1− Кабіна управління; 2 − струмоприймач (пантограф); 3 − відділення допоміжних машин;4 − високовольтна камера; 6 − рама візка; 8 − тягові двигуни

Дахове устаткування повинне бути виконане з обліком кліматичних і механічних впливів і повинне володіти високою електричною міцністю ізоляції.

У кузові електровоза розташування обладнання повинне забезпечувати безпеку виробництва оглядів, раціональне використання площі й обсягу кузова, наявність проходів з однієї кабіни в іншу, чи із секції в секцію, рівномірність навантаження на колісні пари. У кабіні машиніста знаходиться низьковольтна апаратура керування електровозом - контролер машиніста, вмикачі керування низьковольтною апаратурою, прилади і покажчики параметрів роботи електровоза.

Контролер машиніста призначений для приведення електровоза в рух, регулювання швидкості руху введенням пускових реостатів і переключенням схеми з'єднання двигунів, і зміни напряму руху. За допомогою кнопкових вимикачів, розташованих у кабіні на пульті керування, машиніст керує роботою основного і допоміжного устаткування.

У високовольтній камері й у кузові розташоване електросилове і допоміжне устаткування електровоза. До силового устаткування відносяться: груповий перемикач, індивідуальні електропневматичні й електромагнітні контактори, реверсори, апарати захисту високовольтного електричного кола.

Груповий перемикач з електропневматичним приводом своїми силовими контактами замикає і розмикає кола секцій пускових опорів і робить переключення схеми з'єднання тягових електродвигунів. На електровозах ВЛ10, ВЛ23 і ВЛ23м у груповому перемикачі використовуються кулачкові контактори типу КЭ-1. Кулачковий вал перемикача приводиться в обертання пневматичним приводом, яким керує машиніст за допомогою контролера. При обертанні кулачкового вала, кулачкові шайби впливають на важіль рухомого контакту кожного контактора, що замикає чи розмикає силові контакти. Блокувальні пристрої групових контакторів роблять з'єднання з іншими апаратами кіл керування. Силові контакти групових і індивідуальних контакторів мають дугогасівні котушки і дугогасівні камери. Під час розмикання контактів в електричному колі з великим значенням струму виникає дуга, що магнітним полем дугогасівної котушки "видувається" у дугогасивну камеру, де вона розривається і гасне.

Реверсор призначений для зміни струму в обмотках збудження тягових двигунів з метою зміни напряму руху локомотива. Реверсори виконуються барабанного типу з кільцевими контактами і кулачкового типу з кулачковими контактами. На електровозах постійного струму в основному застосовуються реверсори барабанного типу. До силових апаратів відносять також гальмові перемикачі, перемикачі напруги і допоміжних електричних машин. Усі ці перемикачі роблять переключення при відсутності струму, тому в них відсутні дугогасівні пристрої.

До допоміжного устаткування розміщеному в кузові електровоза відносяться мотор-генератор (перетворювач), мотор-компресор, мотор-вентилятори і генератор керування. На візках електровоза розміщені тягові електродвигуни, що служать для обертання рушійних колісних пар. На електровозах постійного струму використовуються тягові двигуни постійного струму. Конструкція тягового двигуна залежить від його електричних параметрів і способу його підвіски на локомотиві.

Існує два способи підвіски тягового електродвигуна: опорно-осьове й опорно-рамне ( електровози ЧС і електропоїзда ЕР-2, ЕР-9).

Рис. 21 Опорно-осьове підвішування ТЕД

При опорно-осьовому підвішуванні (див. мал.21) корпус двигуна спирається через пружну підвіску 7 на поперечну балку рами візка 6, а через моторно-осьові підшипники 3 на вісь колісної пари 1. Моторно-осьові підшипники утримаються на вісі шапкою 4, яка за допомогою болтів 5 скріплюється з корпусом двигуна. У шапці знаходиться мастило для змазування моторно-осьових підшипників. Це підвішування забезпечує постійну міжцентрову відстань між віссю шестірні вала тягового двигуна і віссю зубчастого колеса, насадженого жорстко на вісь колісної пари, але збільшує не підресорну масу візка.

При рамному підвішуванні (Див. мал. 22) опори двигуна розташовані на підресореній рамі візка. Пружний зв'язок між валом якоря і колісною парою зменшує ударні навантаження, при русі локомотива по нерівностях шляху, поліпшує умови роботи щіткового вузла двигуна, знижує динамічні навантаження на верхню будову колії. Двигун зв'язують з колісною парою за допомогою порожнистого вала, карданної передачі чи шарнірних муфт .

