Расчет весовых и технико-экономических показателей проектируемых машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

электрический двигатель тяговый тепловоз генератор

Введение

Задание на курсовой проект

Исходные данные

1. Определение основных параметров электрической передачи

2. Выбор схемы соединения тяговых электродвигателей

3. Определение основных параметров электрических машин

4. Внешняя характеристика генератора

5. Построение регулировочных характеристик передачи

6. Разработка схемы регулирования мощности тягового генератора.

7. Определение передаточного числа тягового редуктора

8. Определение основных размеров тягового электродвигателя

9. Расчет и построение характеристик тягового электродвигателя

9.1 Магнитная характеристика (характеристика холостого хода)

9.2 Скоростная характеристика vp = f(Iд)

9.3 Тяговая характеристика электродвигателя Fд = f(Iд)

9.4 Характеристика КПД тягового электродвигателя

10. Расчет и построение тяговой характеристики тепловоза по рабочим характеристикам тягового электродвигателя

11. Тормозные характеристики электрической передачи мощности

тепловоза

12. Расчет весовых и технико-экономических показателей проектируемых машин

Литература

Приложения

Введение

Передачей мощности в локомотиве называется комплекс устройств, передающих мощность от вала силовой установки: дизеля, газотурбинной или другой теплосиловой установки к осям движущих колесных пар.

Наибольшее распространение на тепловозах получила электрическая передача, которая наиболее полно удовлетворяет всем требованиям.

Электрическая передача содержит два основных элемента, являющихся звеньями энергетической цепи тепловоза: генератор, преобразующий механическую работу дизеля в электрическую энергию, и тяговый двигатель, в котором, электрическая энергия, получаемая от генератора, преобразуется в механическую работу, передаваемую на движущие оси локомотива.

Передача тепловоза должна обеспечивать силу тяги в момент трогания и разгона поезда, намного превышающую по величине силу тяги при номинальном режиме, а также использование полной мощности дизеля на всём диапазоне скоростей движения локомотива, т.е. режим работы дизеля должен сохраняться неизменным при различных условиях движения поезда.

Передача позволяет автоматически приспосабливаться к условиям движения поезда. Сила тяги, создаваемая тяговыми электродвигателями, увеличивается при возрастании сопротивления движению поезда и уменьшении скорости и, наоборот, уменьшается при падении сопротивления, движению и увеличении скорости . Особенностью передачи является независимость силы тяги тепловоза от вращающего момента и мощности дизеля, т.е. можно получить большую силу тяги при малой мощности дизеля и малую силу тяги при большой мощности дизеля. Сила тяги у тепловоза с электрической передачей ограничивается нагреванием тяговых электродвигателей, которые допускают большую кратковременною перегрузку. Её используют во время трогания поезда с места и преодоления больших кратковременных подъёмов .

Электрическая передача решает две самостоятельные задачи:

- поддержание постоянной мощности дизеля при заданных оборотах;

- создание тяговой характеристики тепловоза близкой к гиперболе.

Электрическая передача обеспечивает сочленённую работу нескольких секции (по системе многих единиц), управляемых с одного места. Недостатками передачи являются её большой вес, высокая стоимость и повышенный расход цветных металлов по сравнению с другими видами передач.

В данном курсовом проекте изложен проект электрической передачи переменно-постоянного тока с двумя ступенями ослабления возбуждения поля тягового генератора грузового тепловоза, конструкционная скорость которого 105 км/ч.

Задание на курсовой проект

В курсовом проекте необходимо:

определить основные параметры электрической передачи (расчетную скорость и силу тяги тепловоза);

выбрать и описать силовую схему электрической передачи (схему соединения тяговых электродвигателей и тип передачи);

определить основные параметры тягового генератора;

построить внешнюю и регулировочные характеристики тягового генератора;

выбрать и описать работу системы регулирования и возбуждения тягового генератора;

определить основные параметры тягового электродвигателя;

определить передаточное число тягового редуктора;

рассчитать магнитную характеристику (холостого хода), используя универсальную процентную характеристику тягового электродвигателя;

рассчитать и построить рабочие характеристики тягового электродвигателя;

рассчитать и построить тяговую характеристику тепловоза по рабочим характеристикам тягового электродвигателя;

определить основные параметры электрического тормоза и построить область тормозных режимов тепловоза;

выбрать и описать работу силовой схемы электрического тормоза;

рассчитать весовые и технико-экономические показатели проектируемых машин.

