УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫЙ ТРАНСПОРТ 6 страница


Рис. 3.5. Потери холостого хода тягового электродвигателя

 

Откуда

(3.10)

 

В тяговом электродвигателе постоянного тока подводимая мощность равна UДIД следовательно,

 

(3.11)

 

или

(3.12)

 

КПД тягового электродвигателя можно определить, если изве­стны подведенная мощность и потери мощности в двигателе. По­тери в двигателях определяют расчетным путем или эксперимен­тально при испытаниях на стенде.

Характерная кривая зависимости КПД оттока двигателя приведе­на ранее на рис. 3.4. В зоне малых нагрузок КПД низок, в зоне номи­нальных нагрузок имеет наибольшее значение, а затем при увеличе­нии нагрузки снижается. Низкий КПД при малых нагрузках объясняемся большим влиянием механических потерь, а снижение К11Д в зоне боль­ших нагрузок увеличением электрических потерь [19].

3.2. Электромеханические характеристики тягового электродвигателя, отнесенные к ободам колес

 

На электроподвижном составе постоянного тока зависимость скоро­сти движения v, силы тяги на ободах колесной пары FКД и КПД h от тока электродвигателя IД при неизменном напряжении и постоянной темпе­ратуре обмоток двигателей называют электромеханическими характеристиками, отнесенными к ободам колес. Их приводят при тех же темпе­ратурах обмоток, что и характеристики на валу электродвигателя.

Электромеханические характеристики, отнесенные к ободам колес, можно получить пересчетом их характеристик на валах тяговых дви­гателей. Вал якоря связан с колесной парой (рис. 3.6) через зубчатую передачу (редуктор), причем шестерня 4, соединенная с валом якоря тя­гового двигателя 3, имеет обычно меньшее число зубьев, чем зубчатое колесо 2. насаженное на ось колесной пары или на удлиненную ступицу колесного центра 1. Отношение чиста зубьев зубчатого колеса к числу зубьев шестерни называют передаточным отношением редуктора m.

 


Рис. 3.6. Схема передачи вращающего момента от тяги

электродвигателя на колесную пару

 

Зависимость между частотой вращения вала тягового электро­двигателя и скоростью движения локомотива определяется следу­ющим образом.

Линейная скорость на ободах колесных пар, м/с.

 

(3.13)

 

где D- диаметр колес колесной пары, м;

nК - частота вращения колесной пары, об/мин.

Частота вращения колесной пары nК меньше частоты вращения вала тягового электродвигателя в m раз:

 

В практике работы железнодорожного транспорта скорость измеря­ют в км/ч. В теории тяги посадов также пользуются этой размерностью. Поэтому в формулу (4.13) вводят переводной коэффициент. Так как 1 м = 1/1000км и 1с = 1/3600ч,то 1м/с = (1/1000)/(1/3600) = 3,6км/ч.

Тогда скорость, км/ч.

 

или

(3.14)

 

Чтобы найти связь между скоростью движения v и током IД, подставим в формулу (3.14) значение частоты вращения из (3.4):

 

 

Обозначив постоянные для данного электровоза или моторного вагона параметры через получим

 

(3.15)

 

 

Зависимость скорости движения от тока тягового электродви­гателя v(IД) называют скоростной характеристикой. Ее можно по­строить, проведя расчеты по формуле (3.15).

Из формулы (3.1) следует, что ЭДС Е определяется как разность между напряжением на тяговом электродвигателе и падением на­пряжения в его обмотках. Тогда из выражения (3.15) получают

 

Е = СФv. (3.16)

Выражение (3.15) можно также получить из рис. 3.2 с учетом того, что напряжение, подводимое к тяговому электродвигателю, уравно­вешивается

электродвижущей силой и падением напряжения в его об­мотках, т.е.

 

UД = Е+IД r или UД = CФ v +IД r, (3.17)

 

откуда и выводится формула (3.15).

Если электродвигатель получает питание от преобразовательной установки, то его скоростные характеристики приводят не при постоян­ном напряжении, а при напряжении, определяемом характеристикам» преобразователя.

