Phơng pháp Xây dựng đặc tính cơ điện cho động cơ điện kéo đầu máy diesel TS đỗ việt dũng Bộ môn Đầu máy Toa xe Khoa Cơ khí Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: : Đờng đặc tính cơ điện n = f(I) l một trong các đặc tính lm việc chủ yếu của động cơ điện kéo đầu máy diesel. Để có thể xác định đặc tính cơ M = f(n Đ ) cho động cơ điện kéo, từ đó xác định đợc đặc tính sức kéo đầu máy khi không có điều kiện thí nghiệm, nhất thiết phải xây dựng đợc đặc tính cơ điện bằng phơng pháp lý thuyết. Nội dung bi báo trình by phơng pháp ứng dụng để xây dựng đặc tính v kết quả thu đợc khi tính toán lý thuyết đặc tính cơ điện cho động cơ điện kéo TEO-15B trên đầu máy D12E. Summary: Electro-mechanic property curve n = f(l) is one of essential working properties of traction electric motors in diesel locomotives. In order to specify mechanic property for electric motors M = f(n D ), thus determine traction property curve for diesel locomotives when condition for experiments is not available, it is necessarily to build electro-mechanic property curve by theory method. This paper presents an application method to build a property curve and the obtained results while calculating theoretically electro-mechanic property curve for TEO-15B traction electric motors in D12E diesel locomotives. CT 2 1. Đặt vấn đề Cho tới nay, các đầu máy diesel đang đợc ngành Đờng sắt Việt Nam (ĐSVN) quản lý khai thác đều đợc nhập từ nớc ngoài. Hầu hết các đặc tính kỹ thuật của các thiết bị chính trên đầu máy đều không có hoặc rất không đầy đủ. Trong điều kiện yêu cầu khai thác đầu máy ngày càng đòi hỏi nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, độ tin cậy và tính an toàn trong quá trình vận hành, việc nghiên cứu, tập hợp và xây dựng các đặc tính kỹ thuật của đầu máy và các cụm tổng thành một cách đầy đủ là yêu cầu bức thiết của thực tiễn sản xuất. Với các máy điện kéo của bộ truyền động điện đầu máy, hầu hết các máy phát điện kéo (MFĐK) đều đã có đặc tính điều chỉnh do nhà chế tạo cung cấp làm cơ sở cho công tác thử nghiệm công suất đầu máy trên bệ thử. Còn các động cơ điện kéo (ĐCĐK), ngoài các hạn độ và các thông số kỹ thuật phục vụ công tác vận hành, sửa chữa tại xí nghiệp, các hãng cung cấp thờng không có hoặc có nhng không đầy đủ các đặc tính làm việc. Hơn nữa, tại các Xí nghiệp Đầu máy hiện nay do nhiều nguyên nhân khác nhau, cha xây dựng đợc các bệ thử nghiệm ĐCĐK để đánh giá chất lợng làm việc và xác định chính xác bằng thực nghiệm các đặc tính làm việc của chúng. Điều này gây khó khăn trong việc kiểm nghiệm các chế độ làm việc với phụ tải dài hạn, đánh giá đặc tính sức kéo thực tế của đầu máy trong điều kiện khai thác đầu máy cụ thể làm giảm các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, tuổi thọ khai thác cũng nh độ tin cậy trong vận hành. Trên cơ sở các tham số kết cấu của các ĐCĐK cụ thể, sử dụng phơng pháp tính toán bằng lý thuyết, chúng ta có thể xây dựng đợc các đặc tính làm việc của chúng, trong đó có đặc tính từ hoá (không tải) và đặc tính cơ điện. Đây là hai đặc tính cơ sở quan trọng để xác định các đặc tính làm việc còn lại của các ĐCĐK. 2. Phơng pháp chung xây dựng đặc tính cơ điện n = f(I ) [1] Đ Động cơ điện kéo đầu máy khai thác trên ĐSVN, cho tới nay đều sử dụng loại động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Loại ĐCĐK này có các đặc tính làm việc cơ bản: Đặc tính cơ-điện(hay còn gọi là đặc tính tốc độ) n = f(I Đ ), đặc tính mô men M = f(I Đ ) và đặc tính cơ M = f(n Đ ). Thông thờng các đặc tính làm việc của ĐCĐK đợc xác định thông qua quá trình thử nghiệm có tải trên bệ thử chuyên dùng và theo các điều kiện thử nghiệm phù hợp với từng loại đặc tính cần xác định. Các đặc tính làm việc của ĐCĐK là một trong những cơ sở để xác định đợc các tính năng, chế độ làm việc của đầu máy(cấp và thời điểm giảm yếu từ trờng, mức độ tận dụng công suất) và đặc biệt đặc tính cơ là cơ sở để thiết lập chính xác đặc tính sức kéo đầu máy. Quá trình tính toán lý thuyết xây dựng đặc tính cơ điện n = f(I Đ ) cụ thể nh sau: 2.1. Xây dựng đờng cong từ hoá = f(I kt ) Để xác định các đờng đặc tính làm việc của ĐCĐK, cần xây dựng đờng cong từ hoá = f(I kt ) của vật liệu dẫn từ động cơ: = f(I kto ) với I kto: là dòng điện kích từ vào cuộn kích thích. Quá trình tính toán nh sau [2], [3]: Từ kết cấu ĐCĐK, xác định mặt cắt của các bộ phận dẫn từ, chiều dài đờng sức, xác định giá trị của sức từ động cần thiết F kto (= A o .W kt ). Xác định giá trị từ thông định mức cđm : CT 2 E = K E . e . n đ (1) trong đó: e - từ thông chính (Wb); E - suất điện động (V); K E = a60 N.P - hệ số kết cấu máy điện; P - số đôi cực từ; N - số thanh dẫn; a - số đôi mạch nhánh song song; n đ - số vòng quay máy điện (vòng/ph). Thay: E = K Đ .U đm (2) K Đ - hệ số xét đến sự sụt áp trên dây quấn phần ứng, tra bảng [3]; U đm - điện áp định mức của máy điện (V) - theo catalog nhà chế tạo. vậy: cđm = dm dmD n.N.P a.60.U.K (Wb) (3) Chọn dãy các giá trị có trị số bé và lớn hơn cđm : 0,2 cđm ; 0,4 cđm ; 0,6 cđm ; 0,8 cđm ; 1,0 cđm ; 1,2 cđm ; 1,4 cđm . Thông qua đo đạc trên kết cấu, tra các số liệu kỹ thuật của kích thớc bộ phận dẫn từ của ĐCĐK cụ thể, tính toán mật độ từ thông (B), tra bảng cờng độ từ thông (H); tính trị số sức từ động F, tơng ứng với các giá trị từ thông đã chọn ở trên. Từ biểu thức [2], [3]: F Kto = A o .W kt = I kto .W kt Suy ra: I kt = Kt Kto W F (A) (4) trong đó: (= const) là số vòng của cuộn kích từ chính. Kt W I kt (A) ( Wb) = f(I kt ) I kt (A) ( Wb) = f(I kt ) CT 2 Hình 1. Đặc tính từ hoá (không tải) của ĐCĐK Từ (4), ứng với mỗi giá trị từ thông c ta đợc một giá trị cờng độ dòng điện kích từ I kt. Từ kết quả tính toán ta có thể xây dựng đợc bảng kết quả (bảng 1) và xây dựng đờng cong từ hoá = f(I kt ) (hình 1). Bảng 1. Mô hình tính toán xác định đờng cong từ hoá c = f(I kt ) Mạch từ o,4 cđm o,6 cđm o,8 cđm 1,0 cđm S T T Bộ phận dẫn từ Mặt cắt q chiều dài L BHFBHFBHF B H F 1 Khe hở không khí q L 2 Răng lõi thép q R L R 3 Vành lõi thép q v L v 4 Lõi cực từ q c L c 5 Vỏ máy(Giá dẫn từ) q g L g 6 v.v 7 F kt0 (AW) 8 I kt0 2.2. Xây dựng đờng đặc tính cơ - điện n = f(I Đ ) cho ĐCĐK Đờng đặc tính đờng đặc tính cơ điện (hay còn gọi là đặc tính tốc độ) của ĐCĐK một chiều kích từ nối tiếp n = f(I Đ ) thờng đợc xác định dựa vào biểu thức tốc độ [1]: ee .K )U2IR(U n + = (5) trong đó: U - trị số điện