Теория подвижного состава. Тягово-скоростные свойства

Ускорение при разгоне вычисляем по формуле (2.6). Результат представлен на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Ускорение при разгоне

Изменение скорости электробуса во времени рассчитываем по выше описанной методике. Результаты показаны на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Изменение скорости электробуса по времени

101

Путь, проходимый электробусом во время разгона (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Изменение пути, проходимого электробусом

Изменение скоростиэлектробусаот пройденногопути– нарис. 2.9.

Рис. 2.9. Зависимость скорости электробуса от проходимого пути

Ответ. В результате решения задачи построены все графики, необходимые для расчета критериев ТСС исследуемого электробуса.

102

Таким образом, построив графики а = f(t), = f(t) и = f(s), можно определить разгонные свойства (приемистость) подвижного состава, а при их неудовлетворительных значениях – подобрать необходимое изменение крутящего момента и обороты вала тягового электродвигателя при разгоне и построить требуемую ДХ.

При определении величины силы сопротивления воздуха коэффициент сопротивления воздуха kв и площадь лобового сопротивления Алоб выбирают исходя из предварительной эскизной компоновки подвижного состава или по аналогии с существующим подвижным составом.

Поверочный расчет. В процессе этого расчета уточняются параметры выбранного тягового электродвигателя и проверяется его работоспособность в наиболее тяжелых условиях. Для проверки режимов работы удобно пользоваться динамической характеристикой подвижного состава – графическое изображение зависимости дина-

мического фактора D от скорости D = f( ), здесь D = (Fк – Fв)/G, с выбранным тяговым электродвигателем Для ее построения необ-

ходимо иметь величины КПД ТЭД дв и всех узлов трансмиссии тр. Неустановившееся движение подвижного состава по ровной опор-

ной поверхности описывается уравнением:

mx Fк (Ff Fв F д).

Полученное уравнение, как уже известно, называется уравнением тягового баланса подвижного состава: сумма всех сил сопротив-

ления движению равна силе тяги (сумме сил тяг ведущих колес) подвижного состава. Графическое изображение уравнения тягового баланса в координатах сила тяги машины – скорость подвижного состава называется тяговой характеристикой подвижного состава

(рис. 2.10). Для ее построения используются зависимости:

103

Рис. 2.10. Тяговая характеристика подвижного состава

С помощью тяговой характеристики решается целый ряд задач, связанных с движением подвижного состава. Однако использовать этот график для сравнительной оценки тягово-скоростных свойств различного подвижного состава затруднительно, поскольку ПС имеет различные массы и разные силы тяги ведущих колес.

Сила тяги ведущих колес и сила сопротивления воздуха при заданной скорости движения целиком зависят от конструкции и технического состояния ПС. Разность сил тяги и сопротивления воздуха – свободная сила тяги, которая может быть использована для преодоления сопротивления опорной поверхности и разгона ПС. Отношение свободной силы тяги к весу ПС, как указывалось выше, называется динамическим фактором и обозначается буквой D:

G

Следовательно, теперь уравнение (2.8) можно записать в виде:

D f i вр x.

g

104

Графическое изображение зависимости динамического фактора от скорости движения подвижного состава называется динамической характеристикой. С помощью динамической характеристики можно сравнивать тягово-скоростные свойства подвижного состава различной массы.

В то же время необходимо отметить, что при изменении нагрузки подвижного состава изменяется и его динамическая характеристика. Пересчет динамического фактора при нагрузке, отличающейся от номинальной нагрузки, может быть проведен по формуле:

D D mm ,

где D и m – соответственно динамический фактор и масса подвижного состава при нагрузке, отличной от номинальной.

Максимальные значения окружных сил ограничены сцеплением колес с опорной поверхностью. Поскольку максимальное сцепление ведущих колес с опорной поверхностью имеет место при движении подвижного состава с малой скоростью, при подсчете максимального динамического фактора, ограниченного сцеплением, в выражении (2.9) пренебрегают силой сопротивления воздуха:

D Fk Gсц .

