Để có thể xác định đặc tính cơ M = fn Đ cho động cơ điện kéo, từ đó xác định được đặc tính sức kéo đầu máy khi không có điều kiện thí nghiệm, nhất thiết phải xây dựng được đặc tính cơ đ
Trang 1Phương 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
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: : Đường đặc tính cơ điện n = f(I) lμ một trong các đặc tính lμm 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 được đặc tính sức kéo đầu máy khi không có điều kiện thí nghiệm, nhất thiết phải xây dựng được đặc tính cơ điện bằng phương pháp lý thuyết Nội dung bμi báo trình bμy phương pháp ứng dụng để xây dựng đặc tính vμ kết quả thu được 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 được ngành Đường sắt Việt Nam (ĐSVN) quản lý khai thác đều được nhập từ nước 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 thường không có hoặc có nhưng không đầy đủ các đặc tính làm việc Hơn nữa, tại các Xí nghiệp
Đầu máy hiện nay do nhiều nguyên nhân khác nhau, chưa xây dựng được các bệ thử nghiệm
ĐCĐK để đánh giá chất lượng 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 như độ tin cậy trong vận hành
Trang 2Trên cơ sở các tham số kết cấu của các ĐCĐK cụ thể, sử dụng phương pháp tính toán
bằng lý thuyết, chúng ta có thể xây dựng được 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 Phương 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(IĐ), đặc tính mô men M = f(IĐ) và đặc tính cơ M = f(nĐ) Thông
thường các đặc tính làm việc của ĐCĐK được 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 được các tính
năng, chế độ làm việc của đầu máy(cấp và thời điểm giảm yếu từ trường, 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(IĐ) cụ thể như sau:
2.1 Xây dựng đường cong từ hoá Ф = f(I kt )
Để xác định các đường đặc tính làm việc của ĐCĐK, cần xây dựng đường cong từ hoá Ф =
f(Ikt) của vật liệu dẫn từ động cơ: = f(Iφ kto) – với Ikto: là dòng điện kích từ vào cuộn kích thích
Quá trình tính toán như sau [2], [3]:
Từ kết cấu ĐCĐK, xác định mặt cắt của các bộ phận dẫn từ, chiều dài đường sức, xác định
giá trị của sức từ động cần thiết Fkto (= ∑Ao.Wkt) Xác định giá trị từ thông định mức φcđm:
CT 2
trong đó:
φe - từ thông chính (Wb);
E - suất điện động (V); KE =
a 60
N P
- hệ số kết cấu máy điện;
P - số đôi cực từ;
N - số thanh dẫn;
a - số đôi mạch nhánh song song;
nđ - số vòng quay máy điện (vòng/ph)
Thay:
KĐ - hệ số xét đến sự sụt áp trên dây quấn phần ứng, tra bảng [3];
Uđm - điện áp định mức của máy điện (V) - theo catalog nhà chế tạo
vậy:
φcđm =
dm
dm D
n N P
a 60 U K
Trang 3Chọn dãy các giá trị có trị số bé và lớn hơn φcđm: 0,2φcđm; 0,4φcđm; 0,6φcđm; 0,8φcđm; 1,0φcđm; 1,2φcđm; 1,4φcđm
Thông qua đo đạc trên kết cấu, tra các số liệu kỹ thuật của kích thước bộ phận dẫn từ của
ĐCĐK cụ thể, tính toán mật độ từ thông (B), tra bảng cường độ từ thông (H); tính trị số sức từ
động F, tương ứng với các giá trị từ thông đã chọn ở trên Từ biểu thức [2], [3]:
FKto = ∑Ao.Wkt = ∑Ikto.Wkt
Suy ra: Ikt =
Kt
Kto
W
F
trong đó: WKt (= const) là số vòng của cuộn kích từ chính
Ikt(A)
Ikt(A)
CT 2
