Принципы проектирования силовой схемы тяговых электродвигателей для грузового электровоза постоянного тока с контакторно-реостатным пуском

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время на сети железных дорог Росси и стран СНГ активно используются электровозы с контакторно - реостатным регулированием скорости. Такие электровозы надежны в эксплуатации, просты в ремонте и обслуживании и обладают необходимой плавностью хода для вождения поездов любых назначений и масс.

В данной курсовой работе рассмотрены принципы проектирования силовой схемы тяговых электродвигателей для грузового электровоза постоянного тока с контакторно - реостатным пуском. В качестве прототипного электровоза выбран самый массовый отечественный электровоз постоянного тока - ВЛ10



1. Расчет и построение электротяговых характеристик

Расчет электротяговых характеристик для заданных диаметра бандажа D и передаточного отношения зубчатой передачи м производят на основании выбранных электротяговых характеристик тягового электродвигателя электровоза-прототипа.

Скорость движения для заданных D и м определяют по формуле (1.1), а силу тяги для заданных D и м по формуле (1.2):

,

,

где D0 - диаметр бандажа выбранного электровоза-прототипа;

D - диаметр бандажа проектируемого электровоза;

м0 - передаточное отношение зубчатой передачи выбранного электровоза - прототипа;

м - передаточное отношение зубчатой передачи проектируемого электровоза.

,

,

,

Расчет электротяговых характеристик выполняется для величин тока двигателя Iд, заданных в ПТР. Результаты расчетов приведены в таблице 1.1.

По данным табл. 1.1 строятся электротяговые характеристики тягового электродвигателя vп = f(Iд) и Fкд = f(Iд) для режима полного возбуждения тяговых электродвигателей. Характеристики приведены в приложении А, рис. А-1, А-2

Iд, А	vп0, м/с	Fкд0, кгс	V	V	V	F	F
150	87,5	810	87,09067	43,54534	21,77267	813,807	6510,456
200	70,6	1400	70,26973	35,13487	17,56743	1406,58	11252,64
250	63,9	2040	63,60107	31,80054	15,90027	2049,588	16396,7
300	58	2610	57,72868	28,86434	14,43217	2622,267	20978,14
350	54,5	3300	54,24505	27,12252	13,56126	3315,51	26524,08
400	52,2	3950	51,95581	25,9779	12,98895	3968,565	31748,52
480	48,7	4970	48,47218	24,23609	12,11805	4993,359	39946,87
550	46,7	5950	46,48154	23,24077	11,62038	5977,965	47823,72
600	45,4	6650	45,18762	22,59381	11,2969	6681,255	53450,04
700	43,6	8000	43,39604	21,69802	10,84901	8037,6	64300,8
800	41,8	9360	41,60446	20,80223	10,40111	9403,992	75231,94

Таблица 1.1 - Результаты расчета электротяговых характеристик

Iд, А	vп0, км/ч	vп, км/ч	Fкд0, кН	Fкд, кН	Fк, кН
150	87,5	86,9	7,9	8,0	64,0
200	70,6	70,1	13,7	13,8	110,7
250	63,9	63,4	20,0	20,2	161,3
300	58	57,6	25,6	25,8	206,3
350	54,5	54,1	32,4	32,6	260,9
400	52,2	51,8	38,7	39,0	312,3
480	48,7	48,3	48,8	49,1	392,9
550	46,7	46,4	58,4	58,8	470,4
600	45,4	45,1	65,2	65,7	525,7
700	43,5	43,2	78,5	79,1	632,4
800	41,6	41,3	91,8	92,5	740,0

Скоростные характеристики при последовательном vс = f(Iд) и последовательно-параллельном vсп = f(Iд) соединении тяговых электродвигателей рассчитывают для каждого значения тока по формулам (1.3), (1.4) соответственно:



,

,

где vп - значение скорости на параллельном соединении тяговых

электродвигателей;

Uп - номинальное напряжение на тяговом электродвигателе на параллельном соединении.

Напряжения Uсп и Uс определяют по формулам (1.5), (1.6) соответственно:

,

,

где псп - количество последовательно соединенных тяговых электродвигателей

при последовательно-параллельном соединении;

пс - количество последовательно соединенных тяговых электродвигателей при последовательном соединении;

Uкс - номинальное напряжение в контактной сети.