Исходные данные для выполнения курсового проекта

Назначение и род работы тепловоза грузовой;

N_е = 2900 кВт эффективная мощность дизеля;

n = 850 об/мин номинальная частота вращения коленчатого вала дизеля;

P_сц = 1500 кН сцепной вес тепловоза;

Dк = 1,25 м диаметр движущих колес;

С = 6 число тяговых электродвигателей;

V = 105 км/ч максимальная (конструкционная) скорость тепловоза.

1. Определение основных параметров электрической передачи

Расчётная сила тяги определяется из условия реализации для тепловозов коэффициентов тяги на расчётном подъёме:

F_кр = P_сцкр , (1)

где P_сц сцепной вес тепловоза, кН;

_кр коэффициент тяги на расчётном подъёме.

Для тепловозов с электрической передачей расчётная сила тяги принимается равной длительной, т. е.

F_кр = F_{к дл} или _кр = _{к дл}. (2)

Таким образом, на расчётном подъёме перегрузочная способность электрических машин не используется, и тепловоз может двигаться в данном режиме неограниченное время.

В ряде случаев, например при разгоне поезда, или при движении по короткому участку с подъемом, превышающим расчетный, тепловоз развивает силу тяги, большую, чем длительная. Реализация такой силы тяги возможна за счет использования перегрузочной способности электрических машин, учитывая, что такие режимы непродолжительны и ограничение по нагреванию, вследствие тепловой инерции не успевает наступить.

Расчетный коэффициент тяги для грузовых тепловозов, в связи с непрерывным увеличением их удельной мощности и соответственно стремлением возить более тяжелые поезда, с достаточно высокими скоростями на расчетном подъеме имеет тенденцию к росту.

Для грузовых тепловозов мощностью более 2250 кВт величина расчётного коэффициента тяги принимается в пределах:

_кр = 0,20,24.

Тогда расчетная сила тяги будет:

F_кр = 15000,22 = 330 кН.

Длительная сила тяги определяется из выражения:

(3)

где К_пр коэффициент перегрузки по силе тяги на расчетном подъеме.

К_пр= 1,051,2.

Длительная сила тяги тепловоза будет:

.

Скорость тепловоза на расчетном подъеме определяется по формуле:

(4)

где N_дг мощность дизеля, передаваемая генератору, кВт;

_п КПД электрической передачи.

_п=_гвудз, (5)

где _г КПД тягового генератора при расчетном режиме принимаем 0,97 [1];

_ву КПД выпрямительной установки принимаем в пределах 0,970,98 [1];

_д КПД тяговых электродвигателей при расчетном режиме принимаем 0,89 [1];

_з КПД зубчатой передачи тягового редуктора принимаем в пределах от 0,98 до 0,99 [1].

Свободная мощность дизеля, кВт;

N_дг= N_е - N_всп , (6)

где N_всп мощность, потребляемая вспомогательными агрегатами тепловоза, кВт. Ориентировочно определяется в долях от эффективной мощности дизеля

N_всп= (0,080,11)N_е . (7)

Таким образом,

N_всп= 0,092900 = 261 кВт .

N_дг= 2900 - 261 = 2639 кВт,

_п = 0,970,980,890,985 = 0,83 ,

Мощность на зажимах тягового тепловозного генератора (мощность, отдаваемая генератором тяговым электродвигателям), кВт,

. (8)

Подставляя численные значения, получим

.

Максимальная мощность тепловозного генератора постоянного тока определяется коммутационными условиями и зависит от номинальной угловой скорости якоря, она ориентировочно может быть определена из соотношения

Р_гн n_д 210⁶ кВтоб/мин, (9)

где n_д частота вращения коленчатого вала дизеля, об/мин.

Таким образом,

2559,8 850 = 2,1810⁶ кВт/мин.

Так как полученное значение 2,18 10⁶ > 210⁶, то из всех видов электрических передач для проектируемого тепловоза выбираем передачу переменного тока.

При использовании синхронного генератора переменного тока мощность на выходе выпрямительной установки

(10)

где _сг КПД синхронного генератора принимаем в пределах от 0,95 до 0,96.

Таким образом,

Мощность на зажимах тягового двигателя, кВт,

(11)

где с число тяговых электродвигателей.

Таким образом

Мощность на валу тягового электродвигателя, кВт

P_д = P_{пд д}, (12)

Из формулы (12) имеем

P_д = 418,1 0,89=433 кВт.

