Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тяговые аппараты и электрическое оборудование. Курс лекций
.pdf
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Электрическая тяга»
Курс лекций по дисциплине
«Тяговые аппараты и электрическое оборудование»
для студентов специальности
23.05.03 «Подвижной состав железных дорог»
всех форм обучения
A course of lectures
on the discipline «Traction devices and electric equipment»
for students of speciality 23.05.03 «Rolling stock of railways»
of all forms of study
Екатеринбург
УрГУПС
2018
УДК 629.423:621.337
Ф91
Фролов, Н. О.
Ф91 Тяговые аппараты и электрическое оборудование: курс лекций /
Н. О. Фролов. – Екатеринбург : УрГУПС, 2018.– 192, [2] с.
ISBN 978-5-94614-446-9
Курс лекций предназначен для изучения студентами специальности 23.05.03
«Подвижной состав железных дорог» дисциплины «Тяговые аппараты и электрическое оборудование» и базируется на содержании рабочей учебной программы по данному предмету. В курсе лекций изложены: теоретические основы
работы электрических контактов; сведения о конструкции, принципах работы и характеристиках приводов тяговых электрических аппаратов; основы теории электрической дуги отключения и устройств дугогашения (по материалам
канд. техн. наук Р. В. Чернова); отдельные группы аппаратов, применяемых на
электроподвижном составе (коммутационные, защитные, нагружающие, токосъемные и реле).
Текстовая часть курса лекций оформлена в соответствии с ГОСТ 2.105 – 95
ЕСКД «Общие требования к текстовым документам».
The course of lectures is intended for the students of the speciality 23.05.03 «Rolling
stock of railways» on the discipline «Traction devices and electric equipment» and based
on the content of the working academic program of the present subject. Theoretical
fundamentals of electric contacts work, information about construction, working
principles and characteristics of traction electric device drives, the fundamentals of
the theory of electric arc tripping and arc-suppression devices (based on the materials
of Candidate of Engineering Sciences R. V. Chernov), separated groups of devices,
which is used at electric rolling stocks (switching, protective, load, collector and relay)
are reviewed in the course of lectures.
The text part of the course of lectures is designed in accordance with State Standard 2.105 – 95 USDD «General requirement to text documents»
УДК 629.423:621.337
Издано по решению
редакционно-издательского совета университета
Автор: Н. О. Фролов, заведующий кафедрой «Электрическая
тяга», доцент, канд. техн. наук, УрГУПС
Рецензенты: А. Н. Антропов, старший научный сотрудник УО ОАО
«ВНИИЖТ», канд. техн. наук
И. С. Цихалевский, доцент кафедры «Электрическая
тяга», канд. техн. наук, УрГУПС
ISBN 978-5-94614-446-9 © Уральский государственный университет
путей сообщения (УрГУПС), 2018
Оглавление
Введение .......................................................................................................... 5
1 Особенности эксплуатации и конструкции
тяговых электрических аппаратов ...............................................................6
1.1 Назначение и классификация тяговых электроаппаратов.................6
1.2 Условия работы и требования, предъявляемые к ТЭА ......................7
2 Основы теории электрического контакта ................................................. 13
2.1 Назначение и классификация электрических контактов ................ 13
2.2 Требования, предъявляемые к контактам.
Материалы контакт-деталей, их характеристики ............................. 19
2.3 Переходное сопротивление электрического контакта,
его микрогеометрия. Контактное нажатие ....................................... 22
2.4 Тепловые характеристики контактных соединений
в установившемся режиме ................................................................ 26
2.5 Нестационарные тепловые процессы в контактных
соединениях. Размягчение, плавление и сваривание контактов ..... 28
2.6 Кинематика подвижных контактных систем ................................... 31
2.7 Вибрация контактов и способы ее снижения.
