Расчет и построение тяговых характеристик электровозов

Тяговой характеристикой называют зависимость силы тяги электровоза F_К от скорости его движения V: F_К(V). Скорость электровоза V, км/ч регулируют различными способами: изменением напряжения на тяговых двигателях U_Д , В ступенчато или плавно, изменением величины пусковых резисторов R_П, Ом и изменением магнитного потока возбуждения Ф, Вб; это видно из выражения для определения скорости движения электровоза

, (1)

где I – ток двигателя, А; r_Д – активное сопротивление всех обмоток ТЭД, Ом; С_v – постоянная величина для конкретного двигателя.

Чтобы построить характеристику F_К (V), необходимо иметь кривую намагничивания стали тягового электродвигателя С_V Ф(I_В) и электротяговые F_КД(I) и V(I) – характеристики при номинальном напряжении ТЭД. Зависимости С_V Ф(I_В); F_КД(I) и V(I) в относительных единицах представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Характеристики тягового двигателя постоянного тока

в относительных единицах

Ток двигателя I/IH	0,25	0,50	0,75	1,00	1,50
Удельная ЭДС СVФ/ (СVФ)Н	0,50	0,76	0,96	1,00	1,11
Сила тяги FКД/ FКДН	0,13	0,38	0,67	1,00	1,66

Точки для построения характеристик электровоза получим, пересчитывая характеристики из относительных единиц в абсолютные по формулам:

; ; . (2)

В выражениях (2) неизвестны значения номинального (часового) тока I_H, удельной ЭДС и силы тяги двигателя . Номинальный ток ТЭД I_H рассчитаем по номинальной мощности

, Вт,

Отсюда

, А,

где =1500 В и 1000 В согласно исходным данным

– коэффициент полезного действия ТЭД, = 0,95.

Из выражения (1) определим номинальное значение удельной ЭДС тягового электродвигателя

, ,

где V_н – номинальная скорость движения электровоза; принимаем

V_н = V_p:

r_д – активное сопротивление всех обмоток ТЭД, рассчитываемое из условия, что при номинальном режиме падение напряжения на обмотках якоря, главных и дополнительных полюсов, компенсационной обмотке электродвигателя составляет (4…5) % от подведенного к тяговому двигателю напряжения, т.е. I_Я R_д=(0,04 – 0,05) U_дн, откуда

r_д = (0,04-0,05)U_дн / I_н, Ом.

Определим значение номинальной силы тяги электродвигателя

, тс (3)

где – коэффициент потери силы тяги в процессе преобразования электрической энергии в механическую: = 0,95.

Результаты расчетов сводим в таблицы 7 и 8 для электровозов постоянного и однофазно-постоянного тока

Таблица 7 – Расчетные точки характеристики двигателя электровоза

постоянного тока

Номера расчетных точек
Ток двигателя I, А
Удельная эдс СvФ,
Сила тяги ТЭД Fкд, тс

Таблица 8 – Расчетные точки характеристик двигателя электровоза

однофазно-постоянного тока

Номера расчетных точек
Ток двигателя I, А
Удельная эдс СvФ,
Сила тяги ТЭД Fкд, тс

Тяговые характеристики 8-осного электровоза строим по расчетным данным таблицы 9.

Таблица 9 – Расчетные точки тяговых характеристик электровоза

постоянного тока

Сила тяги электровоза FК, кН
Скорость движения, V1 км/ч	Напряжение B
Напряжение B
Напряжение B

В таблице 9 строку сила тяги электровоза заполняют, используя данные таблицы 7, умножив эти значения на число осей электровозов m=8. Напряжение , и рассчитать в зависимости от числа ТЭД электровоза, соединенных сериесно (С”), сериес-параллельно (СП) и параллельно (П) (см. таблицу 2). Скорость движения рассчитывают по выражению (1)

, ,

где – напряжение на ТЭД при соответствующем их соединении ( , и ), В.

Значения I, C_vФ используют из таблицы 7 для каждого значения , и .

Для построения зависимости F_К (V) для электровоза однофазно-постоянного тока используем таблицу 10. В таблице 10 строку « сила тяги электровоза» заполняют по данным таблицы 8, в которой строку « сила тяги» умножают на число двигателей m = 8. Значения F_К в таблице 7 и 8 одинаковы, так как сила тяги не зависит от напряжения на ТЭД (см. выражение (3)). Значение напряжений U_д1 – U_д33 для таблицы 10 рассчитаны в таблице 3. Значения скорости рассчитать по (1), используя значения I, С_vФ из таблицы 8.

