Расчет электрических передач локомотивов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта РФ

Московский государственный университет путей сообщения МИИТ

Российская академия путей сообщения (РАПС)

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: Локомотивы (общий курс)

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ ЛОКОМОТИВОВ

Содержание

Введение

1. Электрическая передача мощности тепловоза

1.1 Электрическая передача электровозов постоянного тока

1.2 Электрическая передача электровоза переменного тока

1.3 Гидравлическая передача мощности

2. Расчетная часть курсового проекта

2.1 Определение параметров ТЭД на номинальном режиме

2.2 Расчет характеристики намагничивания ТЭД при различных режимах нагрузки и возбуждения

2.3 Расчет и построение внешней характеристики тягового генератора

2.4 Расчет и построение электромеханических и электрических тяговых характеристик ТЭД с учетом параметров КМБ

2.5 Расчет и построение тяговой и токовой характеристик с учетом ограничений

2.6 Построение тяговых и токовых характеристик локомотивов

Заключение

Список использованной литературы

Приложения

Введение

Передачей мощности называют устройство или комплекс устройств, дающих возможность изменять передаточное число системы с целью изменения скорости движения и силы тяги локомотива.

Изменение передаточного числа может осуществляться механическими устройствами, чисто электрическими преобразователями либо комбинированно. Традиционно для локомотивов считается, что передача мощности характерна для тепловозов, где она осуществляет трансформацию момента вала дизеля и его мощности в механическую энергию тяги локомотива. В зависимости от применяемых элементов передачи различают механические, гидростатические, гидромеханические и электрические передачи различного вида.

Кроме того, выделяется передача мощности электровозов и других видов электроподвижного состава, где она присутствует и дает возможность изменять постоянное но величине напряжение контактною провода в переменное по величине напряжение, подводимое к тяговым электродвигателям.

Наиболее широкие возможности выбора типа передачи мощности существуют для автономных локомотивов тепловозов, газотурбовозов. Ограниченные возможности имеет неавтономный электроподвижной состав, где используется только электрическая передача мощности, свойства которой определяются возможностями изменения рабочего напряжения на тяговых двигателях. Большинство тепловозов, работающих на магистральных железных дорогах мира, оборудовано электрическими передачами мощности. Другие виды передач мощности на магистральных тепловозах встречаются реже.

Для тепловозов специфическое отличие заключается в разделе регулирования тягового генератора.

Наличие собственной энергетической установки на тепловозе ставит ряд уникальных задач по ее полному использованию при наибольшей экономичности, чему посвящен основной объем учебника.

Электрические передачи мощности локомотивов сложные системы, включающие практически все известные сегодня электрические машины, преобразователи, аппараты, что усложняет изучаемый курс, но делает ею интересным и информативным.

Целью курсовой работы является изучение физических процессов, происходящих в колесно-моторном блоке (КМБ) локомотива при преобразовании электрической энергии в механическую и создании силы тяги. На основании рассчитанных параметров тягового электродвигателя (ТЭД) строится тяговая характеристика локомотива с нанесением на ней ограничений по конструктивным параметрам и условиям сцепления колеса с рельсом.

При выполнении работы необходимо решить следующие задачи:

- определить параметры ТЭД на номинальном режиме работы;

- рассчитать характеристику намагничивания ТЭД;

- построить кривые намагничивания ТЭД при различных режимах нагрузки и возбуждения;

- рассчитать и построить внешнюю характеристику тягового генератора тепловоза;

- построить электромеханические и электротяговые характеристики ТЭД с учетом параметров КМБ;

- рассчитать и построить тяговую и токовую характеристики локомотива с учетом ограничений.

1. Электрическая передача мощности тепловоза

Наибольшее распространение на магистральных локомотивах железных дорог всего мира получила электрическая передача. Первые тепловозы российских железных дорог Щ^эл--1, Э^эл--2 и последующие выпуски Коломенского тепловозостроительного завода серии Э^эл и О^эл были с электрическими передачами мощности. Упрощенная функциональная блок-схема цепи тепловоза с электрической передачей мощности представлена на рис. 1.1.

Электрическая передача мощности (см. рис. 1.1) содержит тяговый генератор ТГ, полупроводниковые преобразователи П и тяговые электродвигатели ТЭД. Каждый электродвигатель соединен посредством зубчатой передачи с колесной парой (индивидуальный привод) или с двумя-тремя колесными парами (групповой привод). Вал генератора ТГ соединяется непосредственно с валом теплового двигателя ТД.

В передаче возможно использование четырех видов регуляторов: регулятор теплового двигателя РД; регулятор возбуждения генератора РГ, включающий управляемый выпрямитель; регуляторы преобразователей РП и регуляторы тяговых электродвигателей РТЭД. Питание обмотки возбуждения ТГ осуществляется специальной электрической машиной -- возбудителем В или вспомогательным генератором ВГ.

Электрическая передача мощности тепловоза решает две самостоятельные задачи:

- поддержание постоянной мощности дизеля при заданных значениях.

- создание тяговой характеристики тепловоза.

Первая задача решается созданием гиперболической внешней характеристики тягового генератора, вторая - выбором методов управления тяговыми электродвигателями.

В электрической передаче могут быть использованы электрические машины как постоянного тока, так и переменного тока. В зависимости от рода тока применяемых электрических машин передачи делятся на постоянно-постоянного тока (тяговый генератор и тяговые электродвигатели постоянного тока), переменно-постоянного тока и переменно-переменного тока.

Электрическая передача мощности может выполняться с использованием электрических машин постоянного и переменного тока. Преимуществом машин постоянного тока является возможность использования сериесных электродвигателей, которые не только обладают высокими тяговыми свойствами.

Рис. 1.1 Электрическая передача мощности постоянного тока

Этот тип электрической передачи мощности лап возможность в свое время разработать и построить в нашей стране ряд серийных пассажирских, грузовых и маневровых тепловозов. Некоторые успешно эксплуатируются по сей день (ТЭЗ, ТЭП60, 2ТЭ10Л, М62, ТЭМ2). Главное достоинство передачи постоянного тока перед другими - получение тяговой характеристики локомотива близкой к идеальной (гиперболического вида) при простоте электрической схемы и ее управления.

Если в передаче осуществляется только управление возбуждения тягового генератора, то скоростной диапазон передачи определяется диапазоном изменения его напряжения.

Магнитный поток главных полюсов тяговых электродвигателей изменяют путем шунтирования их обмоток возбуждения цепями с резисторами. Для тепловозных электрических передач мощности характерно двухступенчатое ослабление магнитного поля тягового электродвигателя, а для электроподвижного состава возможно и большее число ступеней. Этот способ регулирования в электрической передаче экономичен и более целесообразен, так как повышение скорости движения локомотива здесь связано только с уменьшением магнитного потока электродвигателей.

Преимуществами электрической передачи мощности постоянного тока являются: отсутствие кинематической связи вала теплового двигателя с движущими колесами локомотива; возможность плавного регулирования силы тяги и скорости локомотива во всем заданном рабочем диапазоне; высокое значение КПД передачи и теплового двигателя во всем рабочем диапазоне (при мощности менее 1000 кВт КПД составляет 0,78--0,84, а при более 1000 кВт -- 0,844-0,86); высокая степень использования мощности теплового двигателя во всем рабочем диапазоне; отсутствие муфт сцепления и промежуточных зубчатых редукторов; возможность осуществления электродинамического торможения; высокие долговечность и надежность; достаточная свобода в размещении силового и вспомогательного оборудования при конструировании локомотива.

К числу недостатков электрической передачи постоянного тока можно отнести: более высокую стоимость передачи по сравнению с механической и гидравлической, что особенно заметно при малых мощностях; значительный расход цветных металлов, высококачественной стали и изоляционных материалов на изготовление; многократные настроечные (реостатные) испытания в процессе эксплуатации; снижение надежности и КПД передачи в целом от ухудшения климатических условий эксплуатации; достаточно большой вес электрических машин и передачи в целом; необходимость тщательного ухода за коллекторно-щеточным узлом электрических машин.

Электрическая передача постоянного тока для тягового подвижного железнодорожного состава охватывает диапазон мощности от 220 до 4400 кВт. Отдельные локомотивы строятся или проектируются на большие мощности. При мощности более 1470 кВт в агрегате применяется исключительно электрическая передача.

Рис.1.2 Электрическая передача мощности переменно-постоянного тока

Тенденция к увеличению мощности на единицу веса и габаритов тепловоза привела к тому, что возникла проблема с размещением оборудования в дизельном помещении и моторных тележках, а затем и со снижением надежной работы коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока, и в первую очередь тягового генератора. Увеличение нагрузок привело к неудовлетворительной работе его щеток и коллектора.

Расчеты и опытные данные показали, что не удается обеспечить надежную работу коллекторно-щеточного узла машины постоянного тока. Поэтому переход на передачу постоянно-переменного тока для тепловозов был обусловлен.

С шестидесятых годов начался выпуск тепловозов с синхронным генератором и полупроводниковой выпрямительной установкой. Система регулирования генератора и характеристики на выходе выпрямителя соответствовали передачам постоянно-постоянного тока.

На тепловозах с передачей мощности переменно-постоянного тока применяются тяговые электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением и ступенчатым ослаблением магнитного потока возбуждения.

В тепловозной передаче мощности переменно-постоянного тока (рис. 1.2) применены синхронный трехфазный генератор СГ с возбудителем В и полупроводниковый кремниевый выпрямитель ВУ с интенсивным охлаждением. Синхронные генераторы имеют массу на единицу мощности почти в 2 раза меньше, чем генераторы постоянного тока при той же мощности и частоте вращения вала дизеля. Имеются реальные возможности для снижения массы и размеров выпрямительных установок.

Основное преимущество синхронного генератора перед генератором постоянного тока заключается в отсутствии коллектора, что повышает надежность его работы и позволяет существенно повысить окружную скорость на поверхности ротора. Если для генератора постоянного тока окружная скорость якоря не превышает 70 м/с, то для синхронного генератора она допускается 180 м/с и в некоторых случаях -- до 200 м/с.

Наиболее перспективно применение такой передачи в газотурбовозах. На построенных в России, США и других странах газотурбовозах с электропередачей постоянного тока устанавливали 3 - 4 генератора. Привод их осуществлялся от вала турбины через редуктор массой 3--4 т. Синхронный генератор может быть выполнен с непосредственным приводом от вала турбины, что уменьшает его размеры и исключает тяжелый редуктор.

Рис. 1.3 Электрическая передача мощности переменно-переменного тока

Дальнейшее развитие электрической передачи мощности локомотива -- это применение передачи мощности переменно-переменного тока-- переход на тяговые асинхронные электродвигатели как тепловозов, так и электровозов.

Основными видами бесколлекторных электродвигателей являются асинхронный, синхронный и вентильный двигатели. Короткозамкнутый асинхронный тяговый электродвигатель прост по конструкции и имеет наименьшие габариты и массу. При одинаковом вращающем моменте и мощности масса асинхронного электродвигателя па 25--30% меньше, чем электродвигателя постоянного тока.

Синхронный электрический двигатель по конструкции сложнее короткозамкнутого асинхронного в связи с наличием полюсов и обмоток возбуждения. По габаритам и массе он занимает промежуточное положение между двигателем постоянного тока и короткозамкнутым асинхронным двигателем, но при мощности более 500 кВт он мало отличается по этим параметрам от асинхронного. Вентильным двигателем называется машина, выполненная конструктивно как синхронная, но работающая в режимах, близких к режимам работы электродвигателя постоянного тока с заменой коллектора полупроводниковым коммутатором. Регулирование частоты вращения ротора возможно изменением величины подводимого к двигателю напряжения, изменением магнитного потока двигателя, а также воздействием на полупроводниковый преобразователь, используемый в качестве коммутатора.

В передачах мощности переменно-переменного тока тепловозов возможны различные комбинации в совместном применении синхронных генераторов с асинхронными, вентильными или синхронными тяговыми электродвигателями.