2. Выбор схемы соединения тяговых электродвигателей

Основными факторами, определяющими выбор схемы соединения двигателей, являются схема управления их работой, коэффициент регулирования генератора К_г и максимальная скорость тепловоза при которой еще используется полная мощность его дизель-генератора V_max .

К_г = (1,41,6). (13)

Скорость максимального использования мощности современных тепловозов для грузового движения:

V_max= V_max .

откуда

V_max= 105 км/ч.

Выбираем параллельную схему соединения тяговых электродвигателей. Параллельное соединение предпочтительней последовательного, так как оно обеспечивает лучшее использование сцепного веса и большую надежность. Кроме того такое соединение дает значительные преимущества в отношении боксования колесных пар, то есть улучшает тяговые свойства тепловоза.

На рисунке 1 изображена силовая схема соединения и управления тяговых электродвигателей.

Тепловоз выполнен на переменно-постоянном токе. Переменное шестифазное напряжение тягового синхронного генератора СГ выпрямляется установкой ВУ и подается на шесть параллельных тяговых электродвигателей, приводящих тепловоз в движение. К тяговому генератору электродвигатели подключаются с помощью шести электропневматических поездных контакторов КП1 КП6, которые позволяют разрывать цепи электродвигателей, чтобы предотвратить самопроизвольное движение тепловоза от остаточного магнетизма при работе на холостом ходу, а также быстро отключать неисправный электродвигатель.

Скорость тепловоза и тяговое усилие регулируется возбуждением тягового генератора и изменением частоты вращения вала дизеля, задаваемой позицией контроллера машиниста. Для расширения диапазона скоростей тепловоза, при которых используется полная мощность дизеля, существует две ступени ослабления поля возбуждения тяговых электродвигателей.

Рисунок 1 Схема соединения тяговых электродвигателей

Ослабление поля осуществляется в две ступени при помощи подключения резисторов Рш1 Рш6 параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей и групповых контакторов КШ1 и КШ2. Направление движения тепловоза зависит от изменения направления тока в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей переключением контакторов реверсора Р.

3. Определение основных параметров электрических машин

Максимальное напряжение в силовой цепи принимают ниже установленного максимума, учитывая возможные перенапряжения в переходных процессах. Для тепловозов с параллельным соединением тяговых электродвигателей к генератору

U_{г max} = 700 750 В. (14)

Принимаем максимальное напряжение главного генератора проектируемой передачи U_{г max} = 700 В.

Определяем напряжение на выходе выпрямительной установки и ток тягового генератора в продолжительном режиме.

Напряжение и ток на длительном режиме

(15)

(16)

где Р _гн мощность генератора при минимальном токе, кВт;

(17)

Таким образом,

Р_гн = 2639 0,97 = 2559,8 кВт,

Максимальный пусковой ток принимают, исходя из перегрузочной способности электрических машин

I_{г max} = (1,31,5) I_гн (18)

Принимаем

I_{г max} = 1,4 5119,7 = 7167,5 А.

Минимальное напряжение и ток генератора

(19) (20)

где P_г мощность генератора при максимальном токе, кВт,

P_г = N_{дг max}. (21)

P_г = 2639 0,945 = 2493,9 кВт,

Максимально допустимый ток по условиям коммутации

I_{г ком} 2I_{г н} , (22)

I_{г ком} = 2 5119,7 = 10239,3 А.

Длительная мощность, соответствующая номинальному режиму работы электродвигателя, кВт

4. Внешняя характеристика генератора

Внешняя характеристика генератора U_г = f(I_г) имеет вид гиперболы и строиться по трем точкам с координатами (I_г.min; U_г.max); (I_г.дл; U_г.дл); (I_г.max; U_г.min). Справа и сверху она ограничивается отрезками, соответствующими ограничениями по максимальному току и напряжению генератора.

Внешняя характеристика генератора показана на рисунке 2.

Рисунок 2 _ Внешняя характеристика генератора

5. Построение регулировочных характеристик передачи

Степень регулирования электрической передачи по скорости тепловоза характеризуется коэффициентом регулирования, представляющего собой отношение максимальной (конструкционной) скорости тепловоза к скорости продолжительного режима (расчетной),

(23)

Ослабление возбуждения тяговых электродвигателей является наиболее простым и распространенным методом повышения диапазона регулирования электрической передачи по скорости тепловоза.