Таблица 10 – Расчетные точки тяговых характеристик электровоза

однофазно-постоянного тока со ступенчатым регулированием напряжения

на тяговых двигателях

Сила тяги электровоза FК, кН
V1, км/ч	Uд1= В
V5	Uд5=
V9	Uд9=
V13	Uд13=
V17	Uд17=
V21	Uд21=
V25	Uд25=
V29	Uд29=
V33	Uд33=

Таблица 11 – Расчетные точки тяговых характеристик электровоза

однофазно-постоянного тока с плавным регулированием напряжения

на тяговых двигателях

Сила тяги электровоза FК, кН
V1, км/ч	Uд5=320 В
V2,км/ч	Uд9=640 В
V3,км/ч	Uд13=960 В
V4, км/ч	Uд17=1280 В

В таблице 11 строка «сила тяги электровоза» заполняется так же, как и в таблице 10. Напряжение холостого хода тягового трансформатора на каждой из четырех зон у всех вариантов одинаково (см. таблицу 11), так как одинаково U_дн =1000 В для всех вариантов. Скорость движения электровоза V_1, V_2, V₃ и V₄ рассчитываем по выражению (1), используя значения I, С_vФ из таблицы 8. Величина r_д такая же, как и сопротивление обмоток ТЭД (r_д) электровоза со ступенчатым регулированием напряжения.

3. Структурная электрическая схема

и тяговые характеристики электровоза ЭП10

К концу 70-х годов ХХ столетия был практически исчерпан резерв повышения мощности коллекторных тяговых двигателей магистральных электровозов постоянного и однофазно-постоянного тока |6|. Техническое обслуживание этих двигателей обходится дорого и требует больших затрат ручного, не поддающегося автоматизации труда для обслуживания щеточно-коллекторного узла. Опорно-осевое подвешивание ТЭД не позволяло реализовать значительные скорости. Применение плавного регулирования напряжения на коллекторных ТЭД, усовершенствование систем защиты от боксования, независимое возбуждение двигателей повысило тяговые свойства электровозов, но не дало возможности кардинально удовлетворить потребности эксплуатации.

Появление мощных управляемых полупроводниковых приборов позволило создать статические преобразователи частоты и числа фаз с габаритами и весом, приемлемыми для железнодорожного транспорта, что и определило стратегическое направление работ: создание эпс с бесколлекторными ТЭД. В 60-х годах был разработан вентильный (синхронный) тяговый двигатель и вскоре были построены опытные электровозы ВЛ80А и ВЛ80В с асинхронными и вентильными трехфазными ТЭД. В 1985 г. был создан двенадцатиосный отечественный электровоз ВЛ86Ф также с асинхронными двигателями. В 1997 г. были выпущены два электровоза ЭП200 с вентильными двигателями, в начале 2003 – был выпущен 6-осный электровоз двойного питания ЭП10 с асинхронными двигателями НТА-1200. Эти двигатели приняты за основу для использования их на перспективных электровозах для железных дорог, электрифицированных постоянным и переменном током (электровозы серии ЭП2, ЭП3, ЭП4, ЭП5 и ЭП9). На рисунке 4 представлена структурная схема питания ТЭД одной тележки электровоза ЭП10 от сети переменного тока =25 кВ, 50 Гц. На рисунке обозначено: А11…А14 – входные преобразователи (четырехквадратные выпрямители); А21…А23 – инверторы напряжения; С_z1, С_z2 – промежуточный контур постоянного тока; С_sk, LL1,2 – фильтр; М1, М2 – статорные обмотки ТЭД; U, V,W – фазы статорной обмотки; ТV1 – тяговый трансформатор;

2U1-2V1, 2U4-2V4 –вторичные обмотки тягового трансформатора; ХА1 – токоприемник; QF1 – главный выключатель; QS31 – разъединитель; QP11 – переключатель полуобмоток двигателей М1 и М2.

Регулирование режима работы асинхронных двигателей М1 и М2 осуществляется изменением частоты и величины питающего напряжения. Для этого используются статические преобразователи частоты АО71 и фаз А21, А22, А23 (рисунок 4). Форма кривой напряжения на обмотках статора М1 и М2 несинусоидальная. Несинусоидальность питающего напряжения, т.е. наличие высших гармонических составляющих, вызывает дополнительные потери в стали магнитопроводов и в меди обмоток статора и ротора, из-за чего снижается КПД на 2…3 % и cos φ – на 5 % |6|.

Асинхронные тяговые двигатели (АТД) на электровозе ЭП10 имеют плавное регулирование напряжения от V = 0 км/ч до максимальной скорости, поэтому правильно выбранная частота питающего напряжения существенно влияет на технико-экономические характеристики двигателя и электровоза. Известно, что частота вращения ротора АТД практически пропорциональна частоте тока статора |6|.

,

где – частота тока статора; Р – число пар полюсов.

