Электротяговые характеристики тягового двигателя

13. Электромеханические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Сравнение характеристик тяговых двигателей различных систем возбуждения.

14. Влияние эксплуатационных факторов на работу тяговых двигателей эпс (расхождение характеристик и т.Д.).

Значительное влияние на работу двигателя оказывают нагрузки.

Условия эксплуатации таковы, что ток тягового двигателя ежеминутно меняется, при этом меняется и частота вращения. При этом и тот, и другой показатель могут как длительное время сохранять постоянство значений, так и резко изменяться (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Пример формы тока и частоты вращения двигателя электровоза в процессе эксплуатации

У электропоездов токовые нагрузки более стабильны (рис. 1.2), и из-за сравнительно больших режимов выбега в целом двигатели электропоездов перегреваются меньше.

Рис. 1.2. Пример формы тока и частоты вращения двигателя тепловоза в процессе эксплуатации

Сложна работа двигателей и по напряжению. Изменение напряжения может заключаться в следующих пределах:

постоянный ток 2000…4000 В;

переменный ток 19000…29000 В.

Климатические условия также осложняют работу тяговых двигателей. Двигатели должны работать от +40 до –60 С. Такие резкие перепады температур могут привести к износу изоляции, её быстрому старению и т. д.

В настоящее время в основном используются три класса изоляции (В; F; Н) с различным превышением температуры. Говоря о воздействиях на тяговый двигатель, нельзя не остановиться на динамических воздействиях.

Электрические машины должны быть рассчитаны на работу в условиях вибрации и ударов, достигающих ускорения 150 м/с 2 . Результирующее ускорение для различных видов подвешивания составляет:  опорно-осевое – 212 м/с 2 ;  опорно-рамное – 30 м/с 2 .

Все эти удары сказываются и на креплении деталей двигателя, и на качестве токосъема.

Тяговые двигатели должны быть защищены от воздействий пыли и грязи. Исполнение тяговых двигателей занимает промежуточное положение между закрытым и защищенным исполнениями, они закрыты от соприкосновения с электрическими частями, но не защищены от влаги и пыли.

Однако, несмотря на сложные условия эксплуатации, в последние годы удалось повысить надежность тяговых двигателей и увеличить их межремонтные пробеги. Это получено за счет:  разработки и внедрения компенсационной обмотки;  повышения технологического уровня производства;  применения электротехнической стали, 2212 вместо стали 1312 (это позволило уменьшить массу);  использования стеклослюдинитовой ленты вместо миколенты, что позволило повысить электрическую прочность, влагостойкость, непроводность и механическую стойкость.

Увеличить показатели позволили следующие меры:

совершенствование механических элементов конструкции (подшипниковые щиты, межкатушечные соединения);  совершенствование изоляционных конструкций и материалов.

Рабочие характеристики двигателей. Рабочие характеристики двигателей делятся:

 на электромеханические;  электротяговые;  тяговые;  характеристики мощности.

Электромеханические характеристики – зависимость частоты вращения n, вращающего момента M и коэффициента полезного действия от тока.

Электротяговые характеристики – это зависимости скорости движения локомотива V, касательной силы тяги F и кпдна ободе движущих колес от тока.

Тяговой характеристикой называют зависимость силы тяги двигателя (или локомотива) от скорости движения локомотива.

Характеристикой мощности называют зависимости мощности от скорости движения локомотива.

Информационный портал

ТОКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КРИВЫЕ ТОКА

11.1. Токовые характеристики электроподвижного состава постоянного тока

Напомним, что Токовыми характеристиками называют зависимость тока тягового электродвигателя, или тока, потребляемого электропод-вижным составом, или тока тягового генератора тепловоза от скорости движения. Их используют для нахождения токов при движении поезда с различными скоростями, которые необходимы, чтобы оценить использование мощности тяговых электродвигателей и генераторов, а на элек-троподвижном составе — и для определения расхода энергии на тягу поезда и расчета элементов системы электроснабжения. Зная ток, проходящий через обмотки электродвигателя или генератора, и время его протекания, определяют нагрев обмоток. При длительной работе локомотива с большими токами нагревание электрических машин может ограничивать наибольшую массу поезда. Поэтому после определения массы состава, скоростей движения и времен хода проверяют выбранную массу состава по условиям нагревания обмоток электрических машин.