.

.

.

.

Результаты расчетов приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Скорости на последовательном и последовательно-параллельном соединении ТЭД

Iд, А	vп, км/ч	vсп, км/ч	vс, км/ч
150	86,9	43,4	21,7
200	70,1	35,0	17,5
250	63,4	31,7	15,9
300	57,6	28,8	14,4
350	54,1	27,1	13,5
400	51,8	25,9	13,0
480	48,3	24,2	12,1
550	46,4	23,2	11,6
600	45,1	22,5	11,3
700	43,2	21,6	10,8
800	41,3	20,6	10,3

Характеристики силы тяги Fкд = f(Iд) при всех соединениях тяговых двигателей не изменяются. Зависимости vс = f(Iд) и vсп = f(Iд) строят в одних осях координат вместе с характеристикой vп = f(Iд)

2. Ограничение тяговых режимов

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.

Для построения ограничения режимов работы тяговых электродвигателей по сцеплению колес с рельсами необходимо определить силу сцепления электровоза Fк сц согласно формуле (2.1):

,



где Pо - осевая нагрузка проектируемого электровоза, тс;шк (v) - расчетный коэффициент сцепления колес с рельсами;

g - ускорение свободного падения, м/с2

Расчетный коэффициент сцепления определяется по эмпирическим формулам, приведенным в правилах тяговых расчетов . Расчет шк (v) осуществляют на основании (2.2) для скоростей в интервале 0 … 60 км/ч:

,

,

По полученным значениям Fк сц = f(v) строят зависимость V() и на этом же графике строят ограничение по сцеплению. Кривую ограничения по сцеплению переносят на электромеханическую характеристику. Точка пересечения этой кривой с кривой скорости на параллельном соединении vп(Iд) при полном возбуждении тяговых двигателей определит максимальное значение тока по сцеплению Iд max1. Для проектируемого электровоза максимальный ток по сцеплению оказался равен Iдmax1=525А

Таблица 2.1 - Значения ограничения силы тяги по сцеплению.

v, км/ч	шк	Fк сц, кН
0	0,34	613,7
5	0,30	535,2
10	0,29	514,4
20	0,27	492,2
30	0,26	475,8
40	0,26	461,2
50	0,25	447,4
60	0,24	433,9



По полученным значениям Fк сц = f(v) строят зависимость V() и на этом же графике строят ограничение по сцеплению. Кривую ограничения по сцеплению переносят на электромеханическую характеристику. Точка пересечения этой кривой с кривой скорости на параллельном соединении vп(Iд) при полном возбуждении тяговых двигателей определит максимальное значение тока по сцеплению Iд max1. Для проектируемого электровоза максимальный ток по сцеплению оказался равен Iдmax1=525А

При разгоне э.п.с. тяговые двигатели допускают увеличение тока до значения Iд max2, определяемого коэффициентом эксплуатационной перегрузки:

где - ток тягового двигателя в часовом режиме , А.

Кэп - коэффициент эксплуатационной перегрузки.

Для того, что бы понять, что такое ток часового режима и коэффициент эксплуатационной перегрузки, необходимо определить режимы работы тягового электродвигателя. В локомотивной тяге выделяют два основных режима - длительный и часовой. Длительный режим - это режим, в котором двигатель может работать неограниченно долгое время. Этому режиму соответствуют ток I? и сила тяги Fк?. При таком токе нет опасности разрушения двигателя из-за перегрева. Часовой - это режим, при котором двигатель может работать не более часа. Если он работает дольше, то появляется опасность разрушения двигателя из-за перегрева, вызванного повышенным током. Таки образом, часовой ток - это такой максимальный ток, при котором электродвигатель может работать в течении часа без возможности разрушения. Коэффициент эксплуатационной перегрузки показывает, во сколько раз максимальный ток может превысить часовой по условию надежности работы.



,

Из двух значений тока Iд max1 и Iд max2 выбирают наименьшее, которое используют как Imax в дальнейших расчетах.

