Способ продления срока службы аккумуляторных батарей тепловозов путем снижения пусковых токов

УДК 629.424.1:629.085

РЯБКО К. А., ст. преподаватель

Способ продления срока службы аккумуляторных батарей тепловозов путем снижения пусковых токов

Постановка задачи

Система пуска тепловозных дизелей представляет собой комплекс устройств, обеспечивающих принудительное вращение вала дизеля. На большинстве серийных тепловозов запуск дизеля осуществляется непосредственно тяговым генератором, работающим в режиме стартерного двигателя. Эта система компактна и надежна в работе, обеспечивает возможность автоматизации процесса пуска с помощью несложных электротехнических устройств. Недостатком такой системы являются пиковые значения тока, в первоначальный момент пуска. Данное явление уменьшает срок службы аккумуляторной батареи и, как следствие, снижает надежность пуска дизеля.

Негативно влияющим фактором на надежную работу системы пуска тепловозных дизелей, является использование аккумуляторных батарей, практически выработавших свой ресурс, что обуславливает необходимость применения средств диагностики, а также применения систем облегчения пуска.

Таким образом, продление срока службы аккумуляторных батарей в условиях эксплуатации является актуальной задачей.

Анализ публикаций

В системах пуска дизель-генераторной установки маневровых тепловозов используются как свинцовые, так и щелочные аккумуляторные батареи. Тепловозные аккумуляторные батареи по ряду технических и эксплуатационных показателей имеют существенные различия. Так, свинцово-кислотные батареи имеют в 1,5 раза большее напряжение, а, следовательно, и большую удельную емкость и мощность на единицу объема и массы, чем щелочные. Они работоспособны при низких

температурах. Коэффициент полезного действия свинцово-кислотных аккумуляторов, определяемый как произведение отдачи по емкости на отношение средней э. д. с. при разряде-заряде, в полтора раза выше, чем щелочных (до 75 % против 50%). Щелочные никель-железные аккумуляторы не содержат вредного для здоровья свинца, более стойки к динамическим воздействиям (вибрации, тряске) на тепловозах, менее чувствительны к перезарядам и коротким замыканиям, более просты в обслуживании и имеют в 2,5-3 раза больший срок службы, чем свинцово-кислотные (до 1200 циклов заряд-разряд против 400).

В настоящее время на маневровых тепловозах нашли достаточно широкое применение импульсные энергоемкие конденсаторы в системах пуска дизель-генераторной установки, а также вспомогательные системы, позволяющие продлить срок службы батарей. Как следствие вспомогательные системы, не всегда обеспечивают снижение пусковых токов и устойчивый запуск.

Так, в работе [1] рассматривается усовершенствованная система пуска маневрового тепловоза. Электрическая схема предложенной системы электростартерного пуска тепловозного дизеля приводится на рисунке 1.

Рисунок 1 - Усовершенствованная схема электростартерного пуска дизеля маневрового тепловоза.

К штатным элементам добавляется дискретный регулятор напряжения, состоящий из контактора КЗ диодов УБ1 и УБ2, реле тока КА и резистора К

В публикации [1] заявлено, что модернизированная система пуска дизеля с помощью дискретного регулятора напряжения прошла эксплуатационные испытания. Пик пускового тока батареи по данным комиссионных испытаний снизился с 1600 до 650 - 700 А. На рисунке 2 изображены графики, отражающие электростартерный пуск дизеля на маневровом тепловозе, с использованием дискретного регулятора напряжения при последовательном возбуждении генератора О, работающего в режиме стартерного двигателя.

При включении генератора на полное напряжение батареи нарастает ток якоря 1а и равный ему ток батареи 1б. Однако при токе примерно 100 А срабатывает реле тока КА, обеспечивая переключение батареи на параллельное включение полусекций. Токи 1а и 1б разделяются, а суммарный ток двух полусекций возрастает до пикового значения и становится равным току якоря 1а = 1350 А. Напряжение батареи при э.д.с. секций 45 В снижается в «провале» до 30 В и по мере уменьшения токов 1б плавно восстанавливается.

/„А и„В

А рад/с

Рисунок 2 - График, отражающий элетростар-терный пуск дизеля маневрового тепловоза с использованием дискретного регулятора напряжения.

Проведя анализ усовершенствованной электрической схемы дискретным регулято-

ром напряжения, можно сделать вывод, что данная схема имеет существенные недоработки и не позволяет снизить пусковые токи от аккумуляторной батареи;

- реле КА не может сработать за столь короткий промежуток времени (нарастание пускового тока 0 - 100 А, происходит за сотые доли секунды), ввиду конструкционных особенностей коммутационных аппаратов;

- разрыв контактов КЗ.2, переключающий аккумуляторную батарею в параллельное соединение двух полусекций, происходит при больших токах, что негативно влияет на работу контактора;

- при соединении АБ в параллельное соединение двух полусекций напряжение батареи с учетом просадки во время пуска составит приблизительно 30 В, удержание пусковых контакторов КД1, КД2, при таком напряжении маловероятно.