А В

Рис.22 Опорно-рамне підвішування ТЕД:

А − з шарнірною муфтою; В − з порожнистим валом

Тягові двигуни постійного струму виконуються звичайно на номінальну напругу 1500 в. Двигун (див. мал.23) має литий сталевий остов, що є корпусом двигуна і його магнітною системою. У залежності від способу підвіски на остові маються припливи і кронштейни для його кріплення, вікна для проходження охолодного повітря, оглядові люки для обслуговування колектора якоря і щіткового апарата, а по торцях прорізи для кріплення підшипникових щитів. До остова кріпляться болтами головні і додаткові полюси. Головні полюси призначені для створення робочого магнітного потоку. Головний полюс складається із сердечника набраного зі штампованих сталевих листів, ізольованих друг від друга лаковим покриттям для зменшення вихрових струмів. На сердечнику міститься котушка, виконана з міді прямокутного перетину з теплостійкою ізоляцією.

Рис. 23. Чотирьохполюсний тяговий двигун постійного струму НБ-406Б:

1,5 − натискні шайби; 2 − котушка головного полюса; 3 − сердечник головного

полюсу; 4 − сердечник якоря; 6,13 − роликові підшипники; 7 − бандажі якорю;

8 − додатковий полюс; 9 − котушка додаткового полюсу; 10 − колектор;

11 − щіткотримач; 12 − вал якорю; 14 − підшипниковий щит; 15 − остов;

16 − втулка якорю

Додаткові полюси призначені для компенсації реакції якоря і складаються із сердечника, як правило литого сталевого, і котушки з мідної ізольованої шини. Так як для тяги потягів застосовують в основному двигуни з послідовним збудженням, то котушки головних і додаткових полюсів з'єднують послідовно з обмоткою якоря.

Якір призначений для створення магнітного потоку при проходженні струму по обмотці і передачі обертаючого моменту на тягову передачу. Якір складається з вала, на який насаджена втулка із сердечником якоря і колектором і зубчаста шестірня. Сердечник якоря, подібно сердечнику головного полюса, набраний зі штампованих сталевих листів і має канали для проходження охолодного повітря і пази для укладання обмотки якоря. Обмотка якоря з ізоляцією укладається в пази й утримується пластмасовими клинами і дротовими бандажами. Кінці секцій обмотки якоря припаюються до колектора.

Колектор набраний з мідних пластин ізольованих друг від друга миканитовою ізоляцією. При обертанні якоря колектор утворить ковзний контакт із щітками, через які на обмотку якоря надходить електричний струм.

У тягових двигунах застосовуються тверді електромагнітні щітки, що містяться в щіткотримачі і зусиллям пружини притискаються до поверхні колектора. Щіткотримачі кріпляться на ізоляторах до торцевій стінки остова чи до поворотної траверси.

До торцевих прорізів остова кріпляться болтами підшипникові щити, у яких розміщаються роликові підшипники з ущільненнями. У підшипниках міститься вал якоря машини. Тягові електродвигуни електровозів виконуються з незалежною вентиляцією від мотор-вентилятора, електропоїздів із само вентиляцією – від вентилятора насадженого на вал тягового двигуна.

На електровозах і електропоїздах постійного струму застосовуються тягові електродвигуни типу ДПЭ-400 А, НБ-406 А, ТЛ-2, АL 4846 ет, ДК-106 Б, РТ-113 і ін.

Контрольні запитання:

1. Яка напруга у контактній мережі постійного струму?

2. Силове обладнання електровозів постійного струму.

3. Розміщення обладнання на електровозі постійного струму.

4. Будова візка електровозу.

5. Способи підвішування тягових двигунів.

6. Призначення головних полюсів тягового двигуна.

7. Призначення якоря тягового двигуна.

8. Будова тягового двигуна постійного струму.

Тема 5

Робочі характеристики тягових двигунів постійного струму

Метою теми є вивчення й аналіз робочих характеристик тягових електродвигунів постійного струму на валу двигуна і віднесених до обода рушійного колеса.

Література, що рекомендується:

1. Осипов С.И. и др. Основы локомотивной тяги. − М.: Транспорт, 1979. −440 с.

2. Третьяков А.П. Подвижной состав и тяговое хозяйство железных дорог. − М.: Транспорт 1971. − 352 с.