Минимальным оказался ток ограничения по сцеплению. Таким образом, Imax = 525А

3. Расчет ступеней пускового реостата

Для поддержания постоянства пускового тока необходимо с ростом скорости непрерывно уменьшать величину Rр. Осуществить плавное изменение сопротивления при больших токах невозможно, поэтому на практике применяют ступенчатое изменение пускового сопротивления путем переключений его отдельных секций.

Ступени пускового реостата рассчитывают исходя из наибольшего допустимого тока тяговых двигателей. Ток, при котором выключается очередная секция пускового реостата, определяют исходя из коэффициента неравномерности пускового тока, который в свою очередь зависит от заданного ускорения. Таким образом, пусковой ток не постоянен, а колеблется в пределах от максимального Imax до минимального Imin значения.

,

где - коэффициент неравномерности пуска по току, характеризующий

допустимые изменения тока при переходе с одной реостатной позиции на другую.



,

При постоянном значении токов Imax и Imin изменение сопротивлений Rп пускового реостата линейно зависит от разгонной скорости электровоза.

Для определения количества реостатных позиций и их сопротивления необходимо составить пусковую характеристику. Характеристика осью ординат разделена на две части. По оси ординат откладывают скорость, по оси абсцисс вправо - ток, влево - сопротивление. На характеристики приводят зависимости v(Iд) для всех группировок тяговых двигателей, так же прямые максимального Imax до минимального Imin токов.

Про постоянной величине токов Imax и Imin изменение сопротивления Rп(v) пускового реостата линейно зависит от величины разгонной скорости э.п.с. Каждую прямую строят по характерным точкам, причем начало каждой прямой лежит на оси сопротивлений, а конец - на оси скорости. Абсциссы начальных точек определяются по формулам (3.2) - (3.7):

,

Ом

Ом

Ом



Ом

Ом

Ом

Ординаты точек A, C, E, G, P, T находим по характеристикам V=f(Iд) при токах Imax и Imin .

Определение числа ступеней пускового реостата для каждой группировки производится путем построения линии из вертикальных и горизонтальных полос.

После выключения пускового реостата двигатели начинают работать на своей обычной характеристике V= f(Iд). Переход на последовательно-параллельное соединение осуществляется при токе Imin , после перехода значение тока не должно превышать Imax . Для этого необходимо, чтобы при перегруппировке сопротивление реостата в цепи тяговых двигателей было не менее величины, соответствующей значению абсциссы точки «К». Построение ступеней пускового реостата для СП и П соединения производится построением аналогичной линии.

По полученным данным строят пусковую диаграмму.

Для обеспечения более или менее плавного пуска и тем самым уменьшения колебаний тока двигателя (силы тяги) следует сопротивление пускового реостата изменять небольшими ступенями. Однако при этом необходимо иметь большое число контакторов, что усложняет силовую цепь. Поэтому при проектировании электровозов выбирают компромиссное решение, которое позволит осуществить как можно более плавный пуск при использовании минимально возможного количества контакторов.

Пусковая характеристика приведена в приложении А, рисунок А-3.



4. Расчет маневровых ступеней пусковых реостатов

Маневровые ступени предшествуют разгонным и служат для ограничения начального ускорения в процессе трогания с места и для движения при маневровой работе. Первую маневровую ступень подбирают из условия, чтобы начальное ускорение при маневрах не превышало 0,3-0,4 м/с2 . Значение силы тока для первой ступени определяют из тяговой характеристики, путем нахождения значения силы тяги FM1. Её находят по формуле (4.1):

*g

где

1+-коэффициент инерции вращающихся частей;

g - ускорение свободного падения;

Р0 - осевая нагрузка, тс;

ам - начальное ускорение

Электровозы ВЛ10 имеет значение 1+ = 1,265

,

,

,

Данному значению силы тяги соответствует ток Iм1=160А

По характеристике Fкд (Iд) определяют ток на первой маневровой позиции IМ1 , соответствующей силе тяги FM1 . Данному значению силы тяги соответствует ток Iм1=160А

Число остальных маневровых позиций е , определяют при V=0, исходя из равномерного деления интервала между IМ1 и Imin на допустимые изменения тока:

,

Полученную величину округляют до целого числа в большую сторону. Принимаем е=5. По полученным данным наносим на пусковую диаграмму маневровые позиции вдоль оси токов.