Основной материал исследования

Оптимальный выбор аккумуляторной батареи и схемотехнического решения системы пуска тепловозных дизелей не возможен без учета изменения разрядных характеристик аккумуляторов в процессе эксплуатации.

Модернизация системы пуска будет целесообразной только при условии проведения расчетов необходимого пускового момента и как следствие минимального пускового тока. Обязательным условием при модернизации системы пуска является проведение экспериментальных исследований и эксплуатационных испытаний.

Методика расчета пускового тока тягового генератора, работающего в режиме электрического стартера для маневрового тепловоза:

расчет для заданной величины пускового тока 660 А:

1г = 660 А.

М.д.с. одного полюса:

1г• =1980 А.

Соответственно напряжение АБ при токе 660 А:

иб = 45,5 В 1г = 660 А.

Зб1рник наукових праць Дон1ЗТ. 2011 №25

122

Согласно нагрузочной характеристике генератора:

Р

— = 0,5458 п

Суммарное сопротивление обмоток якоря, добавочных полюсов, пусковой обмотки, а также подводящих кабелей:

= г>[1 + 0,004(3 - 10)] + г,, [1 + 0,004(Т 1 - (0)]+ Гп + тк,

Яп=0,0176 Ом,

Падение напряжения:

А и=660-0,0176+2=13,616В,

Частота вращения вала:

иб-Аи сооо ..

п=---= 58,23об / мин.

Р

п

Омические потери:

Рмп=1г2 Яп •10-3=7,6665 кВт,- электрические потери в полюсах,

Ркщ= А ищ 1г10-3=1,32 кВт,- электрические потери на коллекторе в щеточном переходе,

Ртщ~0,9 кВт, - электрические потери от трения щеток о коллектор.

Общие потери (пренебрегая механическими потерями, потерями в стали и добавочными):

Е Рп= Рмп •Ркщ •Ртщ=9,8865 кВт,

Потребляемая мощность: Р1= 1г •иб •10-3=29,964кВт,

Полезная мощность:

Р2= Р1 - Е Рп =20,0775 кВт,

Вращающий момент на валу генератора, работающего в режиме двигателя:

975Р

I = 97±Р. = 3360Я • 1 п

На основании проведенных расчетов, можно сделать вывод, что пусковой ток величиной 660 А, обеспечит запуск дизеля маневрового тепловоза отечественного производства с теговой электрической передачей постоянного тока. В соответствии с паспортными данными заводов изготовителей момент сопротивления при пуске дизеля для разных серий маневровых тепловозов составляет 2800 -3280 Нхм.

Целесообразным будет сопоставление расчетных данных с экспериментальными.

На базе локомотивного депо был проведен ряд эксплуатационных испытаний системы пуска дизеля маневрового тепловоза, оборудованной конденсаторной системой пуска и устройством снижения пиковых значений пускового тока. Получены зависимости . Измерение пусковых токов проводилось с помощью аналогово-цифрового преобразователя и комплекта измерительных шунтов, с фиксированием данных в цифровом виде.

1,А

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200

1

\

1 ч 1 АБ

\

1 КСП ч ч

А

Рисунок 3 - Диаграмма пуска дизеля маневроВОГО тепловоза £Масла 7СП.

На рисунке 3, представлена диаграмма пуска дизеля маневрового тепловоза оборудованного конденсаторной системой пуска. Из диаграммы видно, что пусковой ток значительно превышает необходимое значение, для преодоления момента сопротивления дизель-генераторной установки. Ток

0

аккумуляторной батареи составил

1900 А, это объясняется осуществлением пуска «холодного» дизеля ^сла 7С" и новой аккумуляторной батарей установленной на тепловоз.

1,А

2000

1500

1000

500

0

1

П 1

1

1с

подключающего и отключающего пусковое сопротивление. На рисунке 5 представлена диаграмма пуска дизеля с применением устройства ограничения пускового тока.

1,А 1000

800

600

400

200

I, АБ

и

1—— г

Рисунок 4 - Диаграмма пуска дизеля маневрового тепловоза ¿масла40 С™.

На рисунке 4, изображена диаграмма пуска «прогретого» дизеля /масла 40 Сп. Ток аккумуляторной батареи снизился и составил 1600 А.

Однако, при пуске «прогретого» дизеля пусковой ток достаточно велик, что негативно сказывается на условиях работы аккумуляторной батареи и как следствие уменьшению ее срока службы. Примененное устройство снижения пускового тока выполненное на полупроводниковых тиристорах, позволяет ограничить величину тока аккумуляторной батареи в пределах 800 - 1500 А, данная величина задается временем подачи сигнала на управляющий электрод тиристора. Принцип работы устройства основывается на введении в цепь пуска сопротивления установленной величины, с последующим его выведением. Подобная система пуска успешно применяется на тепловозах ТЭМ7, однако имеет существенный недостаток применение электромагнитного контактора

Рисунок 5 - Диаграмма пуска дизеля маневрового тепловоза с применением устройства ограничения пускового тока.