Физические процессы на размыкающихся контактах ..................... 36
2.8 Герконы .............................................................................................. 37
3 Приводы тяговых электроаппаратов ......................................................... 39
3.1 Определение и классификация ......................................................... 39
3.2 Электромагнитный привод ............................................................... 39
3.3 Электропневматический привод ....................................................... 48
3.4 Групповые приводы ........................................................................... 57
4 Основы теории электрической дуги отключения
и устройств дугогашения ............................................................................ 75
4.1 Дугообразование и дугогашение в контактных системах................. 75
4.2 Основные параметры и характеристики электрической дуги
отключения ........................................................................................80
4.3 Условия горения электрической дуги ............................................... 88
4.4 Показатели качества дугогашения ................................................... 93
4.5 Способы дугогашения и дугогасительные устройства ................... 101
3
5 Катушки тяговых электроаппаратов ....................................................... 118
5.1 Проволочные катушки ................................................................... 118
5.2 Шинные катушки ............................................................................ 120
5.3 Тепловые процессы в катушках. Коэффициент заполнения ......... 123
6 Аппараты защиты на ЭПС ....................................................................... 125
6.1 Виды аномальных режимов работы ТЭА.
Прямая и косвенная защита ............................................................ 125
6.2 Быстродействующие выключатели ................................................. 127
6.3 Главные выключатели ..................................................................... 145
6.4 Разрядники ....................................................................................... 148
7 Нагружающие аппараты ........................................................................... 151
7.1 Резисторы ......................................................................................... 151
7.2 Индуктивные шунты ....................................................................... 154
7.3 Реакторы........................................................................................... 156
8 Реле в цепях управления .......................................................................... 159
8.1 Определение, классификация, регулирование уставки реле ......... 159
8.2 Релейная диаграмма......................................................................... 161
8.3 Балансные реле ................................................................................ 163
8.4 Способы замедления работы реле ................................................... 171
8.5 Реле неэлектрических величин ....................................................... 173
9 Токоприемники ........................................................................................ 175
9.1 Общие сведения ............................................................................... 175
9.2 Характеристики токоприемников ................................................... 178
9.3 Конструкция крышевых токоприемников ..................................... 183
Список использованных источников......................................................... 191
4
Введение
Конструкция электроподвижного состава (ЭПС) включает:
– электрическое оборудование;
– тяговые и вспомогательные электрические машины;
– механическую часть;
– автотормозное оборудование.
Электрическое оборудование ЭПС состоит из тяговых электриче-
ских аппаратов (ТЭА), объединенных в единую систему управления.
Свойства и характеристики ТЭА позволяют использовать их
в сложных системах управления ЭПС, в устройствах защиты. Высоковольтные электроаппараты по требованиям электробезопасности управляются дистанционно через контроллер машиниста, либо
микропроцессорную систему управления, а также кнопочный пульт
управления.
Многообразие выполняемых функций ТЭА приводит к многообразию принципов их работы, конструктивных и технологических
решений, для понимания которых необходимо знать особенности
процессов, возникающих в коммутационных устройствах, приводах
и других элементах аппаратов.
Так как тяговые электроаппараты представляют собой электротехнические устройства, студентам для их успешного изучения потребуются, прежде всего, знания теоретических основ электротехники.
С другой стороны, как любой другой специальный предмет, дисциплина «Тяговые аппараты и электрическое оборудование» базируется на дисциплинах математического и научно-инженерного цикла,
поэтому студенты в процессе обучения будут обращаться к разделам
механики, магнетизма, электричества, термодинамики и ряда других научных областей.
В результате изучения теоретической части курса студенты освоят компетенцию ПСК-3.4 ФГОС по специальности 23.05.03 в части
знания устройства и характеристик электрических аппаратов и электрооборудования электроподвижного состава.
5
1 Особенности эксплуатации и конструкции
тяговых электрических аппаратов
1.1 Назначение и классификация тяговых электроаппаратов
Тяговые электрические аппараты (ТЭА) – это аппараты специального исполнения, предназначенные для работы на тяговом подвижном составе.
Перечень тяговых аппаратов, устанавливаемых на локомотивах,
состоит из нескольких сотен единиц и весьма многообразен, поэтому их классифицируют по множеству признаков, рассмотрим основные из них.