Коэффициент полезного действия тягового электродвигателя, отнесенный к ободам колесных пар, учитывает не только потери в тяговом двигателе ∆РД , но и потери в передаче ∆Рп :

 

∆Р = ∆РД + ∆Рп. (3.18)

 

Потери в передаче ∆РД включают в себя потери на трение в зубчатой передаче и моторно-осевых подшипниках при о порно-осевой подвеске тягового электродвигателя или в зубчатой передаче и под­шипниках редуктора при опорно-рамном подвешивании.

Поэтому КПД п тягового двигателя, отнесенный к ободам ко­лес, меньше КПД тягового электродвигателя и с учетом (3.12) и (3.18) равен:

 

(3.19)

 

3.3. Сравнение характеристик тяговых двигателей при различных способах возбуждения

Из формул (3.15) видно, что скорость и сила тяги зависят от магнитного потока. Поэтому нужно выяснить, как изменяется магнит­ный поток или Пропорциональная ему величина СФ от тока якоря.

При последовательном возбуждении токи якоря и возбуждения оди­наковы (при полном возбуждении) и магнитный поток Ф или СФ изме­няется по магнитной или нагрузочной характеристике (при IД =Iя =Iв) (кривая 1, рис. 3.8). В двигателях параллельного или независимого воз­буждения магнитный поток создается неизменным по значению током возбуждения. В машинах без компенсационной обмотки с увеличением тока якоря магнитный поток несколько снижается из-за размагничива­ющего действия реакции якоря (кривая 2); в компенсированных маши­нах он остается практически постоянным при разных токах якоря.

 


Рис. 3.8. Зависимость СФ от тока тяговых двигателей различных систем возбуждения:

1- последовательного; 2 - параллельного или независимого: 3 – смешанного

В электрических машинах смешанного возбуждения магнитный по­ток образуется обмотками параллельного и последовательного возбуж­дения; при токе IД = 0 он создается только одной обмоткой параллельно­го возбуждения (точка СФ0 на кривой 3). Если магнитодвижущая сила обмотки последовательного возбуждения действует согласно с магнито­движущей силой обмотки параллельного возбуждения, то с увеличением тока якоря магнитный поток и СФ возрастают (от точки СФ0 вправо). Из-за насыщения магнитной системы СФ увеличивается медленно по сравнению с машинами последовательного возбуждения. В случае встречного включения обмоток их магнитодвижущие силы вычитаются. С уве­личением тока якоря магнитный поток и СФ уменьшаются по магнит­ной характеристике (кривая 3 левее точки СФ0). На рис. 3.8 первый ква­дрант соответствует режиму двигателя, второй - режиму генератора.

При последовательном возбуждении электродвигателя с увеличе­нием тока IД возрастает и магнитный поток. Как видно из формулы (3.15), при постоянном напряжении UД числитель дроби с повышени­ем тока несколько уменьшается за счет увеличения падения напряже­ния в обмотках (IД r), а знаменатель - возрастает. Следовательно, ско­рость движения с увеличением тока IД будет снижаться вначале интенсивно, а затем более плавно (рис. 3.9, а), в соответствии с темпом увеличения магнитного потока, который при больших токах возрас­тет незначительно из-за насыщения магнитной системы (рис. 3.8).

return false">ссылка скрыта

Характеристику, при которой с изменением тока или силы тяги скорость движения изменяется значительно, называют мягкой; если же колебания скорости малы, характеристику называют жесткой. Тяговый электродвигатель последовательного возбуждения обла­дает мягкой скоростной характеристикой в зоне малых токов и более жесткой - при больших токах IД.

В зоне малых токов, когда магнитный поток изменяется в зависи­мости от тока IД почти по прямой линии, электромагнитная сила тяги пропорциональна квадрату тока. В зоне больших токов IД из-за насыщения магнитной системы магнитный поток изменяется незначительно, и сила тяги возрастает почти пропорционально току. Поэтому характеристика FКД ЭМ (IД) при малых токах близка к параболе, а при больших - к прямой линии.