Первоначально определяем минимальное значение коэффициента ослабления возбуждения тяговых электродвигателей, необходимое для обеспечения работы электрической передачи во всем диапазоне скоростей движения, вплоть до конструкционной скорости. Величина этого коэффициента определяется по формуле

(24)

Подставляя численные значения, получаем

Коэффициент промежуточной ступени определяем по формуле

 (25)

Таким образом

Скорость, до которой действует ограничение по сцеплению, а соответственно и ограничение по максимальному току рассчитываем по формуле

, (26)

.

Скорости переходов можно найти по формулам:

ослабления поля первой ступени

, (27)

ослабления поля второй ступени

(28)

Таким образом,

Задаваясь значениями скорости в диапазоне от 0 до V_.max , строим регулировочные характеристики по формулам:

режим полного поля (ПП):

(29)

(30)

где V текущая скорость тепловоза, км/ч;

режим первой ступени ослабления возбуждения (ОП1):

(31)

(32)

режим второй ступени ослабления возбуждения (ОП2):

(33)

(34)

Регулировочные характеристики электрической передачи изображены на рисунке 3.

Рисунок 3 Регулировочные характеристики электрической передачи при постоянном соединении тяговых двигателей с двумя ступенями ослабления поля.

6. Разработка схемы регулирования мощности тягового генератора

Скорость тепловоза и тяговое усилие регулируется возбуждением тягового генератора и изменением частоты вращения вала дизеля. В качестве источника возбуждения тягового генератора применен однофазный синхронный генератор переменного тока СВ, напряжение которого выпрямляется в управляемом выпрямительном мосте УВВ и подается на обмотку возбуждения тягового генератора. Выпрямленное напряжение регулируется в управляемом выпрямительном мосте УВВ изменением момента открытия управляемых тиристоров, установленных в двух плечах моста.

Регулированием тока возбуждения тягового генератора предусматривается автоматическое поддержание постоянной мощности в рабочем диапазоне внешней характеристики, а также ограничения тока и напряжения тягового генератора при превышении максимально допустимых величин. Осуществляется это совместной объединенного регулятора дизеля, тахометрического блока задания БЗВ, узла обратной связи по току и напряжению выпрямителя ВУ генератора, селективного узла СУ и блока управления возбуждением БУВ.

Объединенный регулятор дизеля поддерживает установленную частоту вращения вала дизеля и совместно с индуктивным датчиком ИД и тахометрическим блоком БЗВ поддерживает заданную по позициям контроллера машиниста уровень мощности. Узел обратной связи по току и напряжению выпрямителя генератора состоит из трансформаторов постоянного тока ТПТ1 ТПТ4 и напряжения ТПН с выпрямительными мостами на выходе.

При выходе из строя системы автоматического регулирования возбуждения в электрической схеме предусмотрен аварийный режим, при котором переключателем шунтируются тиристоры управляемого моста УВВ и он работает как обычный неуправляемый выпрямительный мост.

7. Определение передаточного числа тягового редуктора

На современных тепловозах применяется индивидуальный привод колёсных пар, при котором каждая движущая ось имеет свой отдельный тяговый электродвигатель.

Применяем опорно-рамный способ подвешивания тяговых электродвигателей, так как при этом оказывается меньшее динамическое воздействие на путь и на электродвигатели.

Передаточное отношение зубчатой передачи определяют из условия получения конструкционной скорости тепловоза при максимально возможной окружной скорости якоря электродвигателя,

(35)

где n_д частота вращения якоря электродвигателя, об/мин;

n частота вращения оси колёсной пары, об/мин;

V_{а max} максимально допустимая окружная скорость якоря, м/с;

V_{a max} = 67 м/с [1];

D_a диаметр якоря тягового электродвигателя, м; D_a= 500 мм [1].

Частота вращения якоря тягового электродвигателя в номинальном (продолжительном) режиме работы n_н, об/мин, и соответствующая ей скорость тепловоза V_р, км/ч, связаны соотношением

(36)

где D_к диаметр бандажей колесной пары по кругу катания, мм;

передаточное число тягового редуктора,

Предварительно полученное передаточное отношение. проверяем на возможность размещения зубчатой передачи.

Максимально возможное по условиям размещения передаточное число

(37)

где D_з d_з диаметры делительных окружностей большого и малого зубча- тых колес, мм;

z_max и z_min соответственно их числа зубьев.

Минимальное число зубьев малой шестерни

(38)

где d_{з min} минимальный диаметр делительной окружности шестерни, мм;

m модуль зубчатой передачи; мм.

Модуль зубчатой передачи m определяется из табл. 3, [1], в зависимости от величины номинального момента на валу электродвигателя.