По уровню рабочего напряжения ТЭА подразделяют на:
– низковольтные (до 110 В): контроллер машиниста, блокировочные контакты (блок-контакты), кнопочные выключатели, авторегуляторы электрических и неэлектрических величин, автоматические
выключатели, электромагнитные вентили и др.;
– высоковольтные (свыше 110 В): контакторы, токоприемники,
быстродействующий и главный выключатели, разрядники, пусковые
и тормозные резисторы, индуктивные шунты, переходные и сглаживающие реакторы и др.
По роду выполняемых функций ТЭА делят на две большие группы:
– исполнительные;
– распорядительно-информативные.
К исполнительным тяговым аппаратам относят:
– силовые аппараты (устанавливаются в цепи тяговых электродвигателей): электропневматические контакторы, токоприемники, быстродействующий и главный выключатели, пусковые резисторы и др.;
– аппараты вспомогательных цепей: электромагнитные контакторы, электропечи и др.
К распорядительно-информативным – аппараты управления, которые работают в низковольтных электрических цепях.
По способу воздействия на цепь тяговые аппараты бывают:
– коммутационные (осуществляют переключения в цепях): контакторы, переключатели, полупроводниковые ключи, контроллер
машиниста, кнопочные выключатели и др.;
6
– параметрические (изменяют параметры цепей): резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, управляемые полупроводниковые приборы.
Для коммутационных ТЭА существует дополнительная классификация:
– по принципу действия;
– по количеству рабочих положений.
По принципу действия коммутационные ТЭА различают на:
– контактные, когда при работе аппарата его токоведущие части соединяются либо разрываются (для реализации перемещений
подвижных частей такие аппараты оснащаются различными видами привода);
– бесконтактные, когда в конструкции аппарата применены ферромагнитные или полупроводниковые элементы, при работе которых
не происходит механических перемещений рабочих органов (такие
аппараты не требуют применения приводных систем и по сравнению
с контактными обладают минимальной инерционностью, более стабильными характеристиками и высокой надежностью, особенно если
выполняются на полупроводниковой базе).
По количеству рабочих положений ТЭА бывают:
– однопозиционными: контакторы, быстродействующие выключатели, разъединители, кнопочные выключатели и др.;
– двухпозиционными: электропневматические переключатели,
отключатели двигателей;
– трехпозиционными: электропневматические переключатели;
– многопозиционными: электропневматические переключатели, электродвигательные переключатели, контроллеры машиниста.
В настоящее время системы управления, применяемые на отечественном тяговом подвижном составе, преимущественно построены на
контактных тяговых электроаппаратах с индивидуальным либо групповым приводом. Во вновь создаваемых локомотивах доля бесконтактных ТЭА будет увеличиваться, а доля контактных ТЭА с групповым приводом – сокращаться.
1.2 Условия работы и требования, предъявляемые к ТЭА
В сравнении с электроаппаратами общепромышленного исполнения тяговым аппаратам свойственны более тяжелые условия эксплуатации, которые характеризуются:
– жесткими ограничениями по массе и габаритам;
7
– динамическими воздействиями (вибрация, удары, тряска);
– загрязненностью, запыленностью, увлажненностью, широким
диапазоном температур рабочей среды;
– нестабильностью напряжения, давления сжатого воздуха.
Перечисленные факторы в сильной степени ужесточают требования, предъявляемые к конструкции и характеристикам ТЭА.
Габаритные ограничения. Тяговые аппараты размещены на ЭПС
в ограниченном пространстве. По условиям электробезопасности
большую часть тяговых электроаппаратов силовых цепей в кузове
электровоза размещают в высоковольтных камерах (ВВК), где цепи
находятся под высоким напряжением.
Наиболее распространено двухрядное расположение аппаратов в
ВВК [1] (рисунок 1.1, заштрихованные области). Максимальная ширина каждого ряда находится из условия
b
где b
– внутренняя ширина кузова;
куз
≤ 0,5(b
max
– bпв – 2 bпн), (1.1)
куз
bпв – ширина прохода в ВВК. bпв = 450…500 мм;
bпн – ширина внешних проходов в кузове. b
Так, при b
= 3160 мм, bпв = 500 мм, bпн = 500 мм максимальная
куз
пн = 500…550
мм.
