателя колесами тягача.

Чтобы иметь возможность выбрать наиболее приемлемые характеристики электропривода и задать настройку системы регулирования, необходимо владеть методикой расчета этих характеристик по известным параметрам транспортной машины, теплового двигателя и электрических машин. Ниже предлагается метод расчета характеристик электропривода периодического действия на постоянном токе, основанный на наложении внешних характеристик электрических машин, используемых в качестве генератора и двигателя. Предпосылки этого метода базируются на общеизвестных основах теории электрических машин и электрической тяги. В работе П.Н. Иванченко и др. «Электромеханические передачи» - М., 1962 приведены схематические указания по использованию этого метода, однако недостаточные для инженерных расчетов.

Задачей разработки электропривода периодического действия является получение наиболее благоприятных с точки зрения проходимости поезда механических характеристик на ведущих колесах тягача и прицепа при минимальном количестве и весе оборудования и аппаратуры электропривода. Потребляемая электроприводом мощность определяется внешними характеристиками электрических машин и настройкой системы регулирования. К колесам тягача подводится мощность, определяемая разностью мощностей теплового двигателя и электропривода, а также потерь в трансмиссии тягача. В задачу расчета входит выбор параметров электропривода таким образом, чтобы добиться удовлетворительного соотношения крутящих моментов на ведущих колесах тягача и прицепа. Это определяется сопоставлением механических характеристик, получаемых на колесах с механическим и электрическим приводом.

Расчету характеристик электропривода периодического действия должен предшествовать выбор электрических машин по величине мощности и виду возбуждения. При определении необходимой мощности следует учитывать вес, приходящийся на оси с электроприводом, соотношение веса тягача и прицепа, а также длительность и периодичность работы электропривода. Механические характеристики на колесах тягача и прицепа позволяют не только оценить динамические свойства поезда, но могут также ответить на вопрос о допустимой по условиям нагрева длительности работы электропривода. Из механической характеристики на колесе прицепа может быть найдена величина момента электродвигателя при определенном числе оборотов колеса, соответствующем скорости движения поезда на данной передаче. Это дает возможность по электромеханическим характеристикам двигателя определить ток, который будет протекать в тяговых цепях электропривода.

Пользуясь кривыми допустимых перегрузок генератора и двигателя I = f(t_доп), которые представляют собой зависимость допустимого по нагреву времени работы от тока нагрузки электромашины, можно определить возможную длительность работы электропривода. Ее, очевидно, следует принять равной допустимому времени работы той электромашины (генератора или двигателя), для которой оно меньше. На рис. 1.10 приведена в качестве примера кривая допустимых перегрузок для тягового электродвигателя ДК-308А. Из кривой, например, следует, что перегрузка по отношению к часовому току на 12-13% сокращает возможное время непрерывной работы электропривода до 40 мин. При длительности работы электропривода в 20 мин допускается перегрузка двигателя на 25-30%.

Рассчитывая возможную длительность включения электропривода, необходимо учитывать периодичность его включения и условия охлаждения электрических машин, поскольку допускаемая величина и длительность перегрузки зависят также от их начальной температуры. Если периодичность включения электропривода и система охлаждения таковы, что электрические машины не остывают до начальной расчетной температуры (+20°С), то их перегрузочная способность снижается. Если же определенная указанным путем возможная длительность работы электропривода не будет удовлетворять технико-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к поезду, необходимо использовать тяговые электрические машины большей мощности.

По виду возбуждения электрические машины следует выбирать в зависимости от желаемой формы механической характеристики на колесе прицела, на которую можно влиять соответствующим подбором внешних характеристик электрических машин; значительное влияние на форму характеристики оказывает также тип передачи от теплового двигателя к колесам тягача (механическая или гидромеханическая). Внешнее регулирование электропривода проще всего осуществляется изменением напряжения генератора. Широкий диапазон регулирования напряжения обеспечивается соответствующей системой возбуждения. Наибольшими возможностями в этом отношении обладают генераторы с независимым возбуждением, меньшими − генераторы со смешанным и параллельным возбуждением. Преимущество генератора независимого возбуждения заключается в том, что обмотка возбуждения может питаться от специального возбудителя, который позволяет задать нужный закон изменения тока возбуждения.

Иногда бывает целесообразно для получения необходимой характеристики электропривода применить генераторы смешанного возбуждения со встречным включением обмоток, причем последовательная обмотка должна иметь не более 1-2 витков, чтобы не ослаблять чрезмерно поток параллельной обмотки. В некоторых случаях может применяться согласное включение обмоток, что уменьшает напряжение самовозбуждения. Величина тока возбуждения генератора должна быть установлена в зависимости от того, где производится отбор мощности для привода генератора: перед коробкой передач или за ней. Если отбор мощности производится за коробкой передач, то на первом этапе расчета может быть принято некоторое среднее значение возбуждения, которое при повторных расчетах может быть уточнено. Регулирование величины э.д.с. генера-тора Е= с_генnФ_ген при использовании электропривода на нескольких передачах осуществляется за счет ступенчатого изменения скорости вращения генератора при перемене передач. Повышение скорости вращения пропорционально увеличивает э.д.с. генератора и, следовательно, напряжение на зажимах тягового двигателя. Скорость вращения последнего также увеличивается практически пропорционально повышению напряжения, что и требуется при переходе с низшей на высшую передачу.