áp cấp vào ĐCĐK, là giá trị thay đổi khi dòng phụ tải I thay đổi theo đặc tính điều chỉnh U = f(I) của MFĐK (V); I - dòng điện phụ tải (A); R : Tổng điện trở của các cuộn dây (); 2U: Trị số điện áp rơi trên 2 chổi điện dơng và âm, thờng ít biến động U = I .R tx = hằng số = (2 - 3) V c - Trị số từ thông dới mỗi cặp cực từ chính (Wb) Nh vậy dới điều kiện nhất định các tham số , 2 R U , K E đều không biến đổi, nên tốc độ ĐCĐK biến thiên theo I (tức I tăng, U giảm theo đặc tính U = f(I) dẫn đến tăng và IR c tăng, n giảm). Do vậy, có thể tính và thiết lập đờng đặc tính V = f(I) theo trình tự sau: - Chọn các dòng điện phụ tải khác nhau, dựa vào đặc tính điều chỉnh của MFĐK (do nhà chế tạo cung cấp) đã biết để xác định điện áp cấp cho ĐCĐK U CT 2 - Sử dụng bảng số liệu (bảng 1) hoặc đờng đặc tính từ hoá = f(I kt ) đã xác định ở trên để tra ra các giá trị từ thông tơng ứng với dòng điện kéo (có thể lập chơng trình tự động tra trên máy tính) - Từ giá trị điện trở của các cuộn dây phần cảm và phần ứng ĐCĐK và giá trị dòng phụ tải I tính ra trị số sụt áp tơng ứng IR . - Lập bảng giá trị để tính các điểm toạ độ của đờng cong đặc tính cơ điện theo biểu thức (5) và vẽ đồ thị n = f(I). Đờng đặc tính cơ điện n = f(I) nhận đợc sau khi xây dựng có dạng là đờng hypecbol (hình 2). Hình 2. Đờng đặc tính cơ điện ứng với các ĐCĐK khác nhau n (10 -1 .v/ph) I(A) n (10 -1 .v/ph) I(A) 2.3. Xây dựng đờng đặc tính tốc độ cho đầu máy V = f(I) Quan hệ giữa tốc độ đoàn tầu V (km/h) và tốc độ quay ĐCĐK n đ (vòng/ phút) đợc biểu diễn qua biểu thức sau [1]: i2 D.6,3 V Kd K = (km/h) (6) Hoặc: d K K n. i.60 D 6,3 V = (km/h) (7) trong đó: Đ - tốc độ góc của trục ĐCDK (1/s); D K - đờng kính bánh xe đầu máy (m); V K - tốc độ đầu máy (km/h); i - tỷ số truyền của hộp giảm tốc trục; n đ - số vòng quay ĐCĐK (vòng/phút). CT 2 Hình 3 Từ biểu thức (6), (7) dễ thấy rằng: V K tỉ lệ với n đ , từ đặc tính cơ điện của ĐCĐK một chiều kích từ nối tiếp đã nhận đợc, với các thông số kết cấu bộ phận chạy của đầu máy cụ thể, hoàn toàn có thể xác định đợc đặc tính tốc độ của đầu máy V K = f(I), hình 3, có dạng tơng tự nh đặc tính n = f(I). 3. Xây dựng đặc tính cơ - điện n = f(I) cho ĐCĐK đầu máy D12E [3], [4] Đầu máy D12E là loại đầu máy kéo tàu khách Thống Nhất, tàu khách địa phơng hay tàu hàng, hiện nay vẫn là một trong những nguồn sức kéo chủ lực trên ĐSVN. Động cơ điện kéo của đầu máy D12E là loại động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp ký hiệu TEO 15B. Các tham số cơ bản để xây dựng đặc tính lý thuyết đợc trình bày trên bảng 2. Kết cấu của ĐCĐK TEO 15B đợc thể hiện trên hình 4. Bảng 2. Các thông số kỹ thuật của động cơ điện kéo TEO 15 B CT 2 STT Tên gọi Thông số Phơng pháp xác định 1 Công suất định mức, KW 156 /156 Theo catalog 2 Tốc độ vòng quay định mức, vòng / phút 435/1730 Theo catalog 3 Điện áp định mức, V 284/390 Theo catalog 4 Dòng điện định mức, A 550/400 Theo catalog 5 Mô men, N.m 3006/785 Theo catalog 6 Chế độ giảm yếu từ trờng 100/25 % Theo catalog 7 Cấp cách điện F Theo catalog 8 Lu lợng gió làm mát định mức, m 3 / min 1,33 Theo catalog 9 Điện trở phần ứng ở 20 0 C, 0.01965 Theo catalog 10 Điện trở cực từ chính