При работе электроподвижного состава постоянного тока для расчетов необходимы токовые характеристики, показывающие зависимость тока / от скорости V.

Токовые характеристики электроподвижного состава I3(v) строят, исходя из скоростных характеристик тягового электродвигателя. Для определения тока электроподвижного состава /э задаются скоростью движения о и по скоростной характеристике у(/д) находят ток тягового электродвигателя / . Ток, потребляемый электроподвижным составом, равен току / , умноженному на число параллельных цепей тяговых электродвигателей:

Где А — число параллельных цепей тяговых электродвигателей.

Например, для восьмиосного электровоза при последовательном (С) соединении Ас = 1, следовательно, /э = I При последовательно-парал-

Лельном (СП) — а?п = 2 и /э = 2 / , при параллельном (П) — Ап = 4 и /э = 4 / Для шестиосного электровоза соответственно Ас = 1, асп = 2, Ап = 3.

На характеристики наносят ограничивающую линию, которая соответствует току при наибольшей допустимой силе тяги электровоза по сцеплению колес с рельсами или по току тягового электродвигателя.

Токовые характеристики I (v) шестиосного пассажирского электровоза ЧС2, построенные на основании скоростных характеристик и(/д), приведены на рис. 11.1. На них нанесена ограничивающая линия ABCDEG по наибольшему току тягового электродвигателя. Ограничи-

Вающая линия по току проведена следующим образом: средний ток тягового электродвигателя / при пуске электровоза равен 730 А, а пиковое значение / тах — примерно 800 А. При разгоне электровоза до выхода на ходовую характеристику последовательного соединения тяговых электродвигателей (и = 25 км/ч) ток /э = / = 730 А (линия

Затем группы тяговых электродвигателей переводят на параллельное соединение. При этом ап = 3, ток увеличится до 2190 А (730 • 3) (линия DE). В цепь тяговых электродвигателей включают пусковой реостат, который выводят до скорости 80,3 км/ч, поддерживая ток / — 2190 А неизменным (линия EG). При этой скорости выходят на ходовую характеристику полного возбуждения параллельного соединения, и электровоз работает на ней до скорости 84 км/ч.

Далее переходят на характеристику ослабленного возбуждения ОВ1 По вертикальной линии (при неизменной скорости). Изменения токов приведены в таблице на рис. 11.1. При этом ток в соответствии с таблицей точек перехода изменяется от /э mjn (1930′ А) до /э тах (2400 А). Затем электровоз работает на характеристике ОВ1 до скорости 90 км/

Ч, при которой ток изменяется от 1980 до 2440 А.

Дальнейшие изменения тока легко установить из таблицы на рис. 11.1. После перехода на характеристику ОВ4 (на предпоследнюю токовую характеристику) значение тока берут по этой кривой. Характеристику ОВЗ — последнюю на электровозе ЧС2 — подобно последним характеристикам других локомотивов (как было указано при рассмотрении тяговых характеристик), для расчетов не используют, и она остается в резерве машиниста.

Чтобы упростить расчеты, ток при переходах на характеристики ослабленного возбуждения часто приравнивают среднему току: / = 2190 А (по линии GH).

Если в расчетах были использованы тяговые характеристики на ступенях ослабления возбуждения при С — и СП — соединениях тяговых электродвигателей, то переходы на СП — и П — соединения нужно брать при более высоких скоростях.

Токовые характеристики электровозов ВЛ10 и BJI10y приведены на рис. 11.2. Их строят на основании скоростных характеристик тягового электродвигателя TJI-2K (см. рис. 3.21). Линию ограничения на них наносят, исходя из допустимой силы тяги по сцеплению. Для

Рис. 11.2. Токовые характеристики электровозов ВЛЮ и ВЛ10У

Этого из тяговой характеристики электровоза (см. рис. 3.22, А) или по формулам рассчитывают силу тяги по сцеплению и определяют FK. Затем, разделив ее на число движущих осей, получают силы тяги, развиваемые каждой колесной парой, соединенной с тяговым электродвигателем

Эти расчеты выполняют для разных скоростей. Для каждого значения скорости по силе тяги Fm определяют пусковой ток / из электро-тяговых характеристик F (/ ). Полученное значение /д умножают на число параллельных ветвей электродвигателей А и получают значение /э, которое откладывают при этой скорости. В связи с уменьшением силы тяги по сцеплению в зависимости от скорости токи / и /э также снижаются.