Электротяговая характеристика FКД (IД) располагается ниже кривой FКД ЭМ (IД) на величину ∆F, вызванную магнитными и механическими потерями в тяговом электродвигателе и потерями в передаче. Эта характеристика пересекает ось абсцисс в точке 01, (см. рис. 3.9, а), которая соответствует холостому ходу электродвигателя. Кривая КПД h (IД) имеет обычный для электрических машин вид с наибольшими значениями в зоне номинальных токов нагрузки. При хо­лостом ходе (точка 01,) КПД равен нулю, и вся подводимая мощность расходуется на покрытие потерь в тяговом электродвигателе (в основ­ном механических) и передаче. Повышение нагрузки вызывает снижение скорости движения, относительное уменьшение механических потерь, и КПД резко возрастает. В зоне больших токов КПД снижается вследст­вие влияния повышенных электрических потерь в меди обмоток. При параллельном или независимом возбуждении скоростная характеристика v (IД) жесткая (рис. 3.9, б) из-за незначительного изменения магнитного потока. Снижение скорости движения с увеличением тока вызвано возрастающим падением напряжения в обмотках тягового электродвигателя. Электромагнитная сила тяп изменяется пропорционально току IД в связи с тем, что магнитный поток остается почти постоянным (незначительно изменяется вследствие действия реакции якоря).


Рис.3.9. Электромеханические характеристики тягового электродвигателя:

a - последовательного возбуждения; б - параллельного возбуждения; в - смешанного возбуждения

 

Электротяговая характеристика FКД(IД) также располагается ниже характеристики FКД ЭМ (IД) на величину ∆F, возникающую из-за магнитных и механических потерь в электродвигателе и потерь в передаче [16].

Если принять магнитный поток постоянным при разных токах IД , то в соответствии с формулой (3.16) с увеличением скорости будет возрастать ЭДС, наводимая в обмотке якоря, вызывая снижение тока IД . При скорости vо ЭДС сравняется с подведенным напряже­нием, а ток IД будет равен нулю. Дальнейшее повышение скорости движения, например на крутом спуске, вызовет наведение в обмот­ке якоря ЭДС, превышающей подведенное напряжение. Ток нач­нет протекать от тягового электродвигателя в сеть - IД или IДР. Это генераторный режим работы электродвигателя (режим рекуперации).

С изменением направления тока падение напряжения в формуле (3.15) будет прибавляться к ЭДС, и с увеличением тока скорость будет возра­стать, как показано на рис. 3.9, б. Произведение положительного маг­нитного потока на отрицательный ток даст отрицательное значение электромагнитной силы тяги. Это - тормозная электромагнитная сила - FКД ЭМ, показанная в третьем квадран­те. Тормозная сила - FКД больше электромагнитной па величину ∆F, так как сила, вызванная магнитными и механическими потерями в эле­ктродвигателе, работающем в 1-енераторном режиме, и потерями в пе­редаче, действует в одном направлении с тормозной силой [8].

Точка 01 соответствует холостому ходу тягового электродвигателя.

Тяговые электродвигатели смешанного возбуждения имеют хара герметики, приведенные на рис. 3.9, в. При согласном включе­нии обмоток параллельного и последовательного возбуждения характеристики v (IД) , FКД(IД) занимают промежуточное положение между характеристиками электродвигателей последовательного и па­раллельного возбуждения. При увеличении скорости движения ток в режиме двигателя уменьшается, а затем переходит через нуль и из­меняет направление. Тяговый электродвигатель переходит в генера­торный режим, при котором обмотка последовательного возбуждения действует встречно с обмоткой параллельного возбуждения.

С увеличением тока IДР генераторного режима магнитный поток машины уменьшается. Тормозная сила вначале возрастает за счет более интенсивного роста тока IДР и меньшего снижения магнитного потока Ф (из-за насыщения магнитной системы), а затем, достигнув максимума (-FКД мах) начинает вследствие снижаться более интенсивного уменьшения магнитного потока, вызываемого обмоткой последовательного возбуждения.

 

3.4. Тяговые и удельные тяговые характеристики электроподвижного состава

 

Скоростная и электротяговая характеристики позволяют опре­делить силу тяги при дайной скорости движения в такой последо­вательности: по скорости движения г находят ток IД, а по нему - силу тяги FКД - развиваемую колесной парой. Однако для определе­ния сил, действующих на поезд, необходимо установить силу тяги локомотива непосредственно от скорости движения. Для этого пользуются тяговой характеристикой, показывающей зависимость силы тяги локомотива FК от скорости движения v. Ее строят по ско­ростной и электротяговой характеристикам следующим образом.