Минимальный диаметр делительной окружности шестерни, мм

(39)

где D_{з max} максимально возможмый диаметр делительной окружностибольшого зубчатого колеса, мм.

Номинальный момент определяем по расчетному значению силы тяги и предварительно полученному передаточному отношению тягового редуктора

(40)

Таким образом, m = 12 мм.

Максимально возможное число зубьев большого зубчатого колеса

(41)

Максимально возможный диаметр делительной окружности большого зубчатого колеса

D_{з max} = 2D_к (h' + h”), (42)

где h' расстояние между нижней точкой кожуха зубчатой передачи и головкой рельса, мм; h' = 120 мм;

h” минимальное расстояние между делительной окружностью большого зубчатого колеса и нижней поверхностью кожуха; h” = 18 мм.

Тогда

D_{з max} = 1250 2(120 + 18) = 974 мм.

Таким образом,

Рисунок 5 Эскиз опорно-рамной подвески тягового электродвигателя

8. Определение основных размеров тягового электродвигателя

Централь передачи

(43)

где Z и z подобранные ранее числа зубьев зубчатого колеса и шестерни соответственно.

Централь опорно-рамной подвески должна быть увязана с диаметром якоря электродвигателя, который предварительно определяют в мм по формуле

(44)

где К_я коэффициент пропорциональности для с изоляцией класса F принимаем К_я = 600;

Р_дн мощность электродвигателя в номинальном режиме работы;

(45)

Таким образом,

Максимально возможный диаметр якоря

(46)

где К_D коэффициент пропорциональности принимаем К_D = 1,5 [1];

d_o диаметр полого вала, d_o = 315 мм [2].

Выбираем нормализованную величину диаметра якоря, обеспечивающую минимальные отходы при штамповке листов железа якоря, а также вписывание двигателя в габариты. Принимаем D_a = 493 мм [1].

Правильность выбора диаметра якоря тягового двигателя проверяем по допустимой максимальной окружной скорости V _{a max}

(47)

где n_max максимальное число оборотов тягового электродвигателя, соответствующее конструкционной скорости тепловоза, об/мин

(48)

Таким образом,

Ширина (диаметр) остова тягового электродвигателя связана с диаметром якоря соотношением

B = К_D D_а , (49)

Таким образом,

B = 1,50,493 = 0,74 м.

Максимально возможная ширина (диаметр) остова ограничивается величиной централи передачи и необходимостью размещения оси полого вала. Т. е.

(50)

Тогда

Высота остова обычно равна ширине и не должна быть больше

Н_max = 2D_к (а - x), (51)

где а расстояние от нижней части станины двигателя до головки рельса, мм; а = 130 мм [1];

x превышение оси вала электродвигателя над осью колёсной пары, мм; x = 30мм [1];

Н _max = 1250 2 (130 30) = 1050 мм.

Приведенный объём якоря равен

 (52)

где D_a диаметр якоря генератора, м;

L_a длина якоря, м;

расчётный коэффициент полюсного перекрытия, = 0,7 [1];

А линейная нагрузка якоря, А = 470 А/см [1];

В магнитная индукция в воздушном зазоре, В = 1 Тл [1].

Таким образом,

Длина сердечника якоря, см

(53)

Таким образом,

Полюсное деление якоря, см

(54)

где р число пар полюсов электродвигателя.

Тогда . Принимаем простую петлевую двухслойную обмотку. В этом случае число параллельных ветвей обмотки 2а = 2р, а ток параллельной ветви определится по формуле

(55)

Таким образом,

Число проводников обмотки якоря

(56)

Тогда

Число коллекторных пластин

(57)

Тогда

Найденное число коллекторных пластин проверяется по допустимому среднему напряжению между ними при максимальном напряжении на зажимах тягового электродвигателя

(58)

Таким образом,

Далее предварительно оцениваем диаметр коллектора, мм

D_кол = (0,8 0,85) D_a.. (59)

Таким образом,

D_кол = 0,83 493 = 409,2 мм.

Определяем коллекторное деление

(60)

Таким образом,

Число пазов якоря Z выбираем по графику (рисунок 7) [1]. По условиям симметрии Z/p должно быть числом целым, а для снижения амплитуды пульсаций магнитного потока в воздушном зазоре тягового электродвигателя нечетным. Принимаем Z = 54.

Число коллекторных пластин на паз якоря электродвигателя

(61)

Таким образом,

Для тепловозных тяговых электродвигателей принимаем n_к = 3.

