Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»
Статья обновлена 1.10.2021 — добавлено фото двигателя и генератора ЧМЭ3
Что это я всё о рогах да о рогах? В статье 8 я на примере генератора «фантомаса» рассказал о синхронных машинах, о том, откуда на мощном тепловозе электроэнергия берётся и куда девается — о кровеносной системе и мышцах, но ни слова не сказал о мозге. Сейчас же пришёл черёд разобраться с самого начала — что происходит, когда машинист ставит контроллер на первую позицию, то есть включает тягу.
Для этого перенесёмся в год великих пожаров, сожравших деревню Масловку и принесших много других бед. Но великие пожары были летом, а мы окажемся в искристых мартовских снегах, верхом на очаге пожара маленького — на тепловозе...
...Долг помощника машиниста — пока машинист занят ведением поезда, следить за машиной, и это вдесятеро сложней, если машина — тепловоз. Электровоз-то надёжен — за сетками высоковольтных камер спокойно щёлкают аппараты, мощные токи моментально льются в двигатели, а на тепловозе аппараты вовсе не главные. Там центр кузова занимает строптивый огнедышащий агрегат — дизель, от которого во все стороны разбегаются трубопроводы с водой, топливом и маслом. Вот и сейчас помощник вернулся с обхода с невесёлым видом:
— Наверное, на следующем подъёме загоримся...
— Что там?
— На коллектор масла натекло.
Глухая одноколейная дорога на краю области, детище Гарина-Михайловского, тихо лежала на холмах Общего Сырта. В ней не было неудержимой воли главной магистрали, она не раздвигала горы и не гарцевала гордо над оврагами на высоких мостах — дорога мирно лежала среди природы, словно выросла вместе с этими холмами. Вместе с нею плавно перетекала по рельефу и змея поезда — два маневровых тепловоза с дюжиной гружёных вагонов.
Машинист первого тепловоза, старого чеха ЧМЭ3, дал два коротких свистка и щёлкнул контроллером. Дождавшись, пока за спиной хлопнут поездные контакторы да килоамперметр покажет какой-то ток, потянул контроллер дальше — и впереди, под капотом, принял нагрузку и важно затарахтел дизель. А в приоткрытое окно полился заунывный потусторонний свист — ТЭМ2, идущий с нами двойной тягой, тоже набрался.
Машинист второго тепловоза, конечно, знал о течи масла, но в этом месте она редко приводила к серьёзному пожару — прогорит на железе да потухнет. А то и вовсе разжижевшее от жара масло быстро стекает вниз и собирается где-то глубоко под дизелем, где уже не жарко, и потом выливается на путь. Поэтому, когда через форточку донеслись два свистка и следом затрещал резкий выхлоп рядной шестёрки, пошла в набор и ТЭМка.
Повинуясь красной кочерге контроллера, за дверью аппаратной камеры тоже хлопнула пара поездных контакторов, а дальше, в дизельном помещении, чуть быстрее застучал дизель. Это тоже рядная шестёрка, но не чешская, а наша — советская. Через пару позиций контроллера в аппаратной щёлкнули контакторы ослабления поля, ток и нагрузка резко возросли. На стуке старых костей дизеля это почти не отразилось, а #турбокомпрессор под натиском возросшего давления газов бодро засвистел.
Всё обошлось — дыма из-под капота не было, дизель не загорелся. ТЭМ2 с честью тянул свою лямку, хотя ему доходил четвёртый десяток — срок для любой машины почтенный. Дизель, стуки которого на нулевой позиции напоминали тоны старого сердечника, на предпоследней седьмой маршировал своими шестью поршнями словно на Красной площади, возбудитель перемножал токи на обороты и чутко держал нагрузку, а две тройки тружеников-электродвигателей тянули поезд почти наравне с чешскими братьями.
И что же такое возбудитель? Чтобы это понять, нужно сперва уяснить понятие мощности. Мощность — это работа, совершённая за время. Затащили холодильник на пятый этаж за полчаса или за пять минут — совершили одну и ту же работу, но затратили разную мощность. Втащили на подъём два одинаковых состава — тоже совершили одинаковую работу, сообщили поездам одинаковое число джоулей потенциальной энергии.