Силу тяги локомотива FК в ньютонах, равную произведению силы тяги, реализуемой каждой колесной парой, на число движущих ко­лесных пар или тяговых электродвигателей, определяют по формуле

 

FК =nКД FКД , (3.20)

 

 

где nКД - число тяговых двигателей или движущих колесных пар.

 

Практически это выполняется следующим образом: из электроме­ханических характеристик, отнесенных к ободу колеса (рис. 3.10, а). определяют скорость движения v1, и силу тяги FКД1 при токе IД1. Затем FКД1 умножают на число тяговых двигателей или движущих колесных пар и вычисляют по формуле (3.20) силу тяги локомотива FКД1. Значение скорости откладывают по оси абсцисс графика (рис. 3.10, б), а силу - по оси ординат. Полученная точка с координатами (v1,FК1) находится на тяговой характеристике электроподвижного состава [21].

 


 

Рис. 3.10. Построение тяговой характеристики электроподвижного состав

 

Аналогично, задаваясь токами IД2 , IД3, находят скорости движе­ния v2 ,v3, силы тяги FКД2 FКД3, а затем рассчитывают силы тяги FК2 FК3 и определяют точки для построения тяговой характеристи­ки и т.д. Соединив полученные точки плавной кривой, получают тяговую характеристику. Обычно берут 8-10 точек, причем на скоростных характеристиках их располагают чаще в местах резко­го изменения направления линии и - реже при небольших изгибах характеристик с обязательным использованием точек, соответству­ющих номинальным (часовому и продолжительному) режимам [19].

Каждому способу возбуждения тягового электродвигателя соответ­ствует своя тяговая характеристика. На рис. 3.11 приведены тяговые ха­рактеристики электроподвижного состава при различных системах воз­буждения электродвигателей, отличающихся степенью снижения силы тяги с увеличением скорости движения, которую характеризует коэффи­циент жесткости характеристик, χ определяемый по формуле

 

 

Тяговые характеристики, при которых сила тяги снижается с ростом скорости, имеющие значение χ, называют жестокими (кривая 2), а при небольшом снижении илы тяги и меньшим χ - мягкими (кривая 1 или 1¢, особенно в зоне малых сил тяги и больших скоростей). Тяговые характеристики электроподвижного состава при ис­пользовании электродвигателей параллельного возбуждения - жесткие. Тяговые характеристики при электродвигателях последо­вательного возбуждения имеют разную жесткость в зависимости от степени насыщения магнитной системы. При установке элект­родвигателей с высоким насыщением тяговые характеристики име­ют большую жесткость и в зоне высоких скоростей обеспечивают сравнительно небольшие силы тяги (кривая 1). Значит, в этой зоне не полностью используется мощность электродвигателей. Поэтому у совре­менных электродвигателей предусматривают сравнительно малое насы­щение магнитной системы и мягкие характеристики (кривая 1'), позволя­ющие полнее использовать мощности в зоне высоких скоростей.

 

 


Рис.3.11. Тяговые характеристики электроподвижного состава с электродвигателями различных систем возбуждения

 

Тяговая характеристика при электродвигателях со смешанным возбуждением (кривая 3 на рис. 3.11) по своей жесткости занимает среднее положение между характеристиками электродвигателей па­раллельного и последовательного возбуждения.

Рабочая юна на тяговых характеристиках ограничивается условия­ми надежной работы электроподвижного состава. В зоне высоких ско­ростей тяговая характеристика (рис. 3.12) ограничена наибольшей допустимой (или

конструкционной) скоростью движения (линия 1). В зоне больших значений силы тяги она обычно ограничена или силой тяги, развиваемой электродвигателем при наибольшем допустимом токе по коммутации (кривая 2), или по условиям сцепления колесных пар с рельсами (кривая 3). При больших токах ухудшение коммутации вызвано недопус­тимым искрением под щетками, которое может перейти в круго­вой огонь по коллектору.

Наибольший допустимый ток по комму­тации при номинальном напряжении - это ток, который при стендовых испытаниях не вызывает опасного для работы электро­двигателя искрения под щетками. В соответствии с ГОСТ 2582-81 * установлен наибольший ток по коммутации для тяговых двигате­лей, равный их двойному номинальному (часовому) току (2 Iдч).