Число пазов уточняем проверкой объема тока по пазу

2n_ki_a 1800 A, (62)

Таким образом,

23209,1 = 1254,3 А.

После того как все вышеперечисленные условия были удовлетворены, определяем число проводников якоря окончательно

N = 2n_kZ, (63)

Тогда

N = 2 3 54 = 324.

Определяем принятое ранее значение линейной нагрузки якоря в А/см

(64)

Таким образом,

Основной магнитный поток тягового электродвигателя, Вб,

(65)

где Е_дн ЭДС тягового электродвигателя в продолжительном режиме, В;

Е_дн = 0,96U_дн (66)

где U_дн напряжение на зажимах тягового электродвигателя в продолжительном (номинальном) режиме.

Тогда

Е_дн = 0,96500 = 480 В.

Таким образом,

9. Расчет и построение характеристик тягового электродвигателя

9.1 Магнитная характеристика (характеристика холостого хода)

Пересчет универсальной характеристики тепловозного тягового электродвигателя в натуральные значения производится по формулам:

(67) (68)

где Ф_о значение основного магнитного потока, %;

Ф_о значение основного магнитного потока, Вб;

I_д ток тягового электродвигателя, А;

I_д % ток тягового электродвигателя, %.

Расчёт сводим в таблицу 1, а по её данным строим характеристику холостого хода тягового электродвигателя. Она изображена на рисунке 6.

Таблица 1 Расчет магнитной характеристики тягового электродвигателя

I%	0	40	60	80	100	120	140	160
Фо%	0	60	80	95	100	105	110	112
Фо	0	0,091	0,122	0,145	0,152	0,160	0,167	0,170
Iд	0	334,5	501,7	669,0	836,2	1003,5	1170,7	1337,9

Рисунок 6 Характеристика холостого хода тягового электродвигателя

9.2 Скоростная характеристика V_p = f(I_д)

Определяем точку продолжительного режима, соответствующую I_д = I_дн, км/ч,

(69)

Таким образом,

Задаваясь значениями I_д, определяем соответствующие им значения скорости тепловоза по формулам:

при полном поле (ПП):

(70)

при первой ступени ослабления возбуждения (ОП1):

(71)

при второй ступени ослабления возбуждения (ОП2):

(72)

Расчёт сводим в таблицу 2, а по её данным строим скоростные характеристики тягового электродвигателя. Они изображены на рисунке 7.

Таблица 2 Расчет скоростной характеристики тягового электродвигателя

I(д)	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6
V(ПП)	95,3	68,2	51,9	41,2	33,7	28,2	24,1	20,9	18,3	16,3	14,6	13,1	11,9
V(ОП1)	154,9	110,8	84,3	66,9	54,8	45,9	39,2	34,0	29,8	26,4	23,7	21,3	19,4
V(ОП2)	251,7	180,1	137,0	105,0	89,0	74,6	63,7	55,2	48,4	43,0	38,4	34,7	31,5
I(д),А	334,5	418,1	501,7	585,3	669,0	752,6	836,2	919,8	1003,5	1087,1	1170,7	1254,3	1337,9

Рисунок 7 Скоростная и тяговая характеристики тягового электродвигателя

9.3 Тяговая характеристика электродвигателя F_д = f(I_д)

Расчетная сила тяги электродвигателя в продолжительном режиме

(73)

где _об.к.н.= _днз = 0,89 0,985=0,877 КПД тягового двигателя на ободе колеса в продолжительном режиме.

Таким образом,

Задаваясь значениями тока якоря двигателя такими же, как и в случае определения скоростных характеристик, вычисляем соответствующие значения силы тяги двигателя по формулам:

при полном поле (ПП):

(74)

при первой ступени ослабления возбуждения (ОП1):

(75)

при второй ступени ослабления возбуждения (ОП2):

(76)

Расчёт сводим в таблицу 3, а по её данным строим тяговые характеристики тягового электродвигателя. Они изображены на рисунке 7.

Таблица 3 Расчет тяговой характеристики тягового электродвигателя

I(д)	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6
Fд(ПП)	13,9	19,4	25,6	32,2	39,4	47,0	55,0	63,5	72,3	81,5	91,1	101,0	111,3
Fд(ОП1)	8,6	12,0	15,7	19,8	24,2	28,9	33,8	39,0	44,5	50,2	56,1	62,2	68,5
Fд(ОП2)	5,1	7,2	9,4	11,8	14,5	17,3	20,2	23,3	26,6	30,0	33,5	37,2	40,9
I(д),А	334,5	418,1	501,7	585,3	669,0	752,6	836,2	919,8	1003,5	1087,1	1170,7	1254,3	1337,9

9.4 Характеристика КПД тягового электродвигателя _д = f(I_д)

КПД тягового электродвигателя в функции тока якоря рассчитывается по аппроксимирующей формуле

где I_д ток якоря двигателя в %.