Но первый втащили за 15 минут, второй заехал за 5 минут, поскольку его тянул втрое более мощный локомотив. То же количество энергии было сообщено втрое быстрее, то есть за меньшее число секунд, поэтому мощность измеряется в джоулях в секунду, они же ватты: Дж/с = Вт. Когда энергия преобразуется из одного вида в другой (например, из электрической в механическую — в электродвигателе), то мощность остаётся неизменной, за вычетом потерь.
Допустим, на входе электродвигателя затрачивается 500 кВт электроэнергии — на выходе получается 480 кВт механической, 20 киловатт уходят в потери (на нагрев обмоток, на трение и другие). Поэтому мощность разных видов можно с натяжкой приравнивать друг к другу, хоть в некоторых разделах она и обозначается разными буквами. Например, механическая мощность — N, электрическая — P, гидравлическая — тоже N. Итак:
Поделив мощность выходную на входную, можно узнать коэффициент полезного действия — КПД: 480/500 = 0,96. Это значит, что 96 % энергии пошли в полезную работу, 4 % потеряны.
Как это поможет в понимании работы тепловоза? То, что рождается в цилиндрах дизеля — родственник гидравлической мощности: давление на поршни есть, расход газа (если смотреть по выхлопу дизеля) есть. Между поршнем и коленчатым валом она передаётся как механическая поступательная, с коленвала в главный генератор поступает уже механическая вращательная, а из генератора выходит электрическая, потребляемая ТЭДами.
Генератор, вопреки мнению многих обывателей — весьма мощная нагрузка для дизеля, это вытекает из обратимости электромашин. Если при работе машины в двигательном режиме магнитные полюса, грубо говоря, притягиваются и тянут вал — то в генераторном режиме они отталкиваются и тормозят вал!
И если с первыми двумя превращениями вопросов нет — сколько родилось в цилиндрах, столько через шатуны надавило на коленвал, столько и провернуло генератор — мимо не пройдёт. А с третьим превращением — из механической в электрическую — всё сложнее.
На входе генератора — мощность механическая, момент на омегу, момент равен CФI, а на выходе — мощность электрическая, вольты на амперы. Эти мощности на установившемся режиме (обороты не растут и не падают) равны.
Значит, чтобы обороты дизеля с генератором (дизель-генераторной установки — ДГУ) были стабильны и все ватты, выработанные дизелем, шли в работу — нужно как-то подгонять электрическую мощность генератора к механической. Этим занимается САР — система автоматического регулирования возбуждения генератора. Как следует из полного названия, она регулирует ток возбуждения генератора, то есть Ф.
Всё в той же статье 8 мы уже краем глаза видели силовую схему ТЭМ2, с неё же и начнём, благо она очень простая:
Показанный серым цветом ВГ — вспомогательный генератор, он работает при запущенном дизеле постоянно, даёт зарядку батареи, питание цепей управления и освещения... В общем, к электропередаче он как таковой не относится, лишь питает самый её исток, потому и показан серым. А вот В и Г — возбудитель и генератор, две хитро связанные машины передачи. 1 ... 6 — тяговые двигатели, догадаться несложно.
ВВ и КВ — контактор возбуждения возбудителя и контактор возбуждения генератора, П1 и П2 — поездные контакторы, подключающие ТЭДы к генератору. РП1 и РП2 с их цепями (всякие там СРП) — реле перехода, управляют ослаблением возбуждения, о них позже...
У контроллера 8 позиций, не считая нулевой, управляет контроллер одновременно и электропередачей, и оборотами дизеля. При установке контроллера на первую позицию включается ВВ и обмотка возбуждения (ОВ) возбудителя (Ш1 — Ш2) получает питание от ВГ через резистор R1 (шаг I). Её магнитное поле наводит в якоре возбудителя ЭДС (шаг II). Следом включаются П1 и П2, подготавливая цепь питания ТЭДов от Г, и когда они включатся — включается КВ, подавая напряжение возбудителя в обмотку возбуждения Г (шаг III).
Поле обмотки наводит в якоре генератора ЭДС (шаг IV), а она заставляет течь ток через двигатели (шаг V). Двигатели, как видим, соединены в 2 параллельных цепи — «гирлянды» по 3 двигателя. Значит, ток генератора делится между ними пополам, а напряжение и вовсе натрое. И точно — номинальное напряжение для генератора ГП-300А указано 645 В, а для двигателя ЭД-107 — аккурат 645/3, 215 вольт.