ở 20 0 C, 0.01213 Theo catalog 11 Điện trở cực từ phụ ở 20 0 C, 0.00985 Theo catalog 12 Tỉ số truyền HGT 16/77 Theo catalog 13 Trọng lợng ĐCĐK, kg 1750 Theo catalog 14 Giới hạn nhiệt độ cho phép (cuộn dây rôto), 0 C 155 Theo catalog 15 Số răng phần ứng 58 Theo catalog 16 Chiều dày lớp cách điện rãnh của 1 phía, mm 0.5 Theo catalog 17 Bớc răng phần ứng, mm 24.9 Đo trên máy điện 18 Chiều rộng rãnh phần ứng,mm 7.7 Đo trên máy điện 19 Chiều rộng răng 17.2 Đo trên máy điện 20 Đờng kính phần ứng, mm 460 Đo trên máy điện 21 Chiều dài của phần ứng, mm 270 Đo trên máy điện 22 Chiều cao chân răng phần ứng, mm 39 Đo trên máy điện 23 Số lỗ thông gió dọc trục 24 Theo catalog 24 Đờng kính lỗ thông gió dọc trục, mm 18 Theo catalog 25 Tiết diện các dây dẫn: phần ứng, kích từ chính, phụ 6x4 Đo trên máy điện 26 Đờng kính và chiều dài cổ góp, mm 324/97 Đo trên máy điện 27 Khe hở không khí giữa stato và roto, mm 2,5 Đo trên máy điện 28 Số thanh dẫn của dây quấn phần ứng 464 Theo cấu tạo Hình 4. Kết cấu ĐCĐK TEO 15B trên đầu máy D12E ỉ 4 6 0 ỉ453 ỉ 3 4 3 ỉ 3 3 5 ỉ 4 6 0 ỉ453 ỉ 3 4 3 ỉ 3 3 5 Để xây dựng đờng đặc tính n = f(I) hoặc V K = f(I) cho ĐCĐK, từ các tham số kỹ thuật và đo đạc của ĐCĐK TEO 15B, áp dụng phơng pháp và các biểu thức tính toán đã nêu, thiết lập chơng trình tính bằng ngôn ngữ Microsoft Visual Basic 6.0 theo các thuật toán của phơng pháp để tính toán mạch từ, xác định đặc tính từ hoá, tốc độ vòng quay ĐCĐK n đ , tốc độ V k của đầu máy và vẽ các đặc tính theo kết quả tính toán. Các kết quả tính đợc trình bày trên bảng 3, đờng cong từ hoá xác định đợc thể hiện trên hình 1 Từ đờng cong từ hoá đã xây dựng ở trên, số hoá đồ thị đờng cong này, dùng chơng trình phần mềm nội suy, ứng với mỗi giá trị của I )I(f ktc = Kt (I Kt = I u ) ta xác định đợc giá trị của tơng ứng (bảng 4) c Kết quả tính toán tổng hợp trên bảng 5, các đồ thị đặc tính cơ điện n = f(I) và V K = f(I) cần xây dựng của ĐCĐK TEO 15B trên đầu máy D12E đợc biểu diễn trên các hình 2 và 3 ở trên. Bảng 3. Kết quả tính toán mạch từ v xác định đờng cong từ hoá F (A) 4434 2145 360 2640 4977.6 H(Ôtstét) 14189 550 25 600 122 1.4 cđm B(Tesla) 1.641 2.216 1.6598 2.829 2.6222 14556 808 F (A) 3800 468 50.4 2640 4977.6 H(Ôtstét) 12162 120 3.5 600 122 1.2 cđm B(Tesla) 1.407 2.071 1.4227 2.425 2.2476 11936 663 F (A) 3483 312 28.8 2640 4977.6 H(Ôtstét) 11148 80 2.0 600 122 1.1 cm B(Tesla) 1.2897 1.903 1.304 2.223 2.0603 11441 635 F (A) 3167 183.3 19.6 2200 4977.6 H(Ôtstét) 10135 47 1.36 500 122 1.0 cđm B(Tesla) 1.1725 1.745 1.1855 2.021 1.873 9900 550 F (A) 2849 52.6 17.0 189.2 2162.4 H(Ôtstét) 9119 13.5 1.18 43 53 0.9 cđm B(Tesla) 1.055 1.570 1.067 1.818 1.6857 5270 293 F (A) 2533 11.3 14.8 48.4 1142.4 H(Ôtstét) 8108 2.9 1.03 11 28 0.8 cđm B(Tesla) 0.938 1.395 0.9484 1.6167 1.4984 3750 208 F (A) 1900 4.5 11.3 12.7 461 H(Ôtstét) 6081 1.15 0.79 2.9 11.3 0.6 cđm B(Tesla) 0.7035 1.0468 0.7113 1.2125 1.1238 2389 133 F (A) 1266 3.0 8.7 7.5 257.8 H(Ôtstét) 4054 0.77 0.61 1.7 6.32 0.4 cđm B(Tesla) 0.496 0.6979 0.4742 0.8083 0.77492 1543 86 chiều dài L i (cm) 0.3125 3.9 14.4 4.4 40.8 Mạch từ mặt cắt S i (cm 2 ) 680.4 457.2 386.9 453.9 244.9 Bộ phận dẫn từ 1.khe