Расчёт сводим в таблицу 4, а по её данным строим характеристики КПД тягового электродвигателя. Они изображены на рисунке 8.

Таблица 4 Расчет характеристики КПД тягового электродвигателя тепловоза

Iд, %	40	60	80	100	120	140	160	б
з(ПП)	0,877	0,900	0,904	0,892	0,869	0,840	0,808	1
з(ПП1)	0,933	0,969	0,984	0,981	0,966	0,942	0,915	0,38
з(ПП2)	0,775	0,817	0,836	0,837	0,826	0,805	0,780	0,21
Iд, А	334,5	501,7	669,0	836,2	1003,5	1170,7	1337,9

Рисунок 8 Характеристика КПД тягового электродвигателя

10. Расчет и построение тяговой характеристики тепловоза по рабочим характеристикам тягового электродвигателя

Для расчета и построения тяговой характеристики тепловоза по рабочим характеристикам тягового электродвигателя пользуемся графическим методом.

Задаемся значением скорости тепловоза, сносим точку скорости по горизонтали на скоростную характеристику, соответствующую режиму работы тягового электродвигателя (ПП, ОП1, ОП2), далее по вертикали сносим точку на соответствующую тяговую характеристику электродвигателя (ПП, ОП1, ОП2) и, проведя горизонтальную линию с осью ординат F_д, определяем соответствующую этой скорости силу тяги, развиваемую двигателем на ободе колеса. Касательную силу тяги тепловоза определяем, умножив F_д на число тяговых двигателей тепловоза

(78)

Расчёт сводим в таблицу 5.

Таблица 5 Расчет тяговой характеристики тепловоза

V,км/ч	0	14,5	19	23	28,2	25	36	50	62,1	58	75	85	95	105
Fд,кН	0	88	68	57	48	51,5	37	27	22	22	17,5	15,5	13,5	11,5
Fк,кН	0	528	408	342	288	309	222	162	132	132	105	93	81	69
ш(к)	0,300	0,237	0,226	0,217	0,208	0,213	0,197	0,183	0,174	0,176	0,167	0,162	0,159	0,156
Fксц,кН	449,7	355,6	338,3	325,5	311,6	319,9	295,1	273,8	260,7	264,7	250,2	243,7	238,2	233,6
Nк,кН	0,0	2126,7	2153,3	2185,0	2256,0	2145,8	2220,0	2250,0	2277,0	2126,7	2187,5	2195,8	2137,5	2012,5

На график тяговой характеристики тепловоза наносим:

кривую ограничения по сцеплению, рассчитываемую по формуле,

 (79)

где _к расчетный коэффициент по сцеплению:

(80)

линию ограничения силы тяги по максимальному току тягового генератора (по условию коммутации тяговых электрических машин), соответствующую V_ок и определяемую по токовой регулировочной характеристике как скорость, при которой I_г = I_гmax;

линию продолжительного режима (ограничение по нагреву электрических машин), соответствующую F_к=F_кр;

линию ограничения тяговой характеристики по конструкционной скорости v = v_max.

Рисунок 9 Тяговая характеристика тепловоза и зависимость N_к=f(V)

На этом же планшете для каждого из режимов наносим кривые мощности тепловоза в функции скорости. Расчет ведем по формуле

 (81)

На рисунке 9 представлена тяговая характеристика тепловоза и зависимость N_к=f(V).

11. Тормозные характеристики электрической передачи мощности тепловоза

При переводе тяговых электродвигателей в тормозной режим они отключаются от тягового генератора, их якорные обмотки присоединяются к тормозным резисторам, а обмотки возбуждения к источнику питания.

Тяговый электродвигатель в тормозном режиме, также как и в тяговом, имеет ряд ограничений, которыми определяются пределы регулирования тормозной силы, поэтому тормозные характеристики разделяют на два вида: предельные (ограничивающие) и регулировочные (частичные).