 

 

Рис. 3.12. Ограничения тяговых характеристик

 

 


В эксплуатационных условиях наибольший ток по коммутации понижают до (1,4-1,7) Iдч в связи с более тяжелыми условиями работы электродвигателей на электроподвижном составе по сравнению с ра­ботой на стенде вследствие динамических воздействии, колебаний на­пряжения сети, повышенной влажности воздуха и т.п. Ограничение силы тяги по коммутации определяют следующим образом: для за­данного значения наибольшего тока но электротяговым характерис­тикам тягового двигателя определяют силу тяги FКД , пересчитывают ее в FК и наносят на тяговую характеристику (линия 2 на рис. 3.12).

Сила тяги по сцеплению колес с рельсами зависит от нагрузки, передаваемой колесными парами на рельсы, условий сцепления и конструктивных особенностей электроподвижного состава.

Из двух ограничений - по коммутации тяговых электродвига­телей и сцеплению колес с рельсами -действительным ограничением силы тяги на каждой тяговой характеристике или при одина­ковых скоростях является та, которая имеет меньшее значение и располагается на графике FК(v) ниже.

Как правило, на грузовых электровозах наибольшая сила ограничивается сцеплением колесе рельсами, а на электропоездах и некоторых пассажирских электровозах - по коммутации тяговых электродвигателей.

В случае изменения передаточного отношения зубчатой передачи и диаметра бандажей изменяются и тяговые характеристики электроподвижного состава. Пересчет тяговых характеристик в этом случае можно выполнить, пользуясь перестроением электромехани­ческих характеристик.

Зависимость удельной силы тяги от скорости движения называют удельной тяговой характеристикой. Удельную силу тяги fк (Н/кН) определяют, зная силу тяги электровоза или моторного вагона и вес по­езда mg, по формуле (3.21)

Fy = Fк - W - Вт. (3.21)

 

Удельную тяговую характеристику строят на основании тяговой характеристики с ограничивающими линиями. При этом для каж­дой скорости по тяговой характеристике определяют силу тяги FК и делят на вес поезда mg. Полученную точку, соответствующую зна­чениям fк1 и v1, наносят в осях координат fк и v. Для удобства выпол­нения последующих расчетов графическими методами построения удельной тяговой характеристики выполняют во втором квадранте. По оси ординат откладывают скорость, а по оси абсцисс влево от точки пересечения осей - удельную силу тяги (рис. 3.13).

Значения fк для других скоростей движения определяют анало­гично, а затем, соединив полученные точки плавной кривой, полу­чают характеристику удельных сил тяги от скорости движения.

 

На рис. 3.13 показана удельная тяговая характеристика (кривая 1) и линия ограничения по сцеплению колес с рельсами (кривая 2).

 

 


Рис. 3.13. Удельная тяговая характеристика

 

3.5. Выбор характеристик электродвигателей для тяги поездов

 

Требования, предъявляемые к тяговым двигателям. В процессе эксплуатации тяговые двигатели должны удовлетворять специфи­ческим требованиям, предъявляемым условиями тяги поездов. Ос­новными из этих требований являются:

- электрическая устойчивость режимов работы;

- механическая устойчивость движения поезда;

- равномерное распределение нагрузок между параллельно

работающими тяговыми электродвигателями;

- возможно меньшие изменения нагрузки электродвигателей

при колебаниях напряжения в контактной сети;

- наименьшие изменения потребляемой мощности тяговыми
электродвигателями при движении поезда по различным элементам профиля пути;

- возможно более полное использование пропускной способности железнодорожных линий;

- по возможности плавное и экономичное регулирование ско­рости в широком диапазоне;

- наименьший расход энергии на тягу поездов;

- использование рекуперативного торможения;

- наилучшее использование сил сцепления колесных пар с рельсами; надежность в работе тяговых электродвигателей [19].

 

3.6. Пути энергосбережения на тягу поездов

 

Известно, что на тягу электропоездов тратится большое количество электроэнергии, в частности, на тягу электропоездов метрополитена расходуется более трети потребляемой метрополитеном электроэнергии. Экономия электроэнергии обуславливается рациональной конструкцией подвижного состава (ПС) и его правильной эксплуатацией: использованием максимально возможной силы тяги, реализацией высоких значений коэффициента сцепления, использованием запасов кинетической энергии для преодоления подъемов, правильным выбором скорости начала торможения.