hở không khí Răng lõi thép Vành lõi thép Lõi cực từ Vỏ máy F kt (A.W) I kt (A) S T T 1 2 3 4 5 6 7 CT 2 Bảng 4. Giá trị từ trờng chính theo dòng điện của ĐCĐK I Kt (A) 110 220 330 440 550 660 770 880 c (Wb) 0,041 0,0657 0,073 0,076 0,0784 0,0957 0,102 0,108 Bảng 5. Kết quả tổng hợp quan hệ đặc tính cơ- điện động cơ TEO 15B %I đm (A) 0.2I đm 0.4I đm 0.6I đm 0.8I đm 1.0I đm 1.2I đm 1.4I đm 1.6I đm I i (A) 110 220 330 440 550 660 770 880 ci (Wb) 0.041 0.066 0.073 0.076 0.0784 0.0957 0.102 0.108 I.R (V) U2+ 8.5 13.1 17.7 22.3 26.9 31.5 36.0 40.6 K E. c (Wb) 0.317 0.510 0.564 0.587 0.606 0.740 0.788 0.835 n đI (v/phút) 869 531 472 446 424 341 315 291 V Ki (km/h) 34 20.8 18.5 17.5 16.6 13.3 12.3 11.4 4. Kết luận Vấn đề xây dựng các đặc tính làm việc cho bộ truyền động điện, từ đó xác định các đặc tính kéo của đầu máy, phục vụ cho công tác vận hành, khai thác, đánh giá chất lợng và nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong vận dụng đầu máy là yêu cầu thực tiễn. Bằng phơng pháp lý thuyết, dựa trên các tham số kết cấu của máy điện kéo trên đầu máy cụ thể, nội dung bài báo đã đa ra phơng pháp và thiết lập chơng trình tính để xây dựng đặc tính cơ điện n = f(I) cho đầu máy diesel nói chung và tính cụ thể cho đầu máy D12E. Từ phơng pháp và kết quả thu đợc, hoàn toàn có thể thiết lập các đặc tính làm việc còn lại của ĐCĐK và của đầu máy D12E với độ chính xác cao. Đờng cong từ hoá đã thiết lập cho thấy khi dòng điện kéo nhỏ, đờng cong là khá dốc, quan hệ giữa từ thông và dòng kích từ là khá tuyến tính. Khi dòng điện kéo gần giá trị định mức, mạch từ bị bão hoà nên càng gần sát giá trị từ thông định mức cđm (giá trị cđm = 7,9757.10 -2 Wb), để có sự biến đổi nhỏ của từ thông (từ thông tăng từ 6,38.10 -2 lên 7,97.10 -2 Wb), cần phải có sự thay đổi lớn của dòng điện kéo (từ 208A lên đến 586A). Vì vậy trong quá trình khai thác đầu máy D12E, cần tránh để dòng điện kéo vợt quá dòng điện định mức trong một thời gian dài (I đm = 550 A). Kết quả nghiên cứu rất phù hợp với các qui định của nhà chế tạo đối với dòng định mức dài hạn của máy phát điện chính trên đầu máy D12E. CT 2 Tài liệu tham khảo [1] Đỗ Việt Dũng, Lại Ngọc Đờng, Trơng Duy Phúc. Truyền động điện đầu máy diezel. Trờng Đại học Giao thông Vận tải, 1996. [2] A. V. Ivanov Smolenski, (Vũ Gia Hanh, Phan Tử Thụ biên dịch). Máy điện quyển 2, 3. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1992. [3] Trần Khánh H. Thiết kế máy điện. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1997. [4] Tổng cục Đờng sắt. Hớng dẫn sử dụng đầu máy D12E năm 1988 Ă . Phơng pháp Xây dựng đặc tính cơ điện cho động cơ điện kéo đầu máy diesel TS đỗ việt dũng Bộ môn Đầu máy Toa xe Khoa Cơ khí Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: : Đờng đặc tính cơ điện. một trong các đặc tính lm việc chủ yếu của động cơ điện kéo đầu máy diesel. Để có thể xác định đặc tính cơ M = f(n Đ ) cho động cơ điện kéo, từ đó xác định đợc đặc tính sức kéo đầu máy khi không. phải xây dựng đợc đặc tính cơ điện bằng phơng pháp lý thuyết. Nội dung bi báo trình by phơng pháp ứng dụng để xây dựng đặc tính v kết quả thu đợc khi tính toán lý thuyết đặc tính cơ điện cho động