Учитывая одинаковые для всех видов передач мощности условия работы, можно определить и общие требования к ним.

1.1 Электрическая передача электровозов постоянного тока

Чтобы увеличить скорость движения, нужно повысить напряжение, подводимое к двигателю. Это достигается перегруппировкой тяговых двигателей в силовой цепи электровоза. Переключая двигатели с одного соединения на другое, можно получить на каждом из них три значения напряжения при выведенном реостате:

Переключение тяговых двигателей с одного соединения на другое называют переходом. Наиболее просто переход можно осуществить следующим образом; отключить тяговые двигатели от контактной сети, произвести необходимые переключения (перегруппировку двигателей) и снова подключить их к контактной сети. Сила тяги сначала снизится до нуля, а затем при включении тяговых двигателей по новой схеме возникнет ее бросок. Поэтому такой переход на магистральных электровозах не применяют.

Переходы с одного соединения тяговых двигателей на другое осуществляют: коротким замыканием части двигателей; параллельным подключением к переключаемым двигателям резисторов; по схеме моста; с помощью вентильного перехода. При всех перечисленных способах перегруппировки тяговых двигателей теряется часть силы тяги, но в разной степени. В процессе перехода коротким замыканием в обмотках якоря двигателей продолжает индуцироваться э.д.с. вследствие остаточного магнетизма, и двигатели кратковременно работают в генераторном режиме, создавая тормозной момент. На современных восьмиосных электровозах переход с последовательного на последовательно-параллельное соединение осуществляют замыканием части двигателей секциями пускового реостата, благодаря чему снижается генераторный ток (тормозной момент). На электровозах ВЛ11 в цепь отключенных двигателей вместо резисторов включены полупроводниковые диоды -- приборы с односторонней электрической проводимостью. Это обеспечивает размыкание цепи для генераторного тока. Операции перехода осуществляют с помощью аппаратов, называемых групповыми переключателями, которые называют еще групповыми контакторами, или кулачковыми переключателями. В них имеется один общий привод для нескольких контакторов. Собирают групповые переключатели из поставленных в ряд элементов. Контакторные элементы такого типа называют механическими, или кулачковыми, так как включение или отключение их осуществляется механическим воздействием кулачкового вала переключателя. В отличие от индивидуальных групповые контакторы используют в цепях, где необходимо производить цикл переключений в определенной последовательности, в том числе и для переключений двигателей с одного соединения на другое.

Перед тем как начать перегруппировку двигателей, включают в их цепь секции пускового реостата, разомкнув контакты индивидуальных контакторов (рис. а). Это необходимо в связи с тем, что после отключения четырех двигателей из восьми, включенных последовательно, сопротивление обмоток двигателей и сумма, э.д.с. в обмотках якорей уменьшатся в 2 раза, что вызовет резкий бросок тока и срабатывание защиты. Кроме того, необходимо подготовить включение резистора R2 для уменьшения тока, генерируемого двигателями V--VIII после замыкания контакторного элемента 4. Поэтому резистор R2 включен между тяговыми двигателями IV и V.

Рис. 1.4 Электрическая передача электровозов постоянного тока

Затем включаются катушки вентилей В J и В2 группового переключателя (рис. б). Вследствие этого двигатели V--VIII замыкаются на резистор R2.

При дальнейшем повороте кулачкового вала выключается контакторный элемент 3, в результате чего остаются подключенными к контактной сети тяговые двигатели I--IV вместе с резистором R1, а двигатели V--VIII отключаются от нее (рис. в). Затем включается контакторный элемент 5 группового переключателя ПкГ, тяговые двигатели V--VIII с резистором R2 подключаются параллельно двигателям I--IV и к контактной сети (рис. г).

Переход завершается включением индивидуального контактора 6, соединяющего параллельно резисторы R1 и R2 (рис. д). Затем, осуществляя различные соединения секций реостата с помощью индивидуальных контакторов, постепенно уменьшают его сопротивление до нуля. Переход на параллельное соединение двигателей в принципе не отличается от перехода на последовательно-параллельное, только теперь к двум парам тяговых двигателей подключаются раздельно и параллельно секции пускового реостата.

Рис. 1.5 Схема моста на электровозах ЧС1,ЧСЗ, ВЛ 82^М

При переходе по схеме моста, применяемом на пассажирских электровозах ЧС1 и ЧСЗ, электровозе двойного питания ВЛ82^М, нужно иметь два реостата с равными сопротивлениями. Если их выводы включить накрест к точкам а и б (участок а--б называют мостом), ток не пойдет через контактор К. и его можно отключить, не разрывая цепи.

После отключения контактора двигатели будут соединены параллельно, но ток, проходящий по их обмоткам, останется прежним, так как в цепь каждого двигателя включена секция резисторов. Следовательно, сила тяги электровоза при этом не изменится. Выводя постепенно секции резисторов переходят на ходовую безреостатную характеристику параллельного соединения. Токи в параллельно включенных резисторах и двигателях могут быть равны только при строго определенных скоростях и напряжении в контактной сети. В других случаях ток в мосте а--б не будет равен нулю.

Электровоз ВЛ11 может работать в составе трех и четырех секций; на нем предусмотрено три соединения двигателей: последовательное, последовательно-параллельное и параллельное. При последовательном соединении в трехсекционном варианте тяговые двигатели всех секций соединены последовательно (на каждый двигатель приходится 250 В). Если электровоз состоит из четырех секций, включаются последовательно тяговые двигатели двух секций. На последовательно-параллельном соединении четыре тяговых двигателя каждой секции соединены последовательно, на параллельном соединении -- параллельно, по два двигателя в каждом плече.

Рис. 1.6 Схема моста на электровозе ВЛ 11

Предусмотрена возможность работы одной секции. В этом случае с последовательного соединения четырех двигателей на параллельное (по два в каждом плече) двигатели переключают, применяя вентильный переход. При этом упрощается операция перегруппировки тяговых двигателей, а время переключения уменьшается. Принцип вентильного перехода для двух группировок двигателей пояснен.