Hình 1 Đặc tính từ hoá (không tải) của ĐCĐK
Từ (4), ứng với mỗi giá trị từ thông φc ta được một giá trị cường độ dòng điện kích từ Ikt. Từ kết quả tính toán ta có thể xây dựng được bảng kết quả (bảng 1) và xây dựng đường cong từ hoá Ф = f(Ikt) (hình 1)
Bảng 1 Mô hình tính toán xác định đường cong từ hoá φc = f(I kt )
Mạch từ o,4φcđm o,6φcđm o,8φcđm 1,0φcđm S
T
T
Bộ phận dẫn từ Mặt
cắt
q
chiều dài L B H F B H F B H F B H F
1 Khe hở không khí qδ Lδ
3 Vành lõi thép qvư Lvư
5 Vỏ máy(Giá dẫn từ) qg Lg
7 ∑Fkt0 (AW)
8 Ikt0
Trang 42.2 Xây dựng đường đặc tính cơ - điện n = f(I Đ ) cho ĐCĐK
Đường đặc tính đường đặc tính cơ điện (hay còn gọi là đặc tính tốc độ) của ĐCĐK một
chiều kích từ nối tiếp n = f(IĐ) thường được xác định dựa vào biểu thức tốc độ [1]:
e
e K
) U 2 IR ( U n
φ
Δ +
ư
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 (Ω);
2ΔU: Trị số điện áp rơi trên 2 chổi điện dương và âm, thường ít biến động
ΔU = Iư.Rtx = hằng số = (2 - 3) V
c
φ - Trị số từ thông dưới mỗi cặp cực từ chính (Wb)
Như vậy dưới điều kiện nhất định các tham số R∑, 2ΔU, KE 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 ∑IRΣ tăng và φc
tăng, n giảm) Do vậy, có thể tính và thiết lập đường 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 đường đặc tính từ hoá Ф = f(Ikt) đã xác định ở trên để
tra ra các giá trị từ thông tương ứng với dòng điện kéo (có thể lập chương 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 tương ứng IR ∑
- Lập bảng giá trị để tính các điểm toạ độ của đường cong đặc tính cơ điện theo biểu thức
(5) và vẽ đồ thị n = f(I)
Đường đặc tính cơ điện n = f(I) nhận được sau khi xây dựng có dạng là đường hypecbol
(hình 2)
Hình 2 Đường đặc tính cơ điện ứng với
các ĐCĐK khác nhau
n (10 -1 v/ph)
I(A)
n (10 -1 v/ph)
I(A)
Trang 52.3 Xây dựng đường 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 nđ (vòng/ phút) được biểu diễn qua biểu thức sau [1]:
i 2
D 6 , 3
i
60
D 6 , 3
trong đó:
ωĐ - tốc độ góc của trục ĐCDK (1/s);
DK - đường kính bánh xe đầu máy (m);
VK - tốc độ đầu máy (km/h);
i - tỷ số truyền của hộp giảm tốc trục;
nđ - số vòng quay ĐCĐK (vòng/phút)
CT 2
Hình 3
Từ biểu thức (6), (7) dễ thấy rằng: VK tỉ lệ với nđ, từ đặc tính cơ điện của ĐCĐK một chiều kích từ nối tiếp đã nhận được, với các thông số kết cấu bộ phận chạy của đầu máy cụ thể, hoàn toàn có thể xác định được đặc tính tốc độ của đầu máy VK = f(I), hình 3, có dạng tương tự như
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 phương 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 được trình bày trên bảng 2 Kết cấu của ĐCĐK TEO 15B được thể hiện trên hình 4
Trang 6Bảng 2 Các thông số kỹ thuật của động cơ điện kéo TEO 15 B
CT 2
xác định
2 Tốc độ vòng quay định mức, vòng / phút 435/1730 Theo catalog
8 Lưu lượng gió làm mát định mức, m3/ min 1,33 Theo catalog
14 Giới hạn nhiệt độ cho phép (cuộn dây rôto), 0C 155 Theo catalog
16 Chiều dày lớp cách điện rãnh của 1 phía, mm 0.5 Theo catalog
25 Tiết diện các dây dẫn: phần ứng, kích từ chính, phụ 6x4 Đo trên máy điện
26 Đường 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