Так, электровоз ВЛ10 при скорости и, равной нулю, развивает силу тяги по сцеплению FK сц 614 кН (см. рис. 3.22, А). Следовательно, каждый тяговый электродвигатель развивает при этом на ободах колес силу тяги Fw = 614000 / 8 = 76750 Н. Как видно из рис. 3.21, она реализуется при токе / = 685 А. Так как при последовательном соединении тяговых электродвигателей / = /э, этот ток будет потреблять электровоз при V = 0 (точка А). Аналогично можно определить ток при V = 5 км/ч, исходя из F„ „„ = 535 кН. Следовательно, F„„ = 66 875 Н и

/_ = /_ = 615 А (точка В).

Когда скорость достигает 10 км/ч, сила тяги FK сц = 514 кН, F = 64 230 Н и / = 595 А (точка С). До этой скорости тяговые электродвигатели были соединены последовательно, а при V = 10 км/ч их переводят на последовательно-параллельное соединение и включают в цепь реостат. Для реализации одинаковой силы тяги до и после перехода на СП-соединение каждый тяговый электродвигатель должен потреблять тот же ток / = 595 А, а электровоз при асп = 2 — ток, в 2 раза больший: /э = 595 • 2 = 1190 А (точка D).

При V = 22 км /ч выходят на безреостатную характеристику ПВ Последовательно-параллельного соединения. Далее переходят на параллельное соединение групп электродвигателей. Сила тяги при этой скорости FKCU = 497 кН и FKa = 62 145 Н, ток /д = 575 А. Следовательно, при этой скорости на СП-соединении ток /э = 575 • 2 = 1150 А (точка G), а после перехода на параллельное соединение (ап = 4) — /9 = 575 • 4 = 2300 А (точка Н).

Затем определяют токи в точках L и М (v = 30 и 40 км/ч). В точке N (при V = 46,7 км/ч, /э = 2140 А) выходят на безреостатную характеристику при полном возбуждении параллельного соединения групп тяговых электродвигателей и работают по ней до точки R. Далее переходят на характеристику ослабленного возбуждения ОВ1, Ток изменяется по вертикальной тонкой линии RS при скорости 48,5 км/ч. Значения токов при переходах можно взять из табл. 3.1. Ток /э при переходе на ОВ1 изменяется с 1970 до 2480 А.

Точку S можно также найти следующим образом: из тяговых характеристик после перехода на ОВ1 мы видим, что FK = 508,2 кН, следовательно, F = 63 520 Н. По электротяговым характеристикам Fm (/ ) при ОВ1 определяем, что этой силе тяги соответствует ток / = 620 А и /э = 620 • 4 = 2480 А. Аналогично находят или берут из таблиц точек перехода значения токов при переходах на характеристики ОВ2 и ОВЗ (характеристика ОВЗ является расчетной).

Чтобы упростить расчеты токов в зоне переходов на ослабленное возбуждение, иногда пользуются средними значениями токов — линией NT. При ограничении силы тяги электроподвижного состава сцеплением колес с рельсами ток с уменьшением коэффициента регулирования возбуждения возрастает (на ОВ4 /э = 2720 А, а на ПВ /э = 2140 А), хотя FK сц на ПВ больше, чем на ОВ4. Это объясняется тем, что электромагнитная сила тяги пропорциональна произведению тока на магнитный поток Kдэм = 3,6СФ/Д). При одном и том же токе / магнитный поток при меньшем р будет меньше и, следовательно, сила тяги также будет меньше. Чтобы получить большую силу тяги при меньшем р, тяговый электродвигатель должен потреблять больший ток.

На рис. 11.2 штрихпунктирной линией показаны ограничивающие линии по сцеплению колес с рельсами электровоза BJI10y, имеющего большую массу (200 вместо 184 т у электровоза BJI10).