Основная часть энергетических ресурсов расходуется на выполнение механической работы по перемещению поезда. В тяговом режиме, при подключении двигателей к контактной сети, энергия затрачивается на преодоление сил сопротивления движению, сопровождаемое изменением потенциальной и кинетической энергий. Потенциальная энергия поезда определяется профилем пути. При движении на подъеме потенциальная энергия увеличивается, на спуске – уменьшается. При этом она может перейти при ускорении в кинетическую энергию, либо при механическом и реостатном торможении - в тепловую. Кинетическая энергия поезда пропорциональна квадрату скорости движения ПС и его приведенной массе. На приобретение поездом требуемой кинетической энергии для поддержания заданной скорости и выполнения установленного графика движения затрачивается значительная часть механической работы, выполняемой тяговым приводом.

Расход электрической энергии помимо механической работы по перемещению поезда определяется и потерями энергии при преобразовании ее из одного вида в другой.

Для уменьшения потребляемой электроэнергии следует увеличивать пусковое ускорение и уменьшать скорость начала торможения, что обеспечит уменьшение потерь на торможение.

Вследствие повышения скорости ПС тяговые двигатели раньше выйдут на автоматическую тяговую характеристику, сократится время движения с включенными двигателями, уменьшится скорость начала торможения и соответственно тормозные потери, что скомпенсирует рост пусковых потерь. Высокие значения ускорения тем выгоднее, чем меньше длина перегона. Удельный расход электроэнергии примерно одинаков как при малых ускорениях и длинных перегонах, так и при больших ускорениях на коротких перегонах. На рис. 3.14 представлены кривые движения, отражающие влияние пускового ускорения на расход поездом электроэнергии.

 

Рис.3.14. Влияние пускового ускорения на расход поездом электроэнергии

 

У кривой движения с большим значением пускового ускорения больше продолжительность выбега (без потребления энергии из сети) и меньше скорость начала торможения, а значит и затраты энергии на торможение.

На расход энергии влияет ослабление поля тяговых двигателей (рис. 3.15).

Нижняя кривая 1 отвечает полному полю возбуждения и наиболее высокой скорости начала торможения, кривые 2 и 3 представляют режимы движения при первой и второй ступенях ослабления поля. При следовании на ослабленном поле снижаются и пусковые потери, так как t3 < t2 <t1. Таким образом, чем глубже ослабление, тем больше экономия энергии.

 

 

 

Рис. 3.15. Зависимость расхода электроэнергии от ослабления поля тяговых двигателей

 

Известно, что значение начального ускорения не должно превышать 0,4 м/с2, а максимальное значение ускорения, которое ограничивается реализуемым сцеплением и допустимым током двигателя, должно находится в пределах 1,8…2,0 м/с2. .

Исследования режимов движения и графиков потребляемого тока при движении подвижного состава, проведенном в Екатеринбургском метрополитене при участии студентов кафедры электрооборудования и автоматизации промышленных предприятий показали, что ослабление поля возбуждения и увеличение начального ускорения в среднем до 0, 886 м/с2. позволит уменьшить расход электроэнергии на 17% (расчетные данные, приведенные в табл. 3.2).

 

Табл. 3.2

Результаты внедрения системы энергосберегающих технологий на участке от ст.Проспект космонавтов до ст.Площадь 1905 г.

Перегон Время разгона, с Конечная скорость разгона, км/ч Ускорение, м/с2   Расход электро-энергии до внедрения, кВт ∙ч Расход электро-энергии после внедре-ния, кВт ∙ч Экономия электро- энергии, кВт∙ч
1.ст. Проспект космонавтов - ст.Уралмаш 0,55 12,6 12,51 0,09
2.ст.Уралмаш- ст.Машиностро-ителей 0,92 6,0 5,24 1,36
3.ст.Машиностро-ителей - ст.Уралмаш 1,02 4,7 2,02 2,68
4.ст.Уральская- ст.Динамо 0,89 6,0 4,92 1,08
5.ст.Динамо- ст.Площадь1905г 11,33 1,05 5,9 4,4 1,5
Итого:     0,886 35,8 29,09 6,11