Сопротивление величины пускового реостата на маневровых ступенях определяется по формуле 4.3

,

,

,

,

,

5. Расчет цепей регулирования возбуждения тяговых двигателей

Для расчета электротяговых характеристик в режимах ослабления возбуждения необходимо рассчитать коэффициенты ослабления возбуждения для всех ступеней регулирования.

Минимальное значение тока рассчитываем по формуле(5.2):



Коэффициент неравномерности тока при регулировании возбуждения принимаем на 15% процентов больше, чем коэффициент неравномерности пуска по току. Таким образом: электротяговой пусковой реостат двигатель

,

,

,

На основании заданного коэффициента ослабления возбуждения на первой ступени рассчитываем остальные ступени ослабления возбуждения. Расчет выполняется по формуле :

,

Расчет производят до тех пор, пока значение не будет ниже заданного минимального значения . В таком случае, за последнюю ступень ослабления возбуждения принимаем значение

,

,

,

,

Поскольку , принимаем число ступеней ослабления возбуждеия, равное четырем.

Расчет и построение электротяговых характеристик для ступеней ослабления возбуждения vов = f(Iд) и Fкд ов = f(Iд) выполняют на основании соотношений: vов = vпв при и при . В приведенных соотношениях индекс «пв» соответствует режиму полного возбуждения, а индекс «ов» -- к ослабленному при регулировании. Результаты расчетов приведены в таблице 5.1.

,

,

,

,

,

,

,

,

Зависимости vов = f(Iд) и Fкд ов = f(Iд) строят в одних осях координат вместе с характеристиками vп = f(Iд) и Fкд пв = f(Iд).

Для расчета величины сопротивления резисторов регулирования возбуждения составляем расчетную схему (рис.5.1)

Таблица 5.1 - Электротяговые характеристики при ослаблении возбуждения

v, км/ч	Полное возбуждение	в1=0,85	в2=0,72	в3=0,61	в4=0,52
	Iпв, А	Fкд пв, кН	Iов1, А	Fкд ов1, кН	Iов2, А	Fкд ов2, кН	Iов3, А	Fкд ов3, кН	Iов4, А	Fкд ов4, кН
86,9	150	8,0	176	9,4	208	11,1	246	13,1	288	15,4
70,1	200	13,8	235	16,3	278	19,2	328	22,7	385	26,6
63,4	250	20,2	294	23,7	347	28,0	410	33,0	481	38,8
57,6	300	25,8	353	30,3	417	35,8	492	42,3	577	49,6
54,1	350	32,6	412	38,4	486	45,3	574	53,5	673	62,7
51,8	400	39,0	471	45,9	556	54,2	656	64,0	769	75,1
48,3	480	49,1	565	57,8	667	68,2	787	80,5	923	94,4
46,4	550	58,8	647	69,2	764	81,7	902	96,4	1058	113,1
45,1	600	65,7	706	77,3	833	91,3	984	107,7	1154	126,4
43,2	700	79,1	824	93,0	972	109,8	1148	129,6	1346	152,0
41,3	800	92,5	941	108,8	1111	128,5	1311	151,6	1538	177,9

Сопротивление резистора на К-той ступени регулирования возбуждения определяем по формуле (5.4).

,

где - сопротивление обормоток возбуждения тягового двигателя

- сопротивление индуктивного шунта

Рисунок 5.1 - Схема цепей регулирования возбуждения.

Индуктивный шунт необходим для предотвращения прохождения через якоря больших токов при кратковременных перерывах тока как в режиме тяги, так и в режиме электрического торможения. Сопротивление индуктивного шунта принимаем равным = 0.03 Ом. Таким образом, сопротивление резисторов регулирование возбуждения примут следующие значении:



,

,

,

,

Для определения мощности потерь на этих резисторах воспользуемся формулой (5.5):

где - средний пусковой ток

Средний пусковой ток принимаем равным

=(525+445) /2=485 А

Потери энергии составят:

,

,

,

,

Результаты расчетов сопротивлений резистора регулирования возбуждения и потерей мощности на нем приведены в таблице 5.2