G G

Особыми точками динамической характеристики, по которым целесообразно проводить сравнение тягово-скоростных свойств ПС и автомобилей как транспортных средств, движущихся в одном

транспортном потоке, являются: максимальная скорость max и динамический фактор при максимальной скорости D ; значение динамического фактора при минимальной частоте вращения вала тяго-

вого электродвигателя Dmax и соответствующая ему скорость D. Для проверки работоспособности тягового электродвигателя на

динамической характеристике D = f( ) берутся точки, соответствующие наиболее характерным режимам работы подвижного состава, (рис. 2.11). К таким режимам относятся:

–движение с максимальной скоростью;

–движение с минимальной скоростью.

105

Рис. 2.11. Динамическая характеристика ПС с характерными точками

Рассмотрим каждый режим работы ПС в отдельности.

Режиму максимальной скорости соответствует минимальный динамический фактор Dmin. Тяговый электродвигатель работает в этом случае при максимальной частоте вращения nmax и развивает при этом минимальный крутящий момент Мдв.min.

Зная крутящий момент двигателя Mдв и частоту вращения его ва-

ла nдв, по характеристикам ТЭД определяются КПД двигателя дв потребляемая величина тока Iдв или напряжения Uдв.

Минимальная скорость движения min, как правило, используется для преодоления подвижным составом максимального сопротивления. Последнее имеет место при трогании и разгоне подвижного состава и движении на подъем. В этом случае величина динамического фактора максимальна. Отметив на динамической характеристике эту точку, для нее, как и для режима максимальной скорости, находят все необходимые оценочные параметры. На этом режиме допускается некоторая перегрузка тягового электродвигателя. В связи с тем, что характеристика тягового электродвигателя является основой для расчета параметров движения подвижного состава, рассмотрим расчет характеристик тяговых электродвигателей.

106

2.4. Расчет и построение характеристик электродвигателей

В процессе этого расчета уточняются параметры выбранного тягового электродвигателя и проверяется его работоспособность в наиболее тяжелых условиях.

Тяговые электродвигатели переменного тока. С развитием полу-

проводниковой техники и созданием надежных, малогабаритных статических преобразователей частоты самым эффективным и достаточно экономичным способом регулирования скорости вращения асинхронных электродвигателей является частотный способ. При выборе тягового электродвигателя и преобразователя частоты необходимо учитывать следующие параметры:

–диапазон регулирования частоты вращения вала электродвигателя с целью определения числа полюсов двигателя и номинальной частоты вращения вала двигателя;

–нагрузочную характеристику, которая определяет ограничения, связанные с охлаждением двигателя и выходом в зону ослабленного поля, т. е. на частоту вращения вала двигателя выше его номинальной частоты по техническим условиям на двигатель;

– требуемый вращающий момент тягового электродвигателя

сцелью определениямощности двигателя;

–тип и мощность преобразователя частоты должны учитывать будет ли управлениеосуществляться одним двигателем или группой.

Мощность тягового электродвигателя Рдв должна быть больше мощности нагрузки (сопротивления движению подвижного состава)

Рнагр, т. е. Рдв > Рнагр. Мощность преобразователя частоты выбирается так, чтобы номинальный ток электродвигателя Iэд.ном был меньше

или равен току на выходе преобразователя частоты Iпч, Iпч Iэд.ном. Частотное регулирование обычно применяют в тех случаях, когда требуется изменять частоту вращения вала и электромагнитный момент электродвигателя в широких пределах. Такие условия возникают, например, в транспортных машинах (автомобилях, троллейбусах, электробусах, трамваях) с электрической трансмиссией.

На рис. 2.12 приведена принципиальная характеристика асинхронного тягового электродвигателя, необходимая для машины с электромеханической трансмиссией.

107

а

б

Рис. 2.12. Характеристика тягового асинхронного ЭД:

а– зависимость мощности ЭД от оборотов его вала; б – зависимость вращающего момента электродвигателя от оборотов его вала: 1 – максимальная выходная мощность; 2 – вращающий момент; 3 – действительная выходная мощность; 4 – максимальный момент; 5 – номинальный момент; 6 – частота вращения ротора при максимальном моменте; 7 – номинальная частота вращения;

8 – максимальная частота вращения ротора

На начальном участке механической характеристики, т. е. в период разгона машины от nдв = 0 до nдв = nдв.ном, необходимо поддерживать постоянный вращающий момент электродвигателя (nдв.ном – номинальная частота вращения вала двигателя, рис. 2.12, б). Затем при изменении частоты от nдв.ном до nдв.max электродвигатель должен работать при постоянной мощности, т. е. постепенно уменьшать момент электродвигателя, чтобы с возрастанием частоты вращения

выполнялось условие Мдв дв = Мдв nдв/30 = Рдв = const.