В результате теоретических и практических разработок выявлено, что оптимальными характеристиками обладают шестиполюсные АТД (2р=6). В этом случае частота питающего напряжения тягового двигателя в номинальном режиме лежит в пределах 45…65 Гц. Основные технические характеристики двигателя НТА-1200 приведены на рисунке 5, из которого видно, что часовая мощность АТД 1200 кВт, ей соответствует вращающий момент М= 8,853к , частота тока статора f₁= 65,4 Гц, напряжение линейное статора U_л = 2183 В, фазный ток статора I_ф1 = 385 А. Если учесть, что расчетная часовая мощность тягового двигателя F_ч=52,917 кН, то часовая мощность 6-осного электровоза ЭП10 будет F_к=317,5 кН, что будет соответствовать, согласно рисунку 6 , часовой скорости 80 км/ч.

В пояснительной записке сравнить тяговые характеристики электровозов постоянного, однофазно-постоянного и электровозов ЭП10. Для чего для скорости 0,40 , V_ч= V_н= V_р , 50 и 10 км/ч по соответствующим тяговым характеристикам определить силу тяги и занести эти данные в таблицу 12.

Рисунок 4 – Структурная электрическая схема питания тяговых

двигателей М1 и М2 одной тележки электровоза ЭП10

Рисунок 5 – Рабочие характеристики двигателя НТА-1200 электровоза ЭП10

Рисунок 6 – рабочие характеристики электровоза ЭП-10

Таблица 12 – Сравнение силы тяги электровозов

Электровозы постоянного тока	Электровоз однофазно-постоянного тока	Электровоз ЭП10
Со ступенчатым регулированием	Со ступенчатым регулированием
V, км/ч	Fк, кН	V, км/ч	Fк, кН	V, км/ч	Fк, кН	V, км/ч	Fк, кН
Vр=		Vр=		Vр=		Vр=80	317,5
							317,5

4. Расположение оборудования на электровозе

В задании (таблица 1) студентам предложена одна из серии электровоза. В пояснительной записке следует указать серию электровоза, осность, род тока, развиваемую им мощность и силу тяги в часовом режиме, скорость, сцепной вес, передаточное отношение, коэффициент полезного действия. Эти данные можно выбрать из инструкционных книг, справочника и журналов «Локомотив» , рекомендованных в списке использованных источников (источники указаны в таблице 1 рядом с серией электровоза).

На последующих страницах данного раздела привести эскизы двух проекций кузова электровоза с указанием на них описываемого оборудования. Перечень описываемого оборудования приведен в подразделе 1.1 исходных данных.

Оборудование на эскизах не следует вычерчивать подробно, достаточно оборудование изобразить характерными очертаниями. Например, изображение токоприемника: прямоугольник (это рама), пересеченный двумя параллельными линиями, изображающими полоз.

Библиографический список

1. СТП П9-2-02. Стандарт предприятия. Оформление учебной документации курсовых и дипломных проектов (работ). – Ростов н/Д: РГУПС, 2002. – 200 с.

2. Ротанов, Н.А. [и др.]. Проектирование систем управления подвижным составом электрических железных дорог / Н.А. Ротанов [и др.]. – М.: Транспорт, 1964. – 352 с.

3. Правила тяговых расчетов для поездной работы. – М.: Транспорт, 1985. – 385 с.

4. Некрасов, О.А. [и др.]. Режимы работы магистральных электровозов /О.А. Некрасов [и др.]; Под ред. О.А. Некрасова. – М.: Транспорт, 1983. – 231с.

5. Тихменев, Б.Н. Подвижной состав электрифицированных железных дорог / Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахтман – М.: Транспорт, 1980. – 456 с.

6. Бахвалов, Ю.А. Моделирование электромеханической системы с асинхронным тяговым приводом / Ю.А. Бахвалов, А.А. Зарифьян, В.Н. Кашников [и др.]; Под ред. Е.М. Плохова. – М.: Транспорт, 2001. – 286 с.

7. Грузовые электровозы переменного тока: справочник / З.М. Дубровский, В.И. Попов, Б.А. Тушканов – М.: Транспорт, 1998. – 503 с.

8. Электровоз ЭП1 // «Локомотив» 1999. – №7. – № 8. – № 9. – № 10.

9. Электровоз ВЛ65 // «Локомотив» 2000 . – №3. – № 4. – № 7. – № 8. – № 9. – № 10.

10. Кравчук, В.В. Особенности конструкции и управления электровоза ВЛ65 /В.В. Кравчук, А.С. Поддавашкин [и др.] – Иркутск, 1997. – 133 с.

11. Электровозы ВЛ60 К и ВЛ60 ПК. Руководство по эксплуатации. – М.: Транспорт, 1993. – 399с.