Токовые характеристики /э(и) используют для построения кривых тока I (s), по которым рассчитывают расход электроэнергии на тягу поезда. Поделив значения токов / на число параллельных цепей тяговых двигателей, определяют токи / , а по ним — степень нагревания обмоток двигателей.

Автоматическое управление тяговыми электродвигателями

Степень управления тяговым генератором (диапазон изменения его тока и напряжения) ограничена габаритными размерами генератора, насыщением его магнитной системы, а также условиями коммутации. Поэтому использование полной мощности тягового генератора может осуществляться лишь в определенном интервале его тока нагрузки, а следовательно, скорости движения поезда. При превышении некоторой скорости движения, когда ток нагрузки тягового генератора падает ниже определенного значения (для генераторов тепловозов типов ТЭ10М и

ТЭ10У ниже 2900 А), возросший ток возбуждения генератора может привести к насыщению магнитной системы и ограничению напряжения. При ограничении напряжения снижение тока нагрузки вызовет пропорциональное уменьшение реализуемой мощности

Чтобы использовать полную мощность тягового генератора в более широком интервале скоростей движения или уменьшить необходимую степень управления генератора, приходится при высоких скоростях искусственно увеличивать ток нагрузки генератора. Это достигается автоматическим управлением тяговыми электродвигателями путем ослабления их возбуждения (ослабления магнитного поля).

Ослабление возбуждения тяговых электродвигателей осуществляется при помощи резисторов, которые подключаются параллельно обмоткам возбуждения (рис. 53) При этом ток в обмотках возбуждения двигателей уменьшается и снижается создаваемый ими магнитный поток. Степенью ослабления возбуждения называется отношение тока возбуждения ТЭД к току якоря.

Степень ослабления возбуждения может быть выражена и в процентах Чем меньше сопротивление резисторов, которые подключены параллельно обмоткам возбуждения двигателей, тем больше ослабление возбуждения ТЭД или, другими словами, тем меньше степень ослабле^ ния возбуждения

На тепловозах типов ТЭ10М и ТЭ10У с тяговыми электродвигателями ЭД-118А, ЭД-118Б применяются две ступени ослабления возбуждения, при этом степень ослабления первой ступени составляет 60 %, а второй — 36 %*. Это значит, что через- обмотки возбуждения двигателей проходит 60 % (или 36 %)

* Здесь приведены расчетные значения а, а в п. 6 1 — фактические в эксплуатации тока, а остальная часть тока протекает через шунтирующие резисторы.

Сила тяги на ободе колеса пропорциональна току якоря двигателя 1* (рис. 54), т. е. при движении тепловоза потребляемый двигателями ток пропорционален реализуемой силе тяги или силе сопротивления движению. Сила тяги пропорциональна также магнитному потоку полюсов Ф:

где С?,- постоянная двигателя, зависящая от числа полюсов и параметров обмотки якоря

В момент включения ослабления возбуждения сила тяги вследствие большой инерции поезда практически измениться не может, а магнитный поток Ф быстро уменьшается. В результате увеличивается ток, потребляемый тяговыми двигателями, а значит, и ток генератора. Увеличение тока тем больше, чем меньше степень ослабления возбуждения.

Увеличение тока генератора позволяет обеспечить его работу при полной мощности и тем самым увеличить скорость движения, при которой используется полная мощность. Чем меньше степень ослабления возбуждения или чем больше увеличение тока генератора, тем до больших скоростей движения используется полная мощность дизель-генератора (рис. 55). Таким образом, ослабление возбуждения тяговых электродвигателей тепловозов расширяет интервал скоростей, при которых используется полная мощность дизель-генераторной установки.

Рис 54 Электротяговая характеристика тяговых электродвигателей ЭД-118А и ЭД-118Б

Значение степени ослабления возбуждения второй ступени подбирают

Рис. 55. Интервалы скоростей, при которых используется полная мощность дизель-генераторной установки тепловозов типов ТЭ10М и ТЭ10У: А — интервал без ослабления возбуждения, В — при ослаблении возбуждения тяговых электродвигателей

таким образом, чтобы обеспечить использование полной мощности дизель-генератора, вплоть до конструкционной скорости тепловоза. Ослабление возбуждения первой ступени применяют для уменьшения скачков тока при переключении с полного возбуждения на ослабленное возбуждение второй ступени и наоборот.