3. Розенфельд В.Е. і ін. Теория электрической тяги. − М.: Транспорт, 1983. − 328 с.

Робочі характеристики тягового електродвигуна виражають основні властивості двигуна і можуть бути використані для виробництва тягових розрахунків і визначення основних технічних показників локомотива.

При подачі напруги на двигун по обмотці якоря і обмоткам збудження проходить струм, під дією якого виникає магнітне поле якоря і магнітне поле головних полюсів. У результаті взаємодії цих магнітних потоків якір електродвигуна починає обертатися з частотою обертання, величина якої залежить від параметрів магнітних потоків,напруги на двигуні і струму.

Частота обертання якоря ТЕД визначається формулою:

об/хв (1)

Ф - магнітний потік головних полюсів (Вб);

- напруга на двигуні (в.); - струм двигуна (а);

- опір обмоток двигуна (ом);

С- конструктивна постійна двигуна.

Конструктивна постійна двигуна залежить від конструкції двигуна:

(2) р - число пар полюсів;

N - число провідників обмотки якоря;

а - число пар паралельних гілок обмотки якоря.

При обертанні якоря на валу його виникає обертаючий момент

Нм (3)

к.к.д. електродвигуна;

ω- углова швидкість, рад/с. рад/с

Знаючи параметри тягової передачі, тобто передаточне число редуктора , к.к.д. електродвигуна ; к.к.д. зубчастої передачі і діаметр колеса локомотива можна визначити механічні параметри в точці торкання колеса з рейкою.Характеристики двигуна виражені в графічній формі установлюють взаємозалежність його основних параметрів.

Робочі характеристики можуть бути електромеханічні (характеристики на валу двигуна) і електротягові ( на ободу рушійних коліс).

Електромеханічні характеристики виражають залежності швидкості обертання якоря, n(об/хв.), обертаючого моменту на валу двигуна М(Нм), к.к.д. на валу двигуна від струму якоря. Електротягові характеристики виражають залежності швидкості руху локомотива V(км/год), сили тяги F(кН) і к.к.д. віднесені до обода колеса від струму двигуна. Характеристику виражаючу залежність швидкості руху локомотива від струму двигуна (а) називають швидкістною характеристикою.

Рис. 24

З електромеханічної характеристики видно (див. мал. 24), що частота обертання двигуна (n) зі збільшенням струму електродвигуна зменшується спочатку різко, а потім уповільнено. При малих струмах характеристика n=f( ) м'яка, а при великих струмах тверда.

Залежність обертового моменту на валу двигуна М=f( ) при малих струмах виражена кривою лінією, тому що при росту струму двигуна в цій зоні збільшується в однаковій мірі магнітний потік якоря і магнітний потік головних полюсів. Однак при подальшому росту струму відбувається насичення магнітних полюсів і обертаючий момент росте пропорційно тільки збільшенню магнітного полю якоря. Тому залежність М=f( ) у зоні великих струмів виражена прямою лінією.

По графічній залежності к.к.д. двигуна від струму видно, що к.к.д. досягає максимального значення при визначеному значенні струму двигуна, близькому до номінального. Електромеханічні характеристики на валу тягового електродвигуна можна перерахувати на обід колеса, використовуючи параметри тягового редуктора і колеса.

Лінійна швидкість на ободі колеса в (м /с) :

м/хв. (4)

D - диаметр рухомого колеса (м);

- частота обертання колеса ( об /хв).

чи значення швидкості в (км/год) : (5)

З огляду на те, що маємо (6)

- частота обертання вала двигуна;

– передатне відношення зубчатої передачі.

Поставивши у формулу 6 значення з формули 1 одержимо рівняння швидкісної характеристики для обода коліс

км/год. (7)

Позначивши у формулі 7 постійну для конкретного електровоза величину одержуємо формулу для швидкісної характеристики

км/год. (8)

Для побудови електротягової характеристики F_дк = f(I_дв) можна використовувати залежності

Н. (9)

Чи, виражаючи через швидкісну характеристику і к.к.д. двигуна ( )

(10)

Використовуючи формули (8) та (10) можна побудувати швидкісну й електротягову F=f(I_д) характеристики двигуна. (див. мал. 25)

Рис. 25 Характеристики тягового електродвигуна ТЛ-2ДО1 електровозів ВЛ10 і ВЛ10У

Тягові електродвигуни (ТЕД), що встановлені на електрорухомому складі та на тепловозах з електричною передачею роблять під різною напругою, в залежності від положення контроллера машиніста. Крім того на ходових позиціях діе декілька ступенів ослабленого збудження, які послідовно зменшують магнитний потік головних полюсів ТЕД. Тому для тягового електродвигуна існують електротягові характеристики для роботи в режимі кожної позиції, але на проміжних позиціях рекомендується працювати короткочасно, тільки при розгоні поїзда. Для виробництва тягових розрахунків використовуються характеристики тільки для робочих позицій при повному й ослабленному збудженні.