А зачем нужна блокировка включения КВ по включению П1, П2? Чтобы не было такой ситуации, что какой-то П не включился, а генератор уже выдаёт большое напряжение. Если П наконец включится, то ТЭДы внезапно получат напряжение, а полюса-то не намагничены, противоЭДС нет! Будет небольшой ядерный взрыв — короткое замыкание двигателей...
Поэтому пока П не включились — никакого напряжения генератора. Эта блокировка называется нулевой блокировкой и в том или ином виде есть в любой системе управления двигателями. На электровозах, например, она не даёт включить БВ/ГВ, если контроллер не на нулевой позиции... Но вернёмся к ТЭМ2, он же красавец!
А для чего вообще нужен возбудитель, почему бы не подать напряжение от ВГ сразу в ОВ Г? Его надо регулировать в зависимости от нагрузки, причём регулировать плавно — мощность генератора ГП-300, стоящего на ТЭМ2, целых 780 кВт, обмотка возбуждения потребляет 3,6 кВт, переменный резистор на такую мощность получился бы великоват, но это полбеды. Главное — как организовать само регулирование.
Возбудитель помимо собственно выработки тока возбуждения выполняет ещё две важных функции. Первая — обеспечивает плавное трогание. Взгляните на исходную схему:
ОВ В получает питание не только от ВГ через R1, но и от самого В через R2! В динамике это выглядит так — в момент включения ВВ обмотка возбуждения получает питание лишь от ВГ, ток сравнительно мал, поэтому напряжение на выходе В и ток возбуждения Г тоже малы. Ток ТЭДов плавно растёт, эдакое плавное отпускание сцепления, #тепловоз спокойно трогается...
Мере роста напряжения В он начинает подпитывать себя сам через R2, процесс этот идёт лавинообразно и плавное нарастание заканчивается выходом на рабочий режим.
Ещё одна функция возбудителя, ещё более важная — обратная связь по току генератора, говоря нормальным языком — если ток ТЭДов слишком большой, то возбудитель сбрасывает ток возбуждения, защищая дизель, генератор и двигатели от перегрузки. Сделано это при помощи встречной (противокомпаундной) обмотки возбудителя — О-ОО:
Она намотана из толстой шины, уложена рядом с основной ОВ В (Ш1-Ш2) и включена в цепь тягового тока так, что её магнитный поток действует против потока основной обмотки. Затянулся тепловоз на подъёме, упала противоЭДС двигателей, ток возрос — возросший поток встречной обмотки частично «передавил» поток основной обмотки, итоговый поток возбуждения В упал, нагрузка генератора стабилизировалась. Дизель не будет задушен перегрузкой.
А если генератор разгрузился (тепловоз разогнался), то поток О-ОО уменьшится, основной поток (от Ш1-Ш2) заработает в полную силу, напряжение возбудителя, а с ним и напряжение генератора, возрастёт, загрузка дизеля — то есть развиваемая тепловозом мощность — сохранится. Говоря автомототерминами — благодаря встречной обмотке электропередача работает как #вариатор .
ВГ и В собраны в одном корпусе и называются двухмашинным агрегатом:
Рассмотренный В называется возбудителем с расщеплёнными полюсами, так как разные обмотки расположены на отдельных выступах железа статора. Ещё у такого возбудителя, сочетающего несколько функций, есть другое название, употребляемое довольно редко — амплидин (от англ. amplifier — усилитель, dynamic — динамический, то есть вращающийся), поскольку он усиливает входные сигналы. На некоторых более поздних тепловозах вроде 2ТЭ10М эту роль играет амплистат — электромагнитный усилитель, дальний родственник трансформатора. Но о нём — в другой раз.