При отборе мощности для привода генератора перед коробкой передач скорость вращения генератора не зависит от их переключения. Поэтому регулирование напряжения при переходе на высшие передачи должно осуществляться путем увеличения магнитного потока. Очевидно, что на самой высокой передаче, при которой используется электропривод, магнитный поток генератора должен быть максимальным. На низших передачах поток должен быть уменьшен до предела, который обеспечивает возбуждение машины и понижение скорости вращения электродвигателя до уровня, соответствующего числу оборотов колес прицепа и тягача при движении поезда на данной передаче.

Важное значение имеют вопросы, связанные с пусковым режимом. При пуске, когда поезд стоит на месте, ток нагрузки электрических машин не должен превышать значений, допустимых по условиям коммутации, нагреву и по сцеплению ведущих колес с грунтом. Поэтому система управления и регулирования должна обеспечивать ограничение пускового тока и, следовательно, момента. Способы достижения этого определяются принятой системой регулирования и типом возбуждения машин. Может предусматриваться регулирование напряжения генератора за счет изменения тока в цепи обмоток возбуждения. Снижение напряжения на зажимах генератора уменьшает ток нагрузки и ограничивает пусковой момент двигателя. Поэтому после установления параметров механической части трансмиссии прицепа может оказаться необходимым расчет характеристик электропривода для пониженных токов возбуждения генератора и, следовательно, для несколько меньшего значения напряжения на клеммах двигателя. Величину напряжения U_пуск, при котором включение электропривода обеспечивает наибольший возможный пусковой момент и не превышает допустимых пределов по току, можно определить из выражения

U_пуск = I_доп(r_д +r_np),

где I_доп − допустимый пусковой ток, который не должен превышать

двухкратный часовой ток двигателя;

г_д − внутреннее сопротивление обмоток электродвигателя;

г_пр − сопротивление проводов тяговых цепей.

При проведении расчета необходимо выбрать передаточное число от теплового двигателя к генератору и от тягового электродвигателя к ведущим колесам прицепа. Выбор передаточного числа от теплового двигателя к генератору на первой стадии расчета носит предварительный характер; его правильность устанавливается только после построения механических характеристик на ведущих колесах тягача и прицепа. Если распределение крутящих моментов между тягачом и прицепом получается неудовлетворительным, передаточное число может быть изменено и расчет повторяется снова. Передаточное число от теплового двигателя к генератору выбирается, исходя из условия, что при работающем электроприводе скорость вращения генератора и его напряжение при полном возбуждении не должны превосходить максимальные паспортные значении.

Если отбор мощности для генератора производится перед коробкой передач, то передаточное число находится как отношение числа оборотов теплового двигателя при максимальной мощности к максимальной скорости вращения якоря генератора.

i_т.г =

При отборе мощности за коробкой передач следует исходить из условия, что скорость вращения генератора на высшей передаче, используемой с электроприводом, не должна превышать максимально допустимую:

i_т.г =

где n_прив − максимальное число оборотов приводного вала.

Во втором случае механическое отключение вала генератора от приводного вала при переходе на последующие высшие передачи является обязательным.

При выборе передаточного числа от тягового электродвигателя к ведущим колесам прицепа следует исходить из условия, что число оборотов теплового двигателя при максимальной мощности должно соответствовать скорости вращения электродвигателя при рабочем режиме. Последний определяется тремя факторами: величиной момента, который должен развивать электродвигатель для обеспечения заданной проходимости, длительностью непрерывной работы электропривода и периодичностью его включения. Тогда передаточное число может быть определено из соотношения:

=

где n_е − число оборотов теплового двигателя при максимальной

мощности;

n_д.раб − скорость вращения электродвигателя при рабочем режиме;

i_тяг − передаточное число трансмиссии тягача, соответствующее

тем передачам коробки передач и раздаточной коробки, на

которых включается электропривод;

n_пр − передаточное число трансмиссии прицепа.

Если электропривод используется на нескольких передачах трансмиссии, то величина i_тяг принимается для высшей из используемых передач, а на низших передачах следует прибегать к регулированию возбуждения генератора.

Системы управления электроприводом периодического действия должны отличаться максимальной простотой. Вместе с тем, учитывая, что электропривод включается на наиболее трудных участках, когда внимание водителя сосредоточено на выборе наиболее подходящего пути, схема управления должна обеспечивать aвтоматичecки необходимый режим работы системы электропривода. Из этого не следует, что система регулирования электропривода должна включать в себя большое число аппаратов управления и регулирования. Необходимо стремиться к тому, чтобы желаемые характеристики электропривода обеспечивались за счет соответствующего подбора генератора, двигателя и передач. Если этого окажется недостаточно, то тогда следует применить дополнительную аппаратуру управления. В схему управления и регулирования электроприводом должны быть включены лишь самые необходимые элементы зашиты электрооборудования от аварийных режимов, как например, реле максимального тока, реле максимального напряжения и т.п., а также сигнальные устройства, предупреждающие водителя о срабатывании той или иной зашиты.