Как известно, основной особенностью двигателя внутреннего горения гипа Дизеля является то, что создаваемый им вращающий момент должен оставаться приблизительно по:тоянным и равным той его величине, при которой дизель имеет наибольший коэфициент полезного действия, гак как значительное изменение вращающего момента вызывает резкое уменьшение его к.н.д. Кроме того мощность дизеля, нропорциональная произведению вращающего момента :ia число оборотов, является приблизительно пропорциональной числу оборотов, и при данном числе обоэотов быть примерно постоянной. Условия же тяговой работы требуют, чтобы усилие тяги, а следовательно и вращающий момент ia осях тепловоза менялся в весьма дироких пределах, в зависимости от фофиля пути, веса поезда и т. д.
Отсюда вытекает требование, предъ1вляемое к электрической передаче три применении дизеля в качестве ;вигателя: она должна обеспечить возможность щирокого изменения си1ы тяги тепловоза при постоянной мощности дизеля и заданном числе
оборотов его, учитывая, что каждому числу оборотов соответствует определенная и пропорциональная ему мощность дизеля.
В целях наибольщего использования мощности дизеля, нормальная работа тепловоза должна проводиться при наибольшем числе оборотов дизеля. Уменьшение числа оборотов последнего требуется только в тех случаях, когда максимальная допустимая скорость может быть достигнута при неполной мощности дизеля или когда по каким-либо причинам (маневровая служба, слабый путь и т. д.) требуется пониженная скорость или, наконец, в периоды пуска и остановки.
Мощность, затрачиваемая тепловозом во время хода поезда, пропорциональна произведению силы тяги на скорость. Сила тяги, как указывалось выше, автоматически меняется во время хода в зависимости от профиля пути.
В обычно применяемых схемах управления тепловоза скорость при изменении силы тяги также изменяется, но изменяется так, что произведение их (т. е. MOoiHOCTb) не остается постоянной. Поэтому в этих тепловозах, кроме
регулировки числа оборотов дизеля, т. е. мощности его, должен быть нредусмотрен контроллер для регулирования скорости тяговых двигателей. При этом экономичная работа дизеля, эффективное использование его мощности и вообще правильное ведение тепловоза, без рывков силы тяги, без перегрузки, всецело зависит от внимания и квалификации машиниста, который нри всяком изменении профиля должен для этого устанавливать контроллер в какое-то соответствующее измененному нрофилю положение.
Указанный недостаток может быть устранен подбором соответственно рассчитанных и соединенных между собой машин, обеспечивающим постоянство мощности, потребляемой двигателями для каждого числа оборотов дизеля. Тогда нри использовании полной мощности дизеля не требуется никакой регулировки от руки, т. е. регулирование происходит автоматически; при необходимости же уменьшить мощность поворачивается рукоятка, связанная с регулятором числа оборотов дизеля. Надобность в регулирующих аппаратах, таким образом, отпадает и эффективность иснользования тепловоза и топлива сильно повышается при значительном уменьшении возможности аварий и крайней иростоте управления.
Имеется ряд предложений, относящихся к решению указанной задачи. Так, например, предлагалась установка для привода тепловозов, состоящая из генератора постоянного тока, приводимого двигателем внутреннего горения и питающего тяговые двигатели. Этот генератор (или его возбудитель) снабжен обмоткой независимого возбуждения, питаемой от генератора постоянного напряжения, носледовательно с которым включен вспомогательный обратно компаундированный генератор с компаундной обмоткой возбуждения, включенной в цепь тяговых двигателей. Вспомогательный генератор служит для уменьшения возбуждения главного генератора при увеличении тока нагрузки. Этим предполагалось осуществить регулирование скорости хода тепловоза
исключительно путем изменения подачи горючего и автоматически поддерживать мощность генератора постоянной.
В предлагаемой установке, разрещающей также задачу получения постоянства мощности, потребляемой двигателями для каждого числа оборотов двигателя и достижения автоматического регулирования, с целые уменьшения напряжения главного генератора при автоматическом пуске тепловоза, этот генератор (или его возбудитель в случае каскадного возбуждения) снабжен шунтовой обмоткой возбуждения, действующей согласно с обмоткой независимого возбуждения и выполненной таким образом, что обе эти обмотки создают нормальное возбуждение при нормальной работе установки. Кроме того, обмотка возбуждения обратно компаундированного генератора, действующая противоположпо его комнаундпой обмотке, включена параллельно обмотке независимого возбуждения главного генератора.
Предлагаемая установка изображена на чертеже, где фиг. 1 ноказывает принципиальную эле1 грическую схему установки, фиг. 2 и 3 - принцидиальные характеристики машин, примененных в схеме по фиг. 1.