Включение каждой ступени ослабления возбуждения должно происходить при таких скоростях, когда ток генератора близок к минимальному значению, при котором используется полная мощность. Во избежание звонковой работы ослабление возбуждения включается при скоростях на 4-10 км/ч меньших, чем скорость включения

1 Что представляют собой внешняя, скоростная регуляторная и нагрузочная характеристики дизеля?

2 Какую характеристику дизель-генератора называют генераторной?

3 За счет чего Обеспечивается совме щение генераторной и скоростной регулятор ной характеристик?

4 Какую характеристику дизель-генератора называют тепловозной?

5 Как обеспечивается автоматическое управление генератором по частоте вращения?

6 Каково назначение бесконтактного тахометрического блока?

7 Какова роль насыщающегося и компенсирующего трансформаторов в бесконтактном тахометрическом блоке?

8 Какие устройства в цепи задающей обмотки обеспечивают плавное трогание тепловоза с места?

9 Как достигается снижение мощности генератора при отключении одного из ТЭД?

10. Каково назначение ослабления возбуждения ТЭД?

11 Как осуществляется ослабление возбуждения ТЭД?

12 Что называется степенью ослабления возбуждения ТЭД?

13 Почему при ослаблении возбуждения ТЭД возрастает потребляемый ими ток?

14 Почему при ослаблении возбуждения ТЭД расширяется диапазон скоростей, при которых используется полная мощность дизель-генераторной )иановки?

15 При какой скорости должны включаться и выключаться контакторы ослабления возбуждения ТЭД?

16 Исходя из каких условий выбирается значение степени ослабления возбуждения ТЭД второй ступени?

17 Для чего применяется первая ступень ослабления возбуждения?

Подвижной состав железных дорог (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МГУПС (МИИТ))

Кафедра «Электрическая тяга»

ПОДВИЖОЙ СОСТАВ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ

Выполнил студент группы ТПЭ-212

____________ /********/

1.2. Теоретические сведения……………………………………………..4

2. ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ……………………………………………..7

2.1. Выбор электровоза – прототипа…………………………………….7

2.2. Расчет и построение электротяговых характеристик……………. 7

2.3. Расчет и построение тяговых характеристик……………………..14

2.4. Расчет и построение ограничений тягового режима……………..16

2.5. Расчет напряжения на токоприемнике электровоза с учетом влияния сопротивления контактной сети…………………. 18

3. ВЫВОДЫ ПО ПРОДЕЛАННОЙ РАБОТЕ………………………………. 23

4. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………. 24

1.1. Цель курсовой работы.

Углубление и закрепление теоретических знаний по расчету характеристик и параметров электроподвижного состава постоянного тока в режиме тяги и влияния на них системы тягового электроснабжения. Необходимо рассчитать электротяговые и тяговые характеристики выбранного в качестве прототипа электровоза, рассчитать и построить ограничения тягового режима, а так же выполнить исследование и анализ изменения величины напряжения в контактной сети при перемещении электровоза от одной тяговой подстанции до другой.

1.2. Теоретические сведения.

Выбор электровоза–прототипа выполняется в соответствии с заданным типом тягового электродвигателя. Для этого необходимо на основании [1, таблица 15] определить серию электровоза. Электротяговые характеристики для заданного типа тягового электродвигателя выбранного электровоза–прототипа определяются в соответствии с [1, рисунки 4.104 –4.106]. Диаметр бандажа электровоза–прототипа определяют в соответствии с [1, рисунки 4.1 – 4.3], а передаточное отношение –в соответствии с [1, таблица 16]. Расчет электротяговых характеристик для заданных диаметра бандажа и передаточного отношения зубчатой передачи производят на основании выбранных электротяговых характеристик тягового электродвигателя электровоза – прототипа. В начале проектирования расчет характеристик выполняют для полного возбуждения при параллельном соединении тяговых электродвигателей. На тяговые характеристики наносят ограничения режимов работы тяговых электродвигателей по конструкционной скорости, силе тяги по сцеплению колес с рельсами и максимально допустимому току тяговых электродвигателей.