Таблица 5.2 - сопротивления резисторов регулирования возбуждения

Номер ступени	Сопротивление, Ом	Мощность потерь, Вт
1	3,6	19036
2	1,6	29796
3	0,9	34741
4	0,66	35950

6. Компоновка пусковых реостатов

Целью компоновки пусковых реостатов является разработка принципиальной электрической схемы соединения секций реостатов и контакторов, удовлетворяющей следующим требованиям:

1. Реализация расчетных значений сопротивления пускового реостата для всех ступеней регулирования с учетом соединения двигателей;

2. Применение наименьшего числа контакторов и более простое управление ими;

3. 3. Возможно более полное использование по нагреву всех секций пускового реостата.

Для выполнения всех перечисленных требований на отечественных электровозах реостаты соединяют в группы, каждую их которых подсоединяют к паре тяговых двигателей. При этом группы пусковых реостатов переключают одновременно с изменением группировки тяговых двигателей, что значительно упрощает схему.

Компоновку пусковых реостатов производим с помощью пусковой диаграммы. Поскольку на прототипом электровозе количество позиций 37, а на проектируемом - 26, для упрощения схемы необходимо уменьшить количество контакторов. После этого составляем таблицу замыканий оставшихся линейных контакторов и групповых переключателей.

Уменьшение количества реостатных позиций приведет к большим рыкам при переходах между позициями. Схемных изменений не будет, так как каждая группа реостатов в прототипном электровозе уже имеет минимально возможное число реостатных контакторов - 3. Уменьшение контакторов хотя бы на один в каждой группе реостатов приведет к невозможности сбора достаточного числа позиций, а ликвидация контакторов только в одной или двух группах реостатов приведет к неравномерному распределению тока на разных соединениях тяговых двигателей.

Таблица замыканий индивидуальных и групповых контакторов (развертка) приведена в приложении Б.

7. Разработка силовой цепи и узла цепи управления

Силовая схема разработана на основе схемы прототипного электровоза и приведена в приложении В, рисунок В-1.

Принципиальные схемы электрических цепей электровозов приводят на нулевой позиции. При этом все индивидуальные контактора разомкнуты, групповые переключатели КСП-I и КСП-II находятся в положении «С-СП», групповой переключательКСП-0 в положении «С», реверсоры в положении «вперед», тормозные переключатели в положении «тяга». Кнопочные переключатели отключены, рукоятки контроллера машиниста находятся в нулевом положении.

При постановки главной рукоятки контроллера в первое положение собирается схема первой позиции. Ток при этом потечет через токоприемник 45-1(45-2) (рис. В-2), дроссель помехоподавляющего контура 34-1(34-2), высоковольтный разъединитель 36-1(36-2), далее через проходной изолятор в крыше первой секции поступает в кузов, где подается на первичную обмотку реле дифференциальной защиты 52-1, далее идет через быстродействующий выключатель 52-1, линейные электропневматические контактора 3-1, 4-1, секцию пускового реостата Р5-Р8, контакт группового переключателя 22-1, секцию пускового реостата Р1-Р4, шунт амперметра 41-1, реле перегрузки 37-1, контакты реверсора 1-2, якоря первого и второго тяговых двигателей I, II, контакты реверсора 4-6, обмотки возбуждения первого и второго тяговых двигателей KI-KKI, KII-KKII, контакт группового переключателя 25-1, реле перегрузки 38-1, контакты реверсора 7-8, якоря третьего и четвертого тяговых двигателей III, VI, контакты реверсора 10-11 , обмотки возбуждения третьего и четвертого тяговых двигателей KIII-KKIII, KIV-KIV, шунт амперметра 42-1, контакт группового переключателя 32-1, межкузовное соединение В-В, линейный контактор 2-2, секцию пускового реостата Р5-Р8, контакт группового переключателя 22-2, секцию пускового реостата Р1-Р4, шунт амперметра 41-2, реле перегрузки 37-2, контакты реверсора 1-2, якоря пятого и шестого тяговых двигателей V, VI, контакты реверсора 4-5, обмотки возбуждения пятого и шестого ТЭД KV-KKV, KVI-KKVI, контакт группового переключателя 25-2, реле перегрузки 38-2, контакты реверсора 7-8, якоря седьмого и восьмого тяговых двигателей VII, VIII, контакты реверсора 10-11, обмотки возбуждения седьмого и восьмого тяговых двигателей KVII-KKVII, KVIII-KKVIII, шунт амперметра 42-2, межкузовное соединение Е-Е, вторичная обмотка дифференциального реле 52-1, счетчик электрической энергии и через буксовые токосъемники попадает в рельсовые нити.