Маючи електротягові характеристики двигуна, можна побудувати тягову характеристику F_к=f(v) для однієї колісної пари. Практично це робиться в такий спосіб: задаючись різними значеннями зі швидкісної й електротягової характеристик беруться значення V та F_д відповідні цим струмам і відкладаються в системі координат V - F. З'єднавши отримані крапки плавною кривою одержуємо залежність F_k = f(v). Для одержання тягової характеристики електровоза необхідно ординати функції F_k = f(v) помножити на кількість ведучих колісних пар електровоза, і за отриманим значенням побудувати криву F = f(v) .

Тягові характеристики для ходових позицій усіх локомотивів представлені в графічному та табличному вигляді в «Правилах тягових розрахунків» (ПТР).

Для приклада розглянемо як виглядають тягові характеристики електровоза постійного і змінного струму.

Рис.26 Рис.27

На мал. 26 показані тягові характеристики електровоза ВЛ22м з тяговим електродвигуном НБ-411. Характеристики виконані для безреостатних (ходових) позицій при сериесном (С), сериес-паралельному (СП) і паралельному з'єднанні тягових двигунів із двома ступінями ослаблення поля (ОП-1 і ОП-2).На характеристиці показане обмеження по струму, зчепленню і швидкості переходу на ослаблення поля.

Як виглядають тягові характеристики електровоза змінного струму ВЛ60пк видно з мал.27. Характеристики дані для всіх ходових позицій при повному полі, а на 33-ій позиції для трьох ступіней ослаблення поля.

Контрольні питання:

1. Від чого залежить частота обертання якоря електродвигуна?

2. Що виражають електромеханічні характеристики електродвигуна?

3. Які залежності відбиті в електротяговій характеристиці?

4. М'яка і тверда характеристика. Привести приклади.

5. Від яких параметрів залежить швидкість на ободі колеса?

6. Сила тяги на ободі колеса і її залежності.

7. Порядок побудови тягової характеристики тепловоза.

8. Обмеження на тяговій характеристиці і їх значення.

Тема 6

Принципи і способи регулювання сили тяги і швидкості руху ЕПС постійного струму

Рекомендована література:

1. Калинин В.К. Електровозы и електропоезда. − М.: Транспорт, 1991. − 480с.

2. Тихменев Б.Н., Трахтман Л. М. Подвижной состав. Электропоезда. Теория работы электрооборудования. Электрические системы и аппараты. − М.: Транспорт, 1980.

3. Электровозы ВЛ10 и ВЛ10 ^у. Руководство по эксплуатации. − М.: Транспорт, 1981.

У темі № 5 дан аналіз швидкісних і електротягових характеристик тягового електродвигуна постійного струму.

З характеристик і формули (8) випливає, що для регулювання швидкості руху електровоза з тяговими електродвигунами постійного струму необхідно змінювати напругу на двигуні і його магнітний потік.

Найбільш розповсюдженими способами регулювання напруги на двигуні в ЕПС постійного струму, є перегрупування двигунів, тобто переключення схеми приєднання двигунів до тягової мережі, змінюючи в кожній схемі кількість послідовно включених двигунів. При цьому напруга на одному двигуні визначається по формулі

(в) (10)

Uc- напруга в контактній мережі постійного струму;

m - кількість послідовнo з'єднаних двигунів в одній вітці.

Для шестивісного і восьмивісного електровоза схеми з'єднання показані на мал.28

Рис.28. в) для шестивісного; г) для восьмивісного

Зі схеми з'єднань двигунів (мал.28) для шестивісного електровоза видно, що напруга на одному двигуні змінюється трьома ступінями від 500 в. при послідовному з'єднанні двигунів до 1500 в. - при паралельному. На восьмивісному електровозі напруга міняється аналогічно ступінями 375в, 750в, 1500 в.