Предельные характеристики определяются некоторыми максимально допустимыми параметрами электрического торможения, к которым относятся:

максимальный ток возбуждения тягового двигателя, допустимый по условиям нагревания катушек главных полюсов;

максимальный тормозной ток, ограничиваемый нагреванием обмотки якоря тягового электродвигателя и тормозных резисторов;

максимальная тормозная сила по условиям сцепления колес с рельсами;

максимальное значение реактивной ЭДС в секции обмотки якоря.

В курсовой работе необходимо определить предельные характеристики электрического тормоза тепловоза по первым трем параметрам. Максимальный ток возбуждения и максимальный тормозной ток (максимальный ток якоря) принимаются равными току продолжительного режима тягового электродвигателя. Поэтому сила торможения будет равна силе тяги продолжительного режима

(82)

Максимальная тормозная мощность может быть получена при условии

(83)

Тогда,

Тогда линия ОА (рисунок 10) опишется уравнением

(84)

Линия АС, представляющая собой гиперболу, во всех точках которой тормозная мощность (произведение тормозной силы и скорости) постоянна, описывается уравнением

(85)

Тормозная мощность, кВт

(86)

Таким образом,

Мощность системы электрического торможения на выводах тяговых электродвигателей

 (87)

где _дт КПД тягового электродвигателя в тормозном режиме, _дт= 0,91 [1].

Тогда

Напряжение на сопротивлении тормозного резистора, В

(88)

где I_а = I_дн ток якоря в тормозном режиме при постоянной тормозной мощности.

Эквивалентное тормозное сопротивление, Ом

(89)

Подставляя численные значения, получим

Кривая ограничения тормозной силы по сцеплению при электрическом торможении рассчитываем по формуле

(90)

где _к расчетный коэффициент сцепления при торможении:

(91)

Рисунок 10 Области тормозных режимов тепловоза

При разработке схемы системы электрического торможения необходимо выполнять следующие требования: минимальные изменения в схеме электрической передаче мощности, использование серийного тепловозного оборудования, простоту схемы и минимальное количество коммутационной аппаратуры, стабильность и устойчивость тормозных характеристик.

Якорь каждого тягового электродвигателя включается на отдельный тормозной резистор. В качестве возбудителя используется тяговый синхронный генератор СГ, к которому через выпрямительную установку ВУ со стороны постоянного тока подсоединяются обмотки возбуждения тяговых электродвигателей, соединенных последовательно. Так как цепь обмоток возбуждения имеет малое сопротивление, то для устойчивой работы тягового синхронного генератора цепь обмоток возбуждения включаются балластные резисторы. Кроме того, балластные резисторы снижают постоянную времени цепи, что повышает устойчивость систем регулирования скорости движения и тормозной силы при электрическом торможении. Для охлаждения тормозных резисторов используются два вентилятора с электродвигателями последовательного возбуждения. Электродвигатели получают питание от цепи тормозных резисторов. Каждый двигатель включен на часть тормозного резистора, секции этих резисторов включены параллельно с уравнительными соединениями для выравнивания токов в тормозных резисторах.

Перевод передачи мощности из тягового режима в тормозной осуществляется тормозным переключателем ТП в обесточенном состоянии. Питание обмотки возбуждения тягового синхронного генератора происходит от возбудителя СВ через управляемый выпрямитель УВВ.

На рисунке 11 представлена принципиальная схема силовой цепи системы электрического торможения тепловозов с передачей переменнопостоянного тока.

12. Расчет весовых и технико-экономических показателей проектируемых машин

Масса (вес) электрической машины постоянного тока ориентировочно определяется по следующей формуле:

92)

где К_m коэффициент пропорциональности, принимаем для тягового электродвигателя К_m = 10.

Подставляя численные данные, получаем

Удельная масса электрической машины постоянного тока определяется по следующим формулам:

(93)

(94)

Подставляя численные значения, получаем:

Литература

1. Проектирование и расчёт электрической передачи. Методическое пособие. Гомель: БелГУТ, 2002.

2. Филонов С. П., Гибалов А. И., Черноусов И. А. и др. Тепловоз 2ТЭ116. Учебник для ВУЗов ж. д. транспорта./Под ред. Филонова С. П. М.: Транспорт, 1977, 320с.

3. Луков Н. М., Стрекопытов В. В., Рудая К. И. Передачи мощности тепловозов. Учебник для ВУЗов ж. д. транспорта./Под ред. Лукова Н. М. М.: Транспорт, 1987, 279с.

Приложения

Приложение А - Тяговый двигатель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 11 Принципиальная схема силовой цепи системы электрического торможения тепловоза

Размещено на Allbest.ru