В предлагаемой установке тяговые двигатели /н, (фиг. 1), имеющие только последовательное возбуждение, соединены параллельно и ничем, кроме изменения подаваемого на их зажимЕЛ напряжения, не регулируются. Поэтому при этой схеме легко может быть осуществлена любая система привода: групповой привод ведущих осей от одного или нескольких двигателей, индивидуальный привод каждой ведущей оси от отдельного двигателя, система многих единиц, при которой двигатели, смонтированные на осях вагонов, питаются и управляются с тепловоза и т. н.
Тяговые двигатели питаются от генератора Ь, вал которого сцеплен с валом дизеля и который имеет, как отмечено выше,две обмотки возбуждения: щунтовую р и независимую с. Последняя питается от возбудителя с,
регулируемого иа постоянное напряжение. Возбудитель одновременно служит для питания вспомогательных цепей, цепи освещения и заряда батарей. Последовательно с независимой обмоткой с включен специальный вспомогательный генератор h, напряжение которого направлено против напряжения возбудителя, так что ток в обмотке с определяется разностью напряжений возбудителя и вспомогательного генератора. Этот генератор h также имеет две обмотки возбуждения, из которых одна - главная g питается через шунт s в силовой цепи генератора b частью тока посдедпего, и другая i, действующая обратно первой, включена нараллельно : обмоткой с независимого возбужде 1ия генератора.
Задача, поставленная перед предлагаемой установкой, заключается в том, при всех рабочих режимах юезда мощность дизеля оставалась при данном числе оборотов его) поггояииой. Считая приблизительно но:тоянной часть его мощности, затрагиваемой на потери и вспомогательные механизмы, молсно положить, что холжна оставаться постоянной при )том и мощность генератора.
Полная мощность, создаваемая геlepaTopoM b:
(1)
де Я - э.д.с. генератора и /--ток 1агрузки его (пренебрегаем потерями шуптовой обмотке). Так как мондюсть W должна быть юстояиной, то отсюда э.д.с. Е гене)атора должна быть обратно пронориюнальна току нагрузки. Определим,. :акова должна быть при этих усло;иях характеристика вспомогательного енератора h.
Из теории электрических мап1ин звестно, что
Е - /гФя(2)
де Ф - магнитный поток геператора, п --число оборотов его, k - коэфициент, зависящий толь:о от конструктивных параметров ма1ИНЫ. Магнитный закон Ома для геератора:
0,4т:ЛРГ Ф/ „
где Л W - ампервитки возбуждения,
R - магнитное сопротивление магнитной цепи мащины.
В таком случае ампервитки возбуждения равны сумме ампервитков шунтовой р и независимой с обмоток, т. е.
0,.(AW + AW,}.ФR„, Отсюда
0,80R,, AW, + AW,(У)
Для шунтовой обмотки р ампервитки равны:
AWp
где Wp - число витков обмотки, ip - ток возбуждения в ней, RP - сопротивление обмотки, и - напряжение на зажимлх генератора. По второму закону Кирхгофа
U
где R сопротивление якоря и обмотки дополнительных полюсов.
Следовательно имеет место равенство:
ДР5/
(4) p-RpRP
Следует отметить, что второй член правой части равенства незначителен по сравнению с первым членом.
Для независимой обмотки с амнервитки равны:
iJe-Un AW, w,t, is,где iic - число витков независимой
обмотки,
R - ее сонротивление, i -- ток в ней,
и - напряжение на зажимах возбудителя е,
и/, - нанряжение иа зажимах вспомогательного генератора. Из последнего равенства следует:
U,,
(5)
w.