Hình 4 Kết cấu ĐCĐK TEO 15B
trên đầu máy D12E
ỉ 4 60
ỉ4 53 ỉ3 43
ỉ 4 60
ỉ4 53 ỉ3 43
Trang 7Để xây dựng đường đặc tính n = f(I) hoặc VK = f(I) cho ĐCĐK, từ các tham số kỹ thuật và đo
đạc của ĐCĐK TEO 15B, áp dụng phương pháp và các biểu thức tính toán đã nêu, thiết lập chương trình tính bằng ngôn ngữ Microsoft Visual Basic 6.0 theo các thuật toán của phương pháp để tính toán mạch từ, xác định đặc tính từ hoá, tốc độ vòng quay ĐCĐK nđ, tốc độ Vk của
đầu máy và vẽ các đặc tính theo kết quả tính toán Các kết quả tính được trình bày trên bảng 3,
đường cong từ hoá xác định được thể hiện trên hình 1
Từ đường cong từ hoá đã xây dựng ở trên, số hoá đồ thị đường cong này, dùng chương trình phần mềm nội suy, ứng với mỗi giá trị của I
) I (
f kt
c = φ
Kt (IKt = Iu) ta xác định được giá trị của tương ứng (bảng 4)
c
φ
Kết quả tính toán tổng hợp trên bảng 5, các đồ thị đặc tính cơ điện n = f(I) và VK = f(I) cần xây dựng của ĐCĐK TEO 15B trên đầu máy D12E được biểu diễn trên các hình 2 và 3 ở trên
Bảng 3 Kết quả tính toán mạch từ vμ xác định đường cong từ hoá
H(Ôtstét) 14189 550 25 600 122 1.4φcđm
B(Tesla) 1.641 2.216 1.6598 2.829 2.6222 145
H(Ôtstét) 12162 120 3.5 600 122 1.2φcđm
B(Tesla) 1.407 2.071 1.4227 2.425 2.2476 119
H(Ôtstét) 11148 80 2.0 600 122 1.1φcm
H(Ôtstét) 10135 47 1.36 500 122 1.0φcđm
0.9φcđm
0.8φcđm
B(Tesla) 0.938 1.395 0.9484 1.6167 1.4984 375
H(Ôtstét) 6081 1.15 0.79 2.9 11.3 0.6φcđm
B(Tesla) 0.7035 1.0468 0.7113 1.2125 1.1238 238
H(Ôtstét) 4054 0.77 0.61 1.7 6.32 0.4φcđm
B(Tesla) 0.496 0.6979 0.4742 0.8083 0.77492 154
chiều dài
Mạch từ mặt cắt S
dẫn từ 1.khe hở khôn
khí Răn
thép Vành l
thép Lõi cực từ Vỏ máy Σ Fkt
I kt
S T T 1 2 3 4 5 6 7
CT 2
Trang 8Bảng 4 Giá trị từ trường chính theo dòng điện của ĐCĐK
c
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
ci
φ (Wb) 0.041 0.066 0.073 0.076 0.0784 0.0957 0.102 0.108
KE.φc (Wb) 0.317 0.510 0.564 0.587 0.606 0.740 0.788 0.835
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 lượng và nâng
cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong vận dụng đầu máy là yêu cầu thực tiễn Bằng phương
pháp lý thuyết, dựa trên các tham số kết cấu của máy điện kéo trên đầu máy cụ thể, nội dung
bài báo đã đưa ra phương pháp và thiết lập chương 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 phương pháp và kết quả
thu được, 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 Đường cong từ hoá đã thiết lập cho thấy khi dòng điện kéo nhỏ,
đường 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 Ф cđm
(giá trị Ф cđm = 7,9757.10-2 Wb), để có sự biến đổi nhỏ của từ thông (từ thông tăng từ 6,38.10-2 lên
7,97.10-2Wb), 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 vượt quá dòng điện định
mức trong một thời gian dài (Iđm = 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 Đường, Trương Duy Phúc Truyền động điện đầu máy diezel Trường 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 Hμ Thiết kế máy điện Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1997
[4] Tổng cục Đường sắt Hướng dẫn sử dụng đầu máy D12E năm 1988 Ă