Сначала при выведенных пусковых реостатах Rl и R2 (замкнуты контакторы 1, 2, 3, 4, 5, 6) и последовательном соединении двигателей (контакторы 7 и 9 разомкнуты) выключается контактор 8 и в цепь вводится диод VD. Затем после отключения контакторов 3, 4, 5 в цепь двигателя вводятся параллельно включенные реостаты R1 и R2. Чтобы соединить двигатели параллельно, включают контакторы 7 и 9. Диод VD при этом обеспечивает разделение параллельных цепей двигателей. Контакторы 4,7,8 и 9 выполняют групповыми. При одновременном замыкании контакторов 7 и 9 снижение тока и силы тяги в процессе перегруппировки связано только с предварительным введением реостатов. В продолжительном режиме тяги на последовательном соединении двигателей диод VD шунтирован контактором 8.

Для обратного перехода с параллельного соединения на последовательно-параллельное и, наконец, на последовательное, что необходимо в случае уменьшения скорости поезда, прекращают в определенной последовательности питание катушек группового переключателя.

Таким образом, используя различные группировки двигателей, можно получить несколько ходовых характеристик.

1.2 Электрическая передача электровоза переменного тока

Из теории тяги известно, что если сила тяги локомотива равна силе сопротивления движения поезда, то движение его равномерное, скорость не меняется. Для того, чтобы увеличить скорость движения, необходимо увеличить силу тяги локомотива. Одновременно с увеличением скорости увеличивается и сопротивление движению поезда. Скорость увеличивается до тех пор пока, сопротивление движению не станет равным силе тяги.

Рассмотрим движение поезда на подъеме. В установившемся режиме при напряжении на тяговых двигателях протекает ток и движение происходит с неизменной скоростью. Если машинист решил увеличить скорость он осуществляет переход на боле высокую ступень при которой повышается напряжение на тяговых двигателях. По мере увеличения скорости ток и магнитный поток ТЭД и соответственно сила уменьшаются. Увеличение скорости и уменьшение силы тяги происходит до тех пор пока сила тяги не станет равной сопротивлению движению. После этого поезд будет двигаться с неизменной, но теперь уже с большей скоростью пропорционально возросшему напряжению.

Из вышеизложенного следует, что возможно 2 способа регулирования работы тяговых электродвигателей и соответственно электровоза:

- первый способ-регулирование подводимого к ТЭД напряжению;

- второй - регулирование магнитного потока главных полюсов, путем изменения тока обмоток возбуждения при неизменном напряжении.

Регулирование напряжения на электровозах переменного тока осуществляют изменением либо изменением коэффициента трансформатора, либо выпрямленного напряжения с помощью управляемых вентелей.

Как известно коэффициентом трансформации называется отношение числа витков первичной обмотки трансформатора к числу витков вторичной. Для того чтобы получить разные коэффициенты трансформации одну из обмоток секционируют. То есть регулирование е напряжения сводится к переключению цепи ТЭД от одной отпайки к другой.

Секционированной может быть как первичная, так и вторичная обмотка трансформатора. В первом случае операции переключения происходят при сравнительно высоких напряжениях и небольших токах, во втором - при небольших напряжениях но, высоких токах.

Вторичная обмотка тяговых трансформаторов состоит из двух одинаковых обмоток, каждая из которых имеет секционированную часть и несекционированную. Регулирование сводится к тому, чтобы к несекционированным частям подключить то или иное количество секций согласно или встречно.

На первых степенях регулирования для получения низких напряжений секционированные части к несекционированным подключаются встречно. В этом случае результирующее напряжение равно разности напряжений обмотки и встречно подключенных секций.

По мере разгона проезда, для увеличения напряжения число встречно включенных секций уменьшают. Для дальнейшего повышения напряжения, на высоких ступенях регулирования, к несекционированным частям обмоток подключают те же секции, но уже согласно. Наибольшим напряжение будет тогда, когда к несекционированным частям согласно подключены все четыре секции.

1.3 Гидравлическая передача мощности

Рис. 1.3.1

Гидравлическая передача мощности представляет собой пару гидравлических аппаратов, из которых один (гидронасос) соединен с валом первичного двигателя, а другой (гидродвигатель) работает за счет энергии жидкости, нагнетаемой насосом. Выходной вал гидродвигателя соединяется с ведущими колесами локомотива.

Если крутящий момент от входного вала к выходному передается главным образом за счет использования давления рабочей жидкости (доходящее до 350 кг/см²) при незначительной скорости ее движения (2--3 м/с), то передача называется гидростатической, В гидростатических передачах применяют объемные (поршневые или чаще ротационные) насосы и двигатели.

Насос и гидродвигатель гидростатической передачи можно установить на тепловозе практически на любом расстоянии друг от друга, что дает возможность располагать вспомогательное оборудование в любом удобном месте.

Изменение силы тяги и скорости движения локомотива с гидростатической передачей достигается изменением скорости движения жидкости в передаче. При этом можно получить большие значения кратности изменения силы тяги и скорости движения при высоких значениях КПД передачи.

Гидростатическая передача поршневого типа нашла применение преимущественно в качестве привода вспомогательных машин, в частности для вентиляторов шахты холодильной установки тепловозов ТЭП60, ТЭП70.

Если крутящий момент передается в основном за счет кинетической энергии жидкости при незначительном использовании давления, передача называется гидродинамической. В этих передачах применяются центробежные насосы и центростремительные гидравлические турбины. Гидродинамическая передача состоит из насосного колеса центробежного типа и гидравлической турбины, находящихся в одном корпусе и предельно сближенных друг с другом, что позволяет потоку жидкости, сходящему с лопастей насоса, поступать непосредственно на лопасти турбины и далее через реактор снова возвращаться на лопасти насоса. В результате передача получается компактной, легкой, с минимальными гидравлическими потерями. Основными аппаратами гидродинамических передач являются гидротрансформаторы и гидромуфты.

Гидромашина, в которой насос, турбина и реактор объединены в одном корпусе, называется гидротрансформатором.