Результаты экспериментальных испытаний устройства облегчения пуска дизеля свидетельствуют, об уменьшении пикового значения тока аккумуляторной батареи с величины 1600 А, до 950 А. Полученные данные позволяют сделать вывод, что режим работы аккумуляторной батареи стал более щадящим, величины пусковых токов не превышают максимальные значения установленные заводом изготовителем.

Экспериментальные исследования подтверждают целесообразность применения устройства снижения пусковых токов, что расширяет возможности применения более дешевых аккумуляторных батарей, как меньшей емкости, так и других типов, с меньшими паспортными значениями максимальных пусковых токов. Данная система пуска, позволит продлить срок службы аккумуляторных батарей, путем уменьшения пиковых значений пускового тока.

Выводы

На основании анализа штатных и модернизированных систем пуска дизеля маневровых тепловозов с электропередачей, определены условия работы аккумуляторных батарей, а также существующие недостатки.

После сопоставления полученных результатов экспериментальных данных и расчетов, можно сделать вывод о работоспособности предлагаемой системы снижения пиковых токов аккумуляторной батареи.

На сегодняшний день из предлагаемых средств продления срока службы аккумуляторных батарей в условиях эксплуатации, рассматриваемый способ наиболее прост в применении и экономически выгоден.

Предложенная система облегчения пуска дизеля позволила снизить пусковой ток аккумуляторной батареи с 1600 А, до 950 А, что улучшает условия работы аккумуляторной батареи во время пуска дизеля и продлевает срок ее службы.

Список литературы

1. Степанов А.Д., Васильев В.А. и др. Передачи мощности тепловозов. - М.: Машиностроение, 1967. 476 с.

2. Шумков Е.Б., Ерилин Е.С., и др. Усовершенствовали пуск дизеля. - Журнал «Локомотив», 2004, №2 (566).

3. Нотик З.Х., Тепловозы ЧМЭ3, ЧМЭ3Т: Пособие машинисту. - М.: Транспорт, 1990. 381 с.: ил., табл.

4. Балашов А.В., Зеленов И.И., Козлов Ю.М. и др. Тепловоз ТЭМ7. - М. Транспорт, 1989. 295 с.: ил., табл.

5. ПО «Брянский машиностроит. з-д» имени В.И. Ленина., Тепловоз ТЭМ2У: Руководство по эксплуатации и обслуживанию. -М.: Транспорт, 1988. - 256 с.

6. Паламарчук Н.В., Черняк Ю.В., Писарев Л.Т. и др. Исследование процессов пуска дизеля К68310ВЯ с использованием энергоемких конденсаторов.- В сб. нуч. тр. вып. №9 ДонИЖТ, 2007, с. 112-124

Аннотации:

Исследуются системы пуска маневровых тепловозов. Исследованы штатные и модернизированные системы пуска тепловозных дизелей.

Определены величины пусковых токов аккумуляторной батареи. Полученные данные сопоставлены с результатами экспериментальных исследований.

Рассмотрена практическая возможность снижения величины пускового тока аккумуляторной батареи

Результаты исследований содержат информацию, на основании которой можно судить о возможности применения устройства облегчающего пуск дизеля маневрового тепловоза.

Рассмотрена возможность применения альтернативных типов аккумуляторных батарей в системах пуска тепловозных дизелей.

Дослщжуються системи пуску маневрових тепловозiв. Дослвджено штатш i модершзоваш системи пуску тепловозних дизелiв.

Визначеш величини пускових струмiв аку-муляторно! батаре!. Отримаш даш зютавлеш з ре-татамi експериментальних дослщжень.

Розглянута практична можливють зниження зна-чень пускового струму акумуляторно! батаре!

Результата дослщжень мютять шформацш, на пiдставi яко! можна судити про можливосп застосуван-ня пристрою що полегшуе пуск дизеля маневрового тепловоза.

Розглянута можливють застосування альтерна-тивних типiв акумуляторних батарей в системах пуску тепловозних дизелiв.

Systems of start-up of shunting diesel locomotives are investigated. The regular and modernized systems of start-up of diesel locomotives diesel engines are investigated.

Sizes of starting currents of the storage battery are defined. The obtained data is compared with results of experimental researches.

Practical possibility of decrease in size of a starting current of the storage battery is considered

Results of researches contain the information on which basis it is possible to judge possibility of application of the device of a diesel engine of a shunting diesel locomotive facilitating start-up.

Possibility of application of alternative types of storage batteries in systems of start-up of diesel locomotives diesel engines is considered.