Цепь управления быстродействующем выключателем так же будем рассматривать на примере прототипного электровоза ВЛ10

Цепи управления БВ получают питание напрямую от панели управления 77-2 через межкузовной провод К50. Провод подходит к кнопке с фиксацией БВ. За кнопкой цепь разветвляется на две ветви. Одна ветвь идет к удерживающей катушки БВ, вторая к включающей.

В цепи удерживающей катушки БВ-1 удерж. 51-1 имеются следующие блокировки:

1. 57-1, 57-2 - блокировки реле перегрузки первого и второго преобразователей. Служат для отключения быстродействующего выключателя при перегрузка двигателей преобразователей.

2. 478-1 - блокировка панели токоприемника, исключает возможность отпускания токоприемника под нагрузкой.

3. 105-2 - блокировка реле контроля земли, обеспечивает возможность включения БВ-1 при опущенном токоприемнике для проверки цепей электровоза.

4. 52-1 - блокировка реле дифференциальной защиты, отключает БВ-1 при срабатывании.

В цепь включающей катушки БВ-1 возврат 51-1 включены следующие блокировки:

1. Кнопка без фиксации «Возврат БВ-1»

2. 95-1(96-2) - контакт контроллера машиниста, препятствует включению БВ на позиция главной рукоятки контроллера, отличной от нулевой.

Работа цепи происходит следующим образом. При включении кнопки «БВ-1» подается питание на кнопку возврат «БВ-1». При нажатии кнопки «Возврат БВ-1» ток пойдет по проводу Н130(Н131) на контроллер машиниста. Если главная рукоятка контроле находится в нулевом положении, то ток через замкнутый контакт поступает на катушку «Возврат 51-1». В это же время ток через блокировку 51-1 поступает на катушку 52-1 дифференциального реле, включая его. При этом замыкается блокировка 52-1 в цепи удерживающей катушки 51-1, и по ней начинает проходить ток. При отключении кнопки «Возврат БВ-1» снимается напряжение с возвращающей катушки 51-1, и БВ ставится на удержание. В это же время размыкается блокировка 51-1 в цепи удерживающей катушки 52-1 дифференциального реле, и оно ставится на удержание через балластный резистор.

Цепи управления быстродействующим выключателем приведены в приложении В, рисунок В-2

8. Выбор электрооборудования и тяговых аппаратов

Оборудование и тяговые аппараты выбираются из стандартного ряда используемых электрических аппаратов. Выбираемые аппараты должны быть устойчивы к работе в условиях постоянной вибрации, резких изменениях скоростей и ускорений, большому перепаду температур и запыленности. Так же при выборе аппаратов необходимо учитывать номинальные токи и напряжения силовых цепей.

Перечень электрооборудования и тяговых аппаратов приведен в приложении В, таблица В-1.



Вывод

В разработанном электровозе по сравнению с прототипным было сохранено количество двигателей. Однако уменьшение количества реостатных позиций повлекло за собой изменение цепей пусковых реостатов. Цепи ослабления возбуждения остались такими же.

Данные изменения повлияют на плавность хода - при переходе с одной позиции на другую будут происходить ощутимые рывки. Максимальная сила тяги оказалась чуть выше, а максимальная скорость - ниже.



Литература

1. Осипов С.И. Основы электрической и тепловозной тяги. М.: Транспорт, 1985

2. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985

3. Чуматов А.И. Володин С.В. Оформление курсовых и дипломных проектов. Методические указания. М.:МИИТ, 2006

4. Электроподвижной состав постоянного тока. Методические указания. М.:МИИТ, 1993

5. Электровозы ВЛ10 и ВЛ10у. Руководство по эксплуатации. Под ред. Кикнадзе О.А. М.: Транспорт, 1981

Размещено на Allbest.ru