Гидромашина, способная работать в режимах гидротрансформатора и гидромуфты, образуя один круг циркуляции, называется комплексным гидротрансформатором. Комплексный гидротрансформатор работает: на режиме I как «пусковой» гидротрансформатор; на режиме II как «маршевый» гидротрансформатор; на режиме III как гидромуфта.

Характеристики гидростатических и гидродинамических передач различны. Поэтому каждая передача имеет свои области применения. В одних случаях эти области являются общими. В других гидропередачи дают возможность отказаться от применения зубчатых редукторов или упростить их, значительно увеличив диапазон изменения скорости, улучшить экономику привода, снизить вес оборудования, уменьшить габаритные размеры и, наконец, автоматизировать рабочие процессы машин.

2. Расчетная часть курсового проекта

Для тягового привода рабочими называют:

электромеханические характеристики тягового электродвигателя: скоростную n_Д=f(I_Д), моментную М_Д= f(I_Д) и характеристику к.п.д. электротяговые характеристики F_КД=f(I_Д), V=f(I_Д),

2.1 Определение параметров ТЭД на номинальном режиме

Электромеханические характеристики отражают изменение механических параметров n_Д и М_Д на валу двигателя в зависимости от силы тока I_Д.

Моментную характеристику ТЭД М_Д= f(I_Д) рассчитывают по выражению:

М_Д = С_МФ_ДI_Дз_МН_М,(2.1)

где М_Д - вращающий момент на валу ТЭД;

з_М - механический к.п.д. двигателя, равный 0,96-0,98.

Скоростная характеристика n_Д=f(I_Д) определяется из уравнений характеризующих состояние электрической цепи ТЭД:

n_Д = (U_Д-I_ДR_Д)/(С_Е-Ф_Д) (2.2)

или, принимая I_ДR_Д?0,04 U_Д,

n_Д = 0,96 U_Д /(С_Е-Ф_Д), об/мин.

Последовательность расчета электромеханических характеристик включает в себя ряд этапов:

1) Определение значений коэффициентов С_Е и С_М по формулам (2.3) и (2.4) в соответствии с исходными данными ТЭД.

С_Е=(р*N)/60а (2.3)

С_Е=(4*630)/60*4=10,5

С_М= (р*N)/2ра (2.4)

С_М= (4*630)/2*4*4=78,75

2) Вычисление силы тока ТЭД на номинальном режиме работы

I_ДН= Р_ДН/(U_ДНз_ДН) 10³, А (2.5)

где U_ДН, Р_ДН, з_ДН - номинальные значения напряжения, мощности и к.п.д. двигателя (исходные данные ТЭД).

з_ДН можно принять равной 0,90-0,92 для тепловоза и 0,92-0,94 для электровоза.

I_ДН= 350/(480*0,9)*10³=810,18 А

3) Расчет магнитного потока возбуждения ТЭД на номинальномрежиме работы

Ф_ДН=0,96 U_ДН/(С_Е n_ДН)_, Вб(2.6)

где n_ДН - номинальная частота вращения вала ТЭД, об/мин.

Ф_ДН=0,96*480/(10,5*600)=0,07 Вб

2.2 Расчет характеристики намагничивания ТЭД при различных режимах нагрузки и возбуждения

При расчете электромеханических характеристик любого электродвигателя используют его магнитные характеристики (кривые намагничивания), то есть зависимости магнитного потока Ф_Д от тока возбуждения I_В и тока якоря I_Д. Их обычно представляют в виде графиков Ф_Д=f(I_В) построенных для различных величин тока якоря I_Д и называют нагрузочными характеристиками.

Для локомотивных ТЭД с последовательным возбуждением семейство нагрузочных характеристик Ф_Д=f(I_В, I_Д) можно заменить одной кривой Ф_Д=f(I_В) считая I_Д=I_В. Однако для определения этой зависимости, которую будем называть универсальной магнитной характеристикой ТЭД, необходимо провести расчеты его магнитной системы и взаимодействия магнитных полей полюсов и якоря. Учитывая, что эти вопросы подробно изучают в дисциплине "Электрические машины", в данной курсовой работе предлагается использовать безразмерные универсальные магнитные характеристики ТЭД.

Они представляют собой зависимости магнитного потока Ф_Д от тока возбуждения I_В, выраженные относительно значений Ф_ДН и I_ВН на номинальном режиме работы ТЭД (табл. 2.1). Определение искомой зависимости Ф_Д=f(I_В) (в абсолютных величинах) осуществляют по точкам безразмерной характеристики путем пересчета по формулам

Ф_Д = (Ф_Д/Ф_ДН)Ф_ДН, Вб (2.7)

I_В =( I_В/ I_ВН) I_ВН, А (2.8)

считая, что I_ВН = I_ДН.

Полученные координаты точек универсальной магнитной характеристики ТЭД заносим в таблицу 2.2 и далее строим график Ф_Д=f(I_В) на миллиметровой бумаге.

Таблица 2.1 Безразмерные универсальные магнитные характеристики электровозных и тепловозных тяговых электродвигателей

( IВ/ IВН) =(IД/ IДН)	0,25	0,50	0,75	1,00	1,25	1,50
ФД/ФДН	ТЭД электровоза	0,50	0,72	0,88	1,00	1,07	1,11
	ТЭД тепловоза	0,52	0,77	0,92		1,03	1,06

Таблица 2.2

ФД, Вб	0,0364	0,0539	0,0644	0,07	0,0721	0,0742
IВ, А	202,54	405,09	607,64	810,18	1012,72	1215,27

5) Расчет и построение зависимостей магнитного потока Ф_Д от тока якоря I_Д ТЭД при разных ступенях ослабления возбуждения.