ширина пространства для размещения ТЭА составит 830 мм.
~2000
b
ВВН
b
b
b
пн
max
Рисунок 1.1 – Поперечные габаритные ограничения
в кузове электровоза
пн
куз
b
max
b
пн
8
Пространство в пределах b
нельзя полностью использовать для
max
коммутационных аппаратов с дугогашением. Ионизированная зона
выхлопа дугогасительных устройств коммутационных аппаратов допускается не менее 100 мм. Чтобы избежать переброса дуги на заземленные конструкции установочных каркасов и соседние аппараты,
между ними предусматривают дополнительный зазор 150…250 мм.
Дополнительная площадь шириной 100…200 мм необходима для снятия дугогасительных камер при их техническом обслуживании.
Для аппаратов, располагаемых под кузовом электроподвижного
состава (в основном это электропоезда), наибольшие габаритные ограничения h
приходится выдерживать по высоте (рисунок 1.2, а).
max
При этом
h
где h
– нормированная высота пола вагона над головкой рельса,
п
= hп – (Δз + Δр + Δм), (1.2)
max
определяемая условиями посадки пассажиров;
Δз – нижнее габаритное ограничение для подрессоренных частей.
Δз = 150 мм;
Δр – вертикальный размер рамы вагона, включая толщину пола;
Δм – монтажный зазор между кожухом аппарата или аппаратной
камерой и рамой вагона. Δм = 150…200 мм.
Тогда h
≤ 800…900 мм. Действительные размеры аппаратов
max
меньше на 100…200 мм из-за зазоров между ними и кожухом (оболочкой).
Суммарная ширина пространства размещения аппаратов под ку-
зовом (рисунок 1.2, б)
F ≤ C – (2e
+ e), (1.3)
1
где С – ширина кузова. С = 3100…3550 мм;
e
– боковые зазоры. e1 = 100…250 мм;
1
е – зазор, необходимый для обслуживания внутренней стороны
оборудования. е = 500…700 мм.
Внутренние зазоры между аппаратами и оболочкой (защитными
кожухами) здесь такие же, как для ВВК электровозов, если выхлопы не выходят за пределы оболочки. Ограниченные габариты осложняют конструкцию тяговых аппаратов и особенно коммутационных
аппаратов.
9
Пол вагона
а
hnh
p
Н
M
h
∆
б
С
∆
= 150
3
е
1
~F/2
е
~F/2
е
1
Рисунок 1.2 – Габариты расположения аппаратов
под моторным вагоном
Внешние динамические возмущения и вибрации. Тяговые аппараты
устанавливаются в кузове электроподвижного состава (ЭПС), под кузовом или на крыше, т.е. в основном они подрессорены. Иногда при
установке отдельных аппаратов предусматривают амортизирующие
элементы. Не подрессоривают лишь устройства для отвода тока, токоприемники при контактном рельсе.
Направления динамических ускорений и сил различны. Как по
направлению, так и по модулю силы и ускорения имеют случайный
характер. Для аппаратов, установленных в кузове, наибольшими являются обычно вертикальные ускорения и действующие вдоль оси
пути. При отсутствии амортизаторов коэффициент динамики Кд (находится как отношение динамического инерционного ускорения
к ускорению свободного падения) составляет 1,0…1,5, при наличии
их – 0,3…0,5. Даже в случае применения установочных амортизаторов
в результате возникновения резонансных колебаний значения Кд всего аппарата или отдельной его части могут достигать 3,0…3,5. Хотя
приведенные динамические силы сравнительно невелики, конструкция аппаратов должна быть устойчива к тряске.
Существенное влияние оказывают также вибрации даже при срав-
нительно небольших амплитудах. Для магистральных локомотивов
вибрации возникают чаще всего в низкочастотном диапазоне в пределах 24…100 Гц.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]