При початку руху електровоза з місця тягові двигуни контактами перемикаючого пристрою включаються на послідовне з'єднання. У момент початку руху електровоза противоэлектрорушійна сила в обмотці якоря електродвигуна відсутня і тому подача на двигун первинної напруги 375в. чи 500в. викликає появу дуже великого струму, тому що омічний опір обмоток серіесного двигуна дуже малий. Наявність такого струму може викликати зрив колісної пари по буксуванню, небезпечні комутаційні процеси на колекторі, різкі ривки в потязі. Тому для обмеження величини пускового струму в коло тягових електродвигунів вводяться пускові реостати, тобто резистори, омічна величина опору яких може мінятися за допомогою комутуючої апаратури.

При цьому пусковий струм буде визначатися формулою, що випливає з закону Ома.

(а) (11)

- опір усіх обмоток двигуна;

- початковий опір пускового реостату, віднесений до одного двигуна.

В міру розгону електровоза в обмотці якоря двигуна з'являється противоерс Е= СФn яка зі збільшенням швидкості буде рости і зменшувати напругу на двигуні. Це приводить до подальшого зменшення струму

(а) (12)

Роблячи східчасте зменшення величини опору пускового реостата можна підтримувати середнє значення струму при розгоні. Тривала робота з включеними у коло двигуна ступінями реостата небажана, тому що вона приводить до нагрівання реостата і втратам енергії. Тому при розгоні поїзда машиніст локомотива плавно переводить рукоятку контролера від позиції до позиції, тим самим зменшуючи опір реостата до R_p=0 при виході на ходову позицію для даного з'єднання двигунів. Електровоз на ходовій позиції далі починає працювати по робочій тяговій характеристиці. Такий же процес відбувається після кожного перегрупування двигунів. У такий спосіб при контакторно - реостатному керуванні відбувається більш плавне збільшення напруги на двигуні, а отже і плавний ріст швидкості руху.

Як було сказано вище швидкість руху можна збільшувати і за рахунок зменшення магнітного потоку головних полюсів, тобто ослаблення збудження тягового електродвигуна.Це можна виконати двома способами - зміною числа витків обмотки головних полюсів чи підключенням паралельно обмотці головних полюсів шунтуючих опірів. Застосування одержав другий спосіб, тому що зміна числа витків обмотки значно ускладнює конструкцію і габарити ТЕД. (Мал..29)

Рис.29

При підключенні паралельно обмотці збудження шунтуючих опорів при незмінній напрузі, підведеній до двигуна, величина струму по обмотках збудження зменшується і приведе до збільшення оборотів двигуна і швидкості руху електровоза.

Відношення струму збудження ( ) до струму якоря ( у серієсного двигуна включаючи обмотку додаткових полюсів і компенсаційну) називають коефіцієнтом регулювання збудження ( )

(13)

Ослаблення збудження може мати кілька ступенів у результаті зміни величини шунтуючих опорів. Однак дуже велике ослаблення магнітного потоку головних полюсів може привести до неприємних комутаційних процесів на колекторі ТЕД.

Розглянемо процеси, що відбуваються в двигуні при ослабленні збудження. У момент включення резисторів ослаблення збудження величина струму в обмотці головних полюсів зменшується, викликаючи зменшення магнітного потоку головних полюсів. Це приводить до значного зменшення противоерс двигуна е=СФn , у результаті чого струм двигуна різко зростає (див.ф.12) тому що напруга й обороти двигуна поки залишаються незмінними. Ріст струму викликає збільшення сили тяги (див ф.10). Сила тяги стає більше сил опору, і потяг починає рухатися з прискоренням, збільшуючи швидкість. При збільшенні швидкості противоерс тягового двигуна зростає, приводячи до зменшення струму двигуна і сили тяги локомотива. Електровоз рухається з параметрами ходової тягової характеристики для ослабленого збудження (ОП1) з прискоренням доти , доки сила тяги зрівняється із силами опору. При зниженні швидкості руху електровоза відбуваються зворотні процеси.

Таким чином, при веденні поїзда машиніст електровоза, переключаючи позиції контролера, робить переключення пускових резисторів, схеми включення двигунів і ступенів ослаблення поля, тим самим змінюючи швидкість руху електровоза.

Контрольні питання:

1. Способи регулювання швидкості руху у електровозів постійного струму;

2. Призначення пускових реостатів і схема їх включення;

3. Схеми включення тягових електродвигунів і їх вплив на напругу на двигун.

4. Способи включення ослаблення збудження тягових електродвигунів;

5. Процеси, що відбуваються в тяговому електродвигуні при розгоні поїзда.