При выполнении данного этапа следует заполнить таблицу 2.3. Значения I_Д целесообразно задать по точкам универсальной магнитной характеристики в диапазоне (0,25-1,50)I_ДН для электровозов и (0,50-1,50)I_ДН для тепловозов. Величины тока возбуждения I_В, соответствующие каждому значению тока I_Д, составляют

I_В=б I_Д, А(2.9)

где б - коэффициент ослабления возбуждения ТЭД

В данной курсовой работе значения коэффициента б а на первой (ОП₁) и второй (ОП₂) ступенях ослабления возбуждения следует принять равными б₂=0,3-0,4 и б₁=vб₂

Значения магнитного потока Ф_Д для каждого сочетания величин тока якоря I_Д и коэффициента б можно приближенно определить по построенному ранее графику универсальной магнитной характеристики ТЭД Ф_Д=f(I_В).

Полученные точки с координатами (I_Д, Ф_Д) необходимо нанести на миллиметровую бумагу и построить кривые намагничивания двигателя Ф_Д=f(I_Д) для режимов возбуждения ПП, ОП₁ и ОП₂.

Таблица 2.3

IД, А	202,54	405,09	607,64	810,18	1012,72	1215,27
ПП б=1,00	IВ, А	202,54	405,09	607,64	810,18	1012,72	1215,27
	ФД, Вб	0,036	0,054	0,064	0,07	0,072	0,074
ОП1 б=0,55	IВ, А	111,40	222,80	334,20	445,60	557,0	668,40
	ФД, Вб	0,022	0,039	0,048	0,056	0,062	0,066
ОП2 б=0,3	IВ, А	60,76	121,53	182,29	243,05	303,82	364,58
	ФД, Вб	0,015	0,025	0,032	0,042	0,046	0,050

2.3 Расчет и построение внешней характеристики тягового генератора

Для расчета электромеханических характеристик ТЭД, работающего на тепловозе, дополнительно необходимо построить внешнюю характеристику тягового генератора U_Г=f(I_Г).

Взаимосвязь токов и напряжений ТЭД и ТГ в данной курсовой работе можно считать следующей:

U_Г= U_Д(2.10)

I_Г =m I_Д(2.11)

где m - количество тяговых двигателей на тепловозе, равное числу его движущих осей n_OC (см. исходные данные).

m= n_OC=6

I_Г=6*810,18=4861 А

Порядок построения внешней характеристики ТГ.

а)Рассчитываем мощность ТГ в продолжительном (номинальном) режиме

Р_ГН = mР_ДН10³ = U_ГН I_ГН, Вт(2.12)

где U_ГН и I_ГН - напряжение и ток ТГ на номинальном режиме;

Р_ГН =480*4861,08=2333318 Вт

б)Определяем максимальное напряжение ТГ

U_Гmax = U_ГН k_Г, В(2.13)

и соответствующий ему минимальный ток ТГ

I_Гmin =Р_ГН/ U_Гmax(2.14)

где k_Г - коэффициент регулирования напряжения ТГ.

Значение k_Г выбираем из диапазона 1,4-1,8 так, чтобы величина напряжения U_Гmax не превышала 800 В;

U_Гmax =480*1,5=720 В

I_Гmin =2333318/720=3241 А

в) Определяем максимальную силу тока ТГ

I_Гmax=(l,25 ?1,45) I_ГН,A(2.15)

I_Гmax=1,35*4861=6562 А

и соответствующее ей минимальное напряжение ТГ

U_Гmin = Р_ГН / I_Гmax, В(2.16)

U_Гmin =2333318/6562=355 В

г) Рассчитываем гиперболический участок внешней характеристики ГГ.

Для этого необходимо выбрать 5-7 значений тока ТГ в диапазоне I_Гmin<I_Г<I_Гmax и определить соответствующие им величины напряжения ТГ' какU_Г= Р_ГН / I_Г, В.

Результаты заносим в две верхние строки таблицы 2.4.

В крайние колонки таблицы вносим координаты точек, которые ограничивают гиперболический участок, то есть (I_Гmin, U_Гmax) и (I_Гmax, U_Гmin).

д) Строим координатную сетку с осями I, U и в ней наносим точки с координатами (I_Гmin, U_Гmax), (I_ГН, U_ГН) и I_Гmin, U_Гmin).

Через точку с координатами (I_Гmin, U_Гmax) проводим горизонтальную линию, соответствующую ограничению по напряжению ТГ.

Через точку с координатами (I_Гmax, U_Гmin) проводим вертикальную линию, соответствующую ограничению по току ТГ.

Гиперболический участок внешней характеристики строим по данным верхней части таблицы 2.4. Полученная кривая обязательно должна пройти через точку продолжительного режима работы ТГ с координатами (I_ГН, U_ГН).

Результаты вычислений оформляем в виде таблицы 2.4, две верхние строки которой содержат точки гиперболического участка внешней характеристики ТГ.

Таблица 2.4

Гиперболический участок внешней характеристики ТГ
IГ, А	3241	3500	4000	4500	5000	6562
UГ, В	720	667	583	518	467	355
IД= IГ/m, А	540	583	667	750	833	1093
ПП б=1,00	ФД, Вб	0,0613	0,063	0,065	0,068	0,07	0,072
	МД, Нм	2639	2886	3406	4007	4851	6323
	nД, об/мин.	1093	995	844	716	626	454
ОП1 б=0,55	ФД, Вб	0,046	0,048	0,05	0,053	0,0565	0,064
	МД, Нм	1981	2199	2620	3123	3698	5581
	nД, об/мин.	1449	1306	1097	919	776	514
ОП2 б=0,30	ФД, Вб	0,032	0,033	0,037	0,04	0,0425	0,047
	МД, Нм	1378	1512	1939	2357	2782	4099
	nД, об/мин.	2083	1899	1482	1218	1031	700

2.4 Расчет и построение электромеханических и электрических тяговых характеристик ТЭД с учетом параметров КМБ

Электротяговые характеристики F_КД=f(I_Д) и V_КД=f(I_Д) отражают изменение механических параметров на ободе колеса. Поэтому они также называются электромеханическими характеристиками ТЭД, отнесенными к ободу колеса локомотива.

