МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ ФУНКЦИЙ ТОКА СИЛОВОЙ ЦЕПИ ПРИ ЗАПУСКЕ ДИЗЕЛЬ – ГЕНЕРАТОРА

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена электрическая цепь системы запуска дизель – генератора (ДГ) тепловозов типа UzTE16M. Обоснована модель динамики процессов в электрических цепях силовой части и управления при запуске ДГ, для которой выведены системы дифференциальных уравнений колебаний токов второго порядка с переменными коэффициентами. Разработана методика приближенного решения этих систем уравнений, использующая методы интегрального осреднения переменных коэффициентов и операционного исчисления. Выполнен расчет решений систем уравнений и произведен сравнительный анализ с экспериментальными исследованиями.  

ABSTRACT

The article considers the electrical circuit of the diesel-generator (DG) start-up system for diesel locomotives of the UzTE16M type. A model of the dynamics of processes in electric circuits of power and control at the start of a DG is substantiated, for which systems of differential equations of current oscillations of the second order with variable coefficients are derived. A technique for the approximate solution of these systems of equations is developed, using the methods of integral averaging of variable coefficients and operational calculus. Solutions of systems of equations are calculated and a comparative analysis with experimental studies is carried out.

Ключевые слова: тяговый генератор, постоянный ток, энергия, потенциал, метод Лагранжа

Keywords: traction generator, direct current, energy, potential, Lagrange method 

Введение. В процессе эксплуатации тепловозов с электрической передачей постоянного тока нередки случаи затрудненного запуска дизелей в связи со снижением емкости аккумуляторной батареи. Ранее эти задачи анализировались в виде физического описания явления запуска [1-4]. Теоретические и экспериментальные исследования, приведенные в работах [5, 6], показали, что большинство аккумуляторных батарей ТПЖН – 550 тепловозов типа UzTE16M имеют срок эксплуатации на АО «Узбекистон темир йуллари» около 10 лет. Для поддержания технического состояния АБ и устойчивой работы необходимы дополнительные затраты денежных средств. При уменьшенной ёмкости АБ для запуска одной из секции требуется не глушить вторую, это приводит к дополнительному расходу топлива и масла. Поэтому исследования по разработке и улучшению условий запуска дизелей тепловозов с электрической передачей постоянного тока в Республике Узбекистан и на территории стран СНГ являются актуальными.

Были проведены исследования по обоснованию параметров систем, облегчающих процесс запуска дизелей тепловозов с электрической передачей постоянного и переменно – постоянного тока [7, 8, 9], в которых для облегчения запуска применены дополнительные средства и не были использованы резервы системы. Поэтому на основании изучения проведенных ранее исследований и конструкций различных систем с целью облегчения запуска дизелей тепловозов с электрической передачей постоянного (ЭП ПТ) и переменно-постоянного тока (ЭП ППТ) необходимо выяснить имеющиеся резервы силовой и цепей управления.

В данной статье рассмотрена задача приближенного описания динамики процесса в электрической цепи запуска дизель-генератора (ДГ) магистральных тепловозов с электрической передачей постоянного тока. На рисунке 1 изображена приведенная электрическая схема запуска дизеля магистрального тепловоза с электрической передачей постоянного тока, полученная в результате анализа электрической схемы [10].

Рисунок 1. Приведенная электрическая схема запуска дизеля магистрального тепловоза с электрической передачей постоянного тока

где: Внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи;

         Индуктивности пусковой и независимой обмотки;

         Сопротивлении пусковой и независимой обмотки;

         Индуктивности первичной и вторичной цепи обмотки;

         Сопротивлении первичной и вторичной цепи;

         Токи первичной и вторичной цепи;

         Напряжение батареи;

          падение напряжение в пусковой - независимой обмотках между т. 3, 4 и 5, 6.

Для описания переходного процесса принимали следующие допущения.

1. Омические сопротивления ,, и индуктивности , являются постоянными при запуске дизель- генераторов (ДГ).

2. Считаем заданной функцию напряжения на клеммах аккумуляторной батареи между точками 1 и 2:

                                                                   (1)

где: А₁, А₂ –известные постоянные для конкретной разновидности аккумуляторной батареи и времени , отсчитываемого от момента запуска ДГ.

3. Влияние вторичной цепи (в) на первичную цепь (а) характеризовалось функцией наведенной ЭДС:

,                                                                       (2)

для которой коэффициент взаимоиндукции  является постоянной величиной.

4. Влияние первичной цепи (а) на вторичную цепь (в) характеризовалось функцией наведенной ЭДС:

,                                                                       (3)

для которой коэффициент взаимоиндукции  является постоянной величиной.

5. Для цепей (а) и (в) выполняется условие равенства суммы подведенных напряжений , а также потерь напряжений на всех участках замкнутой цепи между точками 1,2,3,4,2,1 и  – между точками  5,6,7, 9.

На основании допущений по п. 1-5 получена следующая система уравнений.

                                            (4)

                                                       (5)

С учетом (1-3) выполняли преобразования последней системы.

                                                      (6)

                                                                  (7)

где     ;    ;      ;     ;

;               ;          ;

Решение системы уравнений (6), (7) выполняли методом операционного исчисления [11, с.42-52] с учетом начальных условий: ; ; постоянная интегрирования определяется из условия   равенства тока нулю в конце периода запуска ДГ при

                                                                                  (8)

Пусть        ;     ;       ;             ;         ;             ;      ;    

В этом случае получим систему уравнений для изображений функций

                                 (9)

                                               (10)

Для решения этой системы вначале составляли определитель из коэффициентов при ,   .