108

Идеальная скоростная характеристика ЭД должна отвечать следующим требованиям: мощность ЭД остается постоянной в рабочем диапазоне частоты вращения вала электродвигателя от nдв.min до nдв.max, а вращающий момент изменяется по гиперболе.

Чтобы получить требуемую характеристику электродвигателя, следует изменять не только частоту питающей сети, но и значение напряжения, подводимого к электродвигателю. Эти параметры питающей сети должны иметь определенную зависимость, при которой обеспечивается устойчивая работа тягового электродвигателя, не происходит его чрезмерной нагрузки по току, магнитному потоку и т. п. Выбранный закон управления тяговым электродвигателем необходимо реализовать посредством достаточно простого и надежного автоматического устройства.

Одной из тенденций в области энергосберегающих технологий последних лет является применение частотно-регулируемых приводов на основе асинхронных короткозамкнутых электродвигателей и полупроводниковых преобразователей частоты, снижающих потребление электрической энергии, повышающих степень автоматизации, удобство эксплуатации электропривода.

Асинхронный двигатель общего применения сконструирован так, что оптимальная плотность электромагнитного потока достигается у него при номинале питающего напряжения U = 200 В и частоте f = 50 Гц. Если изменяется частота питающего напряжения, то одновременно требуется изменить напряжение питания электродвигателя. Это необходимо для поддержания постоянной величины скольжения электродвигателя. Управление асинхронным электродвигателем с изменением частоты вращения называется управлением с постоянным отношением напряжения к частоте U/f. На практике применяют линейное и квадратичное отношения U/f.

Отношение U/f – линейное. Напряжение на тяговом электродвигателе растет линейно с увеличением частоты вращения вала двигателя. Номинальное напряжение подается на двигатель при номинальной частоте. Линейное отношение U/f используется в электроприводах с постоянным моментом сопротивления на валу (не зависящим от скорости рабочего органа) Мнагр = const.

Отношение U/f – квадратичное. Напряжение ЭД изменяется по квадратичной зависимости по мере возрастания частоты вращения вала от f = 0 Гц до номинальной частоты fном питающего напряжения.

109

При этом на ЭД подается номинальное напряжение при номинальной частоте. ЭД работает с уменьшенным магнитным потоком на частотах ниже номинальной частоты. При этом он имеет меньший критический вращающий момент, чем при линейном отношении U/f, и создает меньше шума. Квадратичное соотношение U/f используется для приводов, в которых момент сопротивления пропорционален квадрату скорости. Таковым является аэродинамический момент сопротивления движению машины.

Из сказанного следует, что система управления ТЭД транспортной машины с электромеханической трансмиссией должна регулировать отношения U/f как по линейному, так и по квадратичному законам. Однако при движении в городских условиях скорости движения подвижного состава невелики, поэтому в первом приближении аэродинамическим моментом сопротивления движению можно пренебречь и момент сопротивления движению подвижного состава принять постоянным.

Водитель подвижного состава, воздействуя на педаль управления электродвигателем, задает необходимую в реальных дорожных условиях скорость движения подвижного состава. На каждом конкретном участке пути необходимо увеличивать или уменьшать скорость, либо поддерживать ее постоянной. В процессе движения подвижного состава электродвигатель может работать в двигательном

(тяговом) режиме, когда Мдв 0, или в генераторном (тормозном) режиме, при котором Мдв 0.

Частота вращения вала электродвигателя nдв и вращающий момент Мдв являются фазовыми координатами, характеризующими режим работы электродвигателя. Они зависят от режима движения подвижного состава и определяются сопротивлением движению и его скоростью. Так как условия движения постоянно меняются, то значения фазовых координат nдв и Мдв также переменны и определяют рабочую точку Rдв.i характеристики электродвигателя. В этой точке электродвигатель развивает некоторую мощность

Pдв.i Mдв.i дв.i n30дв.i Mдв.i .

При установившемся движении подвижного состава положение рабочей точки Rдв.раб остается неизменным, т. е. nдв.раб = const и

110