Зависимость силы тяги F_КД на ободе колеса, развиваемой двигателем, от тока якоря I_Д можно рассчитать по известной моментной характеристике М_Д=f(I_Д) и параметрам колесно-моторного блока. При этом взаимная связь величин F_КД и М_Д определяется соотношением

F_КД =2М_Дмз_з /D_К, кН(2.17)

где D_К - диаметр колеса локомотива по кругу катания, м;

м - передаточное число зубчатой передачи колесно-моторного блока;

з_з - к.п.д. зубчатой передачи, равный 0,975.

Скоростная характеристика V_КД=f(I_Д), отнесенная к ободу колеса, рассчитывается по электромеханической характеристике n_Д=f(I_Д) ТЭД с учетом того, что скорость движения локомотива принято выражать в км/ч:

V = 0,188 n_Д D_К / м, км/ч (2.18)

Таблица 2.5 Электротяговые характеристики тягового привода локомотива

IД, А	540	583	667	750	533	1093
ПП б=1,00	FКД, кН	21,62	23,63	27,89	32,82	37,52	51,78
	V, км/ч	48,9	44,5	37,8	32,0	28,0	20,3
ОП1 б=0,55	FКД, кН	16,22	18,00	21,46	25,58	30,29	45,71
	V, км/ч	64,9	58,5	49,1	41,1	34,7	23,0
ОП2 б=0,30	FКД, кН	11,28	12,38	15,88	19,3	22,78	33,57
	V, км/ч	93,2	85,0	66,3	54,5	46,1	31,3

2.5 Расчет и построение тяговой и токовой характеристик с учетом ограничений

Для обеспечения устойчивости локомотивов против боксования устанавливают так называемый расчетный коэффициент сцепления ш_К, величина которого меньше потенциального ш₀. При этом сила тяги по сцеплению составляет

F_КСЦ= ш_К Р_СЦ, кН (2.19)

Расчетный (нормативный) коэффициент сцепления локомотива ш_К определяют экспериментальным путем и задают так, чтобы обеспечить практически приемлемую надежность движения полновесных поездов (поездов расчетной массы) по тяжелым подъемам при плохих условиях сцепления.

В данной курсовой работе характеристики сцепления ш_К⁼f(V) можно считать следующими:

для электровозов постоянного тока

ш_К =0,28 + 3 / (50 + 20 V) - 0,0007 V (2.20)

для магистральных тепловозов

ш_К = 0,118 +5/ (V+ 27,5) (2.21)

Для построения тяговых характеристик локомотивов предварительно необходимо рассчитать силу тяги по сцеплению F_КСЦ при различной скорости движения локомотива.

Таблица 2.6 Сила тяги локомотива по сцеплению

V, км/ч	0	15	30	45	60	75	90	105	120
шК	0,3	0,24	0,20	0,19	0,175	0,167	0,16	0,156	0,152
FКСЦ, кН	406,1	324,9	270,8	257,2	236,9	226,1	216,6	211,2	205,8

Диапазоны изменения скорости можно, в первом приближении, принять равными 0-30 км/ч для тепловозов и 0-50 км/ч для электровозов

2.6 Построение тяговых и токовых характеристик локомотивов

Тяговой характеристикой локомотива называют графическую зависимость касательной силы тяги F_К от скорости движения V при установившихся режимах на разных позициях регулирования (позициях контроллера машиниста).

Токовая характеристика представляет графическую зависимость тока электровоза I_Э или тока тягового генератора (ТГ) тепловоза I_Г, от скорости V при установившихся режимах на разных позициях контроллера машиниста.

Тяговые и токовые характеристики необходимы для расчетов движения поездов, перегрева обмоток тяговых электрических машин, расхода энергии локомотивами на перемещение поездов. Наиболее точно эти зависимости определяют экспериментальным путем, в процессе специальных испытаний локомотивов. Полученные графики F_К=f(V) и I=f(V) официально регламентируют «Правилами тяговых расчетов для поездной работы».

На стадии проектирования локомотивов указанные зависимости F_K=f(V) и I=f(V) можно построить по электротяговым характеристикам. Для этого необходимо пересчитать данные таблицы 2.5, а именно:

а) Определить значения тока локомотива по величинам тока ТЭД:

- ток тягового генератора тепловоза I_Г, - по формуле (2.11);

где Р_ГР - число параллельных групп ТЭД, которое на ходовых позициях "П"

составляет Р_ГР =3 при n_ОС=6 и Р_ГР =4 при n_ОС=8;

б) определить значения касательной силы тяги локомотива F_К

Таблица 2.7 Рабочие характеристики локомотива

IГ, А	3241	3500	4000	4500	5000	6562
ПП б =1,00	FК, кН	129,6	141,81	167,39	196,91	225,13	310,71
	V, км/ч	48,9	44,5	37,8	32,0	28	20,3
ОП1 б =0,55	FК, кН	97,33	108,04	128,76	153,47	181,71	274,28
	V, км/ч	64,9	58,5	49,1	41,1	34,7	23,0
ОП2 б =0,30	FК, кН	67,71	74,28	95,28	115,83	136,69	201,42
	V, км/ч	93,2	85,0	66,3	54,5	46,1	31,6

Порядок построения рабочих характеристик тепловоза заключается в следующем:

1. В координатах V, I_Г построить линии ограничений максимального I_Гmin и минимального I_Гmin тока ТГ.

2. Рассчитать значения силы тока ТГ, соответствующие автоматическим переходам ТЭД с одного режима возбуждения на другой:

ток переходов ПП <=> ОП₁,

I_ГП-1 ? (I_Гmin + I_ГН +160)/2, А (2.22)

I_ГП-1 = (3241+ 4861 +160)/2 = 4131 А

ток переходов ОП₁ <=> ОП₂,

I_ГП-2 ? (I_Гmin + I_ГН -20)/2, А (2.23)

I_ГП-2 = (3241 + 4831 -20)/2 = 4026 А

Используя значения I_ГП-1 и I_ГП-2 построить горизонтальные линии переходов ПП<=>ОП₁, и ОП<=> ОП₂.

3. По данным таблицы 2.7 построить график I_Г=f(V) и определить скорости тепловоза V_П-1 и V_П-2, соответствующие переходам ПП<=>ОП₁ и ОП₁<=>ОП₂.