Из равенства (3) можно определить ампервитки
AW, Q,
(6) Из равенств (1) и (2) можно нанисать: Е W ф г --- kn k. п. I Подставляем в равенство (6) величину AWp и, согласно равенствам (4) и (1), находим: 0, . WpW AW,- R-I + k-n-I AWr нодставляем Это выражение в равенство (5): // -п RC Q,8RrnW W, k-n-I- V Для уйрощения формулы введем следующие обозначения: 0.8/, ,. WpR, „. WpRR, -, -. г , .. О w.kw,Rpw,Rp Все эти величины являются для заданных машин ностоянными нараметрами. Отсюда: У7ГР и, и, (8) Из этого равенства можно видеть, какова должна быть нагрузочная характеристика вспомогательного генератора, ток возбуждения которого нронорционален току / (нри условии постоянной мощности и постоянного числа оборотов л). Как видно из фиг. 2, указанная характеристика складывается из трех характеристик: /, // и ///. 1.Характеристика / есть t/ - величина постоянная, следовательно выражается прямой, параллельной оси тока /. 2.Характеристика //, в случае, если считать R постоянной, представляет собой гиперболу. Так как напряжение генератора регулируется в широких пределах, то он не должен быть сильно насыщенным и потому R значительно изменяться не будет. В виду того, что R увеличивается с увеличением Е, т. е. с уменьшением /, то грубо можно учесть влияние изменения R увеличением отрицательных SJ+C/ ординат кривой //, как это примерно показано кривой //а. 3. Характеристика /// представляет собой прямую, проходящую через начало координат, причем, как было выше указано, значения ординат ее невелики по сравнению с ординатами других кривых. Кривая IV представляет собой результирующую кривую зависимости напряжения на зажимах вспомогательного генератора /г от тока нагрузки главного генератора, при условии постоянной мощности последнего. Так как по предлагаемой схеме ток возбуждения вспомогательного генератора h пропорционален току нагрузки, то эта кривая до. представлять в некотором масштабе так называемую нагрузочную характеристику вспомогательного генератора. Прибавлением к ординатам этой кривой иадения напряжения в якоре вспомогательного генератора получается требуемая характеристика холостого хода последнего. Так как падение напряжения пропорционально току в обмотке с генератора, а этот ток тем больше, чем меньше напряжение вспомогательного генератора, то падение напряжения в вспомогательном генераторе увеличивается по мере приближения к началу координат и, следовательно, характеристика холостого хода должна примерно соответствовать кривой V на фиг. 2. Как видно из чертежа, по форме эта кривая чрезвычайно близко подходит к обычным характеристикам генераторов и поэтому соответствующим способом ее можно рассчитать и тем самым получить на генераторе характеристику постоянной мощности. Требование, чтобы характеристика начиналась не из начала координат, как это должно иметь место, судя по кривой V, достигается при помощи обратной обмотки вспомогательного генератора. В самом деле, благодаря этой обмотке при токе нагрузки, равном нулю, вспомогательный генератор будет иметь некоторое напряжение противоположного направления но сравнению с нормальным, а напряжение, равное нулю, будет при некоторой величине тока нагрузки. Таким обраiOM требуемая характеристика виолие зыиолнима.
Работа предлагаемой установки, т. е. регулирование мощности дизеля, пуск I остановка тепловоза происходят следующим образом.
Регулирование мощности
При изменении числа оборотов к установке должны быть предъ влены следующие требования: 1) мощюсть должна изменяться пропорциошльно числу оборотов дизеля и 2) для саждого числа оборотов мощность должна быть примерно постоянной.
Для проверки первого условия следует определить, какова должна быть ависимость U от числа оборотов п, сли мощность равна
W-an(9)
де- а - некоторый постоянный коэфищент. Из равенств (8) п (9) следует:
U.U.
1ЛИ
U, U. + + CI
и, А, + В,п
(10)
и,
+ , .
Таким образом зависимость U/, от 1исла оборотов дизеля должна выракаться прямой, причем отрезок по )си и/, равный А, в зависимости от шраметров мащин, может быть полокительным, как на прялюй / фиг. 3, 1ЛИ отрицательным, как на прямой // ой же фиг. 3. В действительности, нап)яжение вспомогательного генератора, сак известно, равно
и,Ф,п
де Ф - магнитный поток вспомогаельного генератора.
Таким образом напряжение U,, выракается прямой ///, проходящей через ачало координат. Для того, чтобы юлучить мощность, пропорциональ ую числу оборотов, необходимо, следовательно, добиться, чтобы характеристика см. равенство (10)
U,f(n)
проходила через начало координат, т. е. чтобы отрезок Л равнялся нулю или, по крайней мере, мало отличался от него. Это можно сделать для некоторого тока нагрузки или соответствующим подбором параметров, входящих в Л,, или. если это будет затруднительно, введением р цепь возбуждения вспомогательпого генератора добавочных сопротивлений, причем включение этих сопротивлений может быть связано с положением регулятора оборотов дизеля.
Что же касается второго пункта, т. е. постоянства мощности на каждом положении регулятора оборотов, то это возможно проверить лищь после расчета. Однако можно полагать, что подбором соответствующих параметров или их изменением при переходе с одного положения регулятора па другое (регулированием сопротивления в цепях возбуждения главного и вспомогательного генератора) можно получить весьма незначительные отклонения от кривой постоянной мон;ности. Для этого нужно добиться, чтобы отрезок А при изменении нагрузки в рабочих пределах был невелик по сравнению с нормальной величиной f/;, .
Пуск тепловоза в ход
Пуск тепловоза в предлагаемой установке может быть сделан автоматически при помощи той же рукоятки, регзлируюи;ей обороты дизеля. Эта рукоятка должна иметь перед рабочими положениями одно или несколько пусковых. Первая пусковая ступень должна соответствовать такому числу оборотов дизеля, при котором напряжение возбудителя е достаточно, чтобы аппараты управления (реверсор т. п.) могли включиться. Вспомогаельный генератор h, как показывает ривая V (фиг. 2), должен быть расчитан так, чтобы при некотором токе агрззки его напряжение было больще апряжения возбудителя. При этом, ак можно видеть из схемы (фиг. 1),