                                        (11)

В режиме резонансных колебаний   , поэтому решаем уравнение

  откуда получим

                                                                    (12)

При  ;               ,          ;      

,                                            (13)

Предварительные расчеты для упрошенного варианта по рисунку 1 показали применимость формул (13) при   из-за отсутствия внешних источников тока в вторичной цепи (кроме U₂₁). Поэтому для последующих решений используем систему уравнений для изображений.

                               (14)

                                                  (15)

После перехода от изображений к оригиналам функций изображений, получим решения для токов первичного и вторичного контуров.

                        (16)

            (17)

Для составления программы расчета на ЭВМ учитывали процесс броска пускового тока и тока прокрутки  в течение фаз:

- первой при t = 0 - 0.4 с и второй при t = 0.4 - 5 с. с интервалами t = 0.4 - 1 с.; 1-2 с.; 2 - 3 с.; 3-5 с.;

Для первой и второй фаз система уравнений для силовой цепи имеет вид (16). Такой порядок расчета обусловлен тем, что за время t = 0 – 0.4 с. (от включения силового контакта контактора Д2 до момента трогания якоря тягового генератора) происходит бросок пускового тока. Время после с. – это время прокрутки коленчатого вала дизеля до появления вспышки в цилиндрах. Время в зависимости от состояния дизель -генераторной установки приняли t=5с. Сопоставляем результатов расчетных исследований с проведенными экспериментальными исследованиями магистральных тепловозах с электрической передачей постоянного тока [12]. Производим  сравнительный анализ рекомендуемой схемы запуска с серийной схемой. График изменения тока i₁(t) для серийной и рекомендуемой схемы показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Графики пусковых токов в силовой цепи ДГ тепловозов типа ТЭ10М по расчетам и экспериментам.

1- теоретические значения серийной схемы; 1’ – экспериментальные значения серийной схемы; 2- теоретические значения рекомендуемой схемы; 2’- экспериментальные значения рекомендуемой схемы.

На графике сплошной линией показана кривая тока i₁(t) по результатам экспериментальных исследований, а пунктирными линиями на основаниях расчетов для каждой фазы. Это подтверждает достоверность предложенной методики расчета динамики процесса.

Заключение

Результаты расчетов показывает достоверность экспериментальных исследований при внедрений предложенной схемы [12] для тепловозов типа UzTE16M. При запуске с предложенной схемой увеличивается ток силовой цепи за счет имеющихся резервов системы запуска.

Список литературы:

1. Степанов А.Д., Васильев В.А., Кузнецов Б.Г., и др.  Передача мощности тепловозов. М. Машиностроение. 1967. 476 с.
2. Вилькевич Б.И. Электрические схемы тепловозов типов ТЭ10М и 2ТЭ10У. М: Транспорт: 1993. 145 с.
3. Жидков В.Н. Некоторые переходные процессы в энергетической цепи тепловозов типа ТЭ10. Межвузовский сборник трудов. Труды ТашИИТа - №88. – Ташкент. – 1977.
4. Джаникулов А.Т., Валиев М.Ш. Исследование крутильных колебаний в режиме запуска дизеля тепловозов типа UzTE16M. Известия Транссиба. – 2021. – № 3 (47). – С. 23 – 30.
5. Жамилов Ш.Ф. Шоимкулов А.А. Техническое обслуживание аккумуляторных батарей типа DLM170 (2B/170АН/10HR), Локомотивы. Электрический транспорт-XXI век 2020 год, ноября, 212-216 стр.
6. Юсуфов А.М., Қодиров Н.С., Жамилов Ш.Ф. “Ўзбекистон темир йўллари” акциядорлик жамияти локомотив паркини техник ҳолатини таҳлили. “Yosh Tadqiqotchi” Jurnali, 2022 №1, 198–205с. doi.org/10.5281/zenodo.6298747
7. Аникеев И.П., Усовершенствованная схема конденсаторной системы пуска дизеля. Журнал Локомотив (Российские железные дороги).-Москва-2000 - №4(2) – с. 29-32.
8. Клиначев Н.В., Воронин С.Г.и др. Моделирование процесса пуска двигателя внутреннего сгорания электрическим стартером. Вестник ЮУрГУ. Серия “Энергетика”. Южно-Уральский государственный университет–Челябинск -2015. -№2. – с.49-56.
9. Djanikulov A., Kasimov O. Simulation Of Transients In The Power Circuit Of The TE -10 Diesel Locomotives When The Diesel Generator Set Protection Is Triggered. International Journal of Advanced Technology vol.29No.7 (2020)
10. Вилькевич Б.И. Электрические схемы тепловозов типов ТЭ10М и 2ТЭ10У. М: Транспорт: 1993 й. 145 б.
11. Бабаков И.М. «Теория колебания» М., Высшая школа. 1965, с. 53-61
12. Джаникулов А.Т. Моделирование динамических явлений в механизмах запуска дизелей магистральных тепловозов: автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н.: специальность 05.22.07 / Джаникулов Ахат Турдибекович; Гос. акционер. ж.-д. компания "Узбекистон темир йуллари", Ташкент. ин-т инженеров ж.-д. транспорта. - Ташкент: 2006. - 19 с.: ил.; 21.