4. Используя данные таблицы 2.7 и токовую характеристику I_Г=f(V), построить тяговую характеристику тепловоза F_K=f(V); показать ограничения силы тяги по максимальному току ТГ F_KДОП и по сцеплению F_KСЦ, а также ограничение конструкционной скорости тепловоза V_К.

5. По графику I_Г=f(V) определить скорость продолжительного режима тепловоза V_ДЛ соответствующую номинальной силе тока ТГ I_ГН, а по значению V_ДЛ - длительную силу тяги тепловоза F_КДЛ.

Полученные значения основных технических параметров локомотива следует внести в таблицу 2.8

Таблица 2.8 Основные технические параметры локомотива (тепловоза)

Режим работы	Параметры	Ограничения
	сила тяги, кН	скорость, км/ч
1) Продолжительный	FKДЛ=235	VДЛ=27	----
2) Расчетный	FKР=253	VР=23,4
3) Трогание с места	FKТР=300	----

Расчетным режимом работы локомотива называют режим, характеризуемый величинами расчетной силы тяги F_KР и расчетной скорости V_Р. По этим параметрам определяют так называемые расчетные нормы массы составов на участках железных дорог.

Для электровозов постоянного тока параметрами расчетного режима обычно являются координаты точки "порога", образованной пересечением кривых F_KСЦ=f(V) и F_K=f(V), построенной для параллельного соединения и полного возбуждения ТЭД (ходовая позиция «П-ПП»). В этом случае расчетная сила тяги F_KP ограничена по сцеплению колес локомотива с рельсами. Если уровень силы сцепления F_KСЦ превышает ограничение силы тяги по максимальному току F_KДОП, то расчетная сила тяги ограничивается не сцеплением, а максимальным током электровоза (такое ограничение характерно для пассажирских электровозов). Тогда можно считать, что F_KР= F_KДОП.

Расчетный режим тепловозов принято устанавливать по параметрам продолжительного режима работы тяговых электромашин. Если в результате проектирования тепловоза оказалось, что величина F_KДЛ превышает силу тяги по сцеплению F_КСЦ при скорости V_ДЛ, то значение расчетной силы тяги F_KP и расчетной скорости V_Р принимают по точке "порога" тяговой характеристики.

Помимо расчетной силы тяги, другим важным параметром локомотива является сила тяги при трогании с места F_KTP. Ее величина может быть ограничена по сцеплению либо по максимальному току локомотива. Первый случай характерен для грузовых и маневровых локомотивах, а второй -- для пассажирских.

Заключение

При выполнении курсового проекта мною были изучены основные физические процессы, происходящие в колесно-моторном блоке локомотива при преобразовании электрической энергии в механическую.

Мною были решены следующие задачи

1.Определены параметры ТЭД на номинальном режимеI _ДН= 810,18 А

U _ДН =480 В

Ф _ДН = 0,07 Вб

2.Рассчитана характеристика намагничивания ТЭД

3. Построены кривые намагничивания ТЭД при различных режимах возбуждении.

4. Расчитана и построена тяговая характеристика генератора

5. Построены электромеханические и электротяговые характеристики.

6. Рассчитана и построена тяговая и токовая характеристика с учетом ограничений. электровоз генератор электродвигатель

7. Определены максимальный, минимальный ток и напряжение тягового генератора

U_min=355B I_min = 3241A

U_max = 720В I_max = 6562A

Рассчитана мощность генератора в продолжительном режимеР_ГН = 2333 кВт

10. Выбран тепловоз прототип 2ТЭ-10М

11. Рассчитаны основные технические параметры локомотива

F_КДЛ = 235 кН

F_КР = 253 кН

F_КТР = 300 кН

V_ДЛ = 27 км/ч V_Р = 23,4 км/ч

Список использованной литературы

1. Зорохович А.Е., Крылов С.С. Основы электротехники для локомотивных бригад: Учебник для техн.школ. - М.: Транспорт, 1987.- 414 с.

2. Дробинский В. А., Егунов П.М. Как устроен и работает тепловоз. - М.: Транспорт, 1980. - 367 с.

3. Сидоров Н.И. Как устроен и работает электровоз. - М.: Транспорт, 1980.- 223 с.

4. Луков Н.М., Стрекопытов В.В., Рудая К.И. Передачи мощности тепловозов: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. Н.М.Лукова -М.: Транспорт, 1987. - 279 с.

5. Тепловозы: Основы теории и конструкция: учебник для техникумов /В.Д.Кузьмич, И.П.Бородулин, Э.А.Пахомов и др.; под ред. В.Д.Кузьмича.-М.:Транспорт, 1991.-352 с.

6. Электрические железные дороги: учебник для вузов ж.-д. трансп. /В.А.Кисляков, А.В.Плакс, В.Н.Пупынин и др.; под ред. А.В.Плакса, В.Н.Пупынина. - М.:Транспорт, 1993. - 280 с.

7. Бирюков И.В., Беляев А.И., Рыбников Е.К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог.-М.:Транспорт, 1986. - 256 с.

8. Бородин А.П. Электрическое оборудование тепловозов: Учебник для средних ПТУ. - М.: Транспорт, 1988. - 287 с.

9. Вилькевич Б.И. Автоматическое управление электрической передачей и электрические схемы тепловозов. - М.:Транспорт, 1987. - 272 с.

10. Теория электрической тяги / В.Е.Розенфельд, И.П.Исаев, Н.Н.Сидоров, М.И. Озеров; под ред. И.П.Исаева. - М.: Транспорт , 1995. - 294 с.

11. Подвижной состав и тяга поездов: учебник / Третьяков А.П., Деев В.В., Перова А.А. и др.; под ред. В.В.Деева, Н.А.Фуфрянского. -М.: Транспорт, 1979. - 368 с.

12. Режимы работы магистральных электровозов / О. А. Некрасов, А.Л.Лисицын, Л.А.Мугинштейн, В.И.Рахманинов; под ред. О.А.Некрасова. -М.: Транспорт, 1983. - 231 с.

13. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985. - 287 с.

Размещено на Allbest.ru