Ограничение характеристик по конструкционной скорости наносят в виде горизонтальной прямой. Величину ограничения принимают на основании технических характеристик электровоза–прототипа в соответствии с [1, таблица 15]. Ограничение по току наносят на характеристики параллельного соединения (высшей ступени регулирования напряжения) тяговых электродвигателей. При этом максимальный ток не должен превышать полуторакратный часовой ток тяговых электродвигателей. Часовой ток тяговых электродвигателей определяется в соответствии с [1, рисунки 4.104 – 4.106].

Систему электроснабжения электрических железных дорог выполняют так, чтобы максимально снизить потери напряжения в контактной сети и, следовательно, обеспечить максимум реализации мощности электровоза. Уровень напряжения в тяговой сети в значительной степени зависит от схемы питания и секционирования контактной сети.

Для анализа величины падения напряжения в контактной сети при различных структурных схемах питания принимаются следующие допущения:

–внутреннее электрическое сопротивление электровоза мало и им пренебрегают, то есть суммарная электродвижущая сила тяговых электродвигателей равна напряжению на токоприемнике электровоза;

–сопротивление рельсовой цепи, а так же питающих линий, ввиду их малой величины, равно нулю;

–удельное сопротивление одного километра контактной сети известно;

–напряжение на выходах обоих тяговых подстанций одинаково и составляет для электроподвижного состава магистральных железных дорог 3300 В.

Контактная сеть электрических железных дорог состоит из опорных и поддерживающих конструкций. К последним подвешены несущий трос, контактные, вспомогательные и несущие провода. Несущий трос в контактной сети применяют либо медный марки М–120 или М–95, либо биметаллический (сталемедный или сталеалюминевый) марки ПБСМ–1–70, ПБСМ–2–70, ПБСМ–1–95 и ПБСМ–2–95. У проводов ПБСМ–1 толщина медной оболочки составляет 10% от радиуса, а у проводов ПБСМ–2 только 7 % от радиуса. Поэтому электрическое сопротивление у проводов ПБСМ–2 несколько больше, чем у ПБСМ–1. Контактные провода используют марки МФ (медь фасонная) с различной площадью поперечного сечения. По условиям токосъёма, на линиях постоянного тока, подвешивают два контактных провода. При двойной цепной подвеске подвешивают вспомогательный провод чех же марок, что и контактный провод. В тех случаях, когда необходимая проводимость недостаточна, подвешивают усиливающие провода марок А–120, А–150 или А–185.

2. ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

2.1. Выбор электровоза – прототипа.

По указанному типу тягового электродвигателя (НБ–406) выбираем электровоз постоянного тока ВЛ8м, у которого диаметр бандажа D0=1200 мм, передаточное соотношение зубчатой передачи µ=3.9, нагрузка на ось колесной пары p0= 22.5 т.

2.2. Расчет и построение электротяговых характеристик.

2.2.1. Расчет электротяговых характеристик по заданным значениям диаметра бандажа колесных пар и передаточного отношения зубчатой передачи проводим для полного возбуждения при параллельном П соединении тяговых электродвигателей (см. рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Упрощенная схема соединения тяговых двигателей при параллельном соединении.

Рассчитываем скорость движения электровоза при П соединении тяговых двигателей, по формуле[2, (3.1)]:

, (2.1)

где – скорость движения электровоза при П соединении тяговых двигателей, км/ч;

=1270 мм – заданный диаметр бандажа, мм;

µ=3,78– заданное передаточное соотношение зубчатой передачи;

– скорость электровоза–прототипа на параллельном соединении тяговых двигателей[1, рис. 4.104], км/ч;

Рассчитываем силу тяги двигателя для заданных D и µ, по формуле [2, (3.2)]:

, (2.2)

где Fкд0– сила тяги двигателя электровоза – прототипа[1, рис. 4.104], кгс;

Fкд – сила тяги двигателя расчетного электровоза, кгс;

Таблица 2.1 – Результаты расчета электротяговых характеристик.