Снова вернёмся к ТЭМ2. У него есть ещё «вторая и третья передачи» — переходы, ступени ослабления возбуждения двигателей. Снова взгляните на исходную схему: СШ1 ... СШ4 — сопротивления шунтировки, Ш1 ... Ш4 — контакторы шунтировки. Ввиду того, что напряжения и токи шунтов не очень большие, контакторы сделаны электромагнитными, тогда как реверсор и поездные — обычные для силовой цепи электропневматические:
Как шунты включаются? Автоматически, для этого служат реле перехода РП1 и РП2, приглушённые на первой схеме. У каждого РП две катушки — токовая и напряжения, якорь находится между ними. Катушки «тянут одеяло каждая на себя» — токовая тянет якорь на отключение, вторая тянет на включение.
Катушка напряжения подключена параллельно ТЭДам, поэтому ток через неё пропорционален напряжению на двигателях. Токовая катушка подключена параллельно добавочным полюсам генератора и встречной обмотке возбудителя, а поскольку эти обмотки имеют сопротивление, которое довольно стабильно — то и падение напряжения на них стабильно зависит от тока генератора.
Иначе говоря, ДП генератора и ОВ возбудителя используются как шунт, напряжение на котором пропорционально току генератора — потому и ток токовой катушки пропорционален току генератора. Сопротивление ДП — всего 0,00378 ома, О-ОО — 0,000075 ома, но даже при номинальном токе генератора (а это до 1210 А) напряжение на них будет 0,003855 х 1210 = 4,66 В. Более чем достаточно, чтобы его учуяла катушка реле.
Пока тепловоз трогается и начинает разгоняться — ток велик, а противоЭДС двигателей мала, поэтому и напряжение на них мало. По мере разгона противоЭДС растёт, ток падает, поток встречной обмотки В падает — напряжение Г поднимается. Сила катушки напряжения РП растёт, а сила токовой катушки падает.
В итоге при разгоне примерно до 20 км/ч на 8-й (последней) позиции контроллера баланс сил смещается настолько, что якорь РП перетягивается к катушке напряжения и замыкает контакты, подавая питание на катушки контакторов Ш1 и Ш3. Включается первая ступень ОВ (первый переход), противоЭДС резко падает, ток и сила тяги восстанавливаются.
При меньших позициях переход включится немного раньше, так как будет ощутимо меньше ток, а противоЭДС сильно зависит от скорости. Точно так же при дальнейшем разгоне включится РП2 и от него — Ш2 и Ш4, второй переход. Регулируются РП перестановкой ползунков (по сути — отпаек, промежуточных отводов) резисторов СРП. Когда напряжение вырастет и на второй ступени — переключаться уже некуда, сила тяги спадёт окончательно, разгон прекратится.
Из-за того, что после включения Ш ток возрастает, РП может отключиться, что приведёт к звонковой работе (колебательным включениям — отключениям) РП и Ш. Чтобы этого не было, в схеме управления есть реле времени, дающие задержку, а также параллельно части СРП включены контакты контакторов Ш. После включения РП и Ш эти контакты, закорачивая часть СРП, увеличивают напряжение на катушке РП и этим сдвигают его настройку.
А что на фото аппаратной камеры ТЭМ2 за чёрная коробка РТ? Это реле максимального тока генератора — если ток превысит допустимый (860 А), то РТ отключит ВВ. Ток начнёт падать, как только спадёт до нормы — ВВ снова включится. Так, вибрационной работой этих двух аппаратов, ток Г будет поддерживаться на допустимом уровне, и точно так же работает защита от боксования колёсных пар, но о ней — в другой раз...
И напоследок — как контроллер управляет дизелем. На дизеле стоят три электропневмовентиля, включение которых в разных комбинациях перестраивает регулятор дизеля. На 1-й позиции контроллера включается электропередача (возбуждение и поездные).
На 2-й закорачивается часть СВВ (сопротивления возбуждения возбудителя), что просто увеличивает ток, но частота вращения по-прежнему как на нулевой позиции — 300 об/мин. А с 3-й начинается рост оборотов дизеля, на 8-й они достигают 750 об/мин.
До новых встреч, в следующий раз вас ждёт разбор самой, пожалуй, сложной силовой схемы — электровозов ВЛ60К и ВЛ80К, Т, С!
Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель». В нём и железная дорога , и #метро , и другие виды транспорта — занимательная #физика в деле.
Другой цикл канала — «Тушкины потроха», об устройстве Ту-154 и попутно о некоторых других самолётах и двигателях.