7. Рабочие характеристики тягового электрического привода

Для тягового привода рабочими называют:

• электромеханические характеристики тягового электродвигателя: скоростную n_Д=f(I_Д), моментную М_Д=f(I_Д) и характеристику к.п.д.

• электротяговые характеристики F_КД=f(I_Д), V=f(I_Д).

7.1. Электромеханические характеристики

Электромеханические характеристики отражают изменение меха­нических параметров n_Д и М_Д на валу двигателя в зависимости от силы тока I_Д.

Моментную характеристику ТЭД М_Д=f(I_Д) рассчитывают, с учетом формулы (4.8), по выражению

М_Д = С_М Ф_Д I_Д η_М, Нм,

(7.1)

где М_Д - вращающий момент на валу ТЭД;

η_М- механический к.п.д. двигателя, равный 0,96-0,98.

Скоростная характеристика n_Д=f(I_Д) определяется из уравнений (4.6) и (4.7), характеризующих состояние электрической цепи ТЭД:

n_Д = (U_Д - I_д R_д) / (С_е - Ф_д)

или, принимая I_дR_д≈0,04 U_Д,

n_Д =0,96 U_Д / (С_е Ф_д), об/мин.

(7.2)

Последовательность расчета электромеханических характери­стик включает в себя ряд этапов.

1. Определение значений коэффициентов С_е и С_м по формулам (4.9) и (2.10) в соответствии с исходными данными ТЭД.

2. Вычисление силы тока ТЭД на номинальном режиме работы

I_ДН = P_ДН / (U_ДН η_ДН) 10³, А,

(7.3)

где U_ДН, P_ДН, η_ДН - номинальные значения напряжения, мощности и

к.п.д. двигателя (исходные данные ТЭД).

Величину η_ДН можно принять равной 0,90-0,92 для тепловоза и 0,92-0,94 для электровоза.

3) Расчет магнитного потока возбуждения ТЭД на номинальном режиме работы

Ф_ДН = 0,96 U_ДН / (С_е n_ДН), Вб,

(7.4)

где n_ДН - номинальная частота вращения вала ТЭД, об/мин.

4) Определение зависимости магнитного потока Ф_д от режимов ра­боты тягового электрического двигателя.

При расчете электромеханических характеристик любого электро­двигателя используют его магнитные характеристики (кривые намагни­чивания), то есть зависимости магнитного потока Ф_д от тока возбуждения I_В и тока якоря I_д. Их обычно представляют в виде графиков Ф_Д=f(I_В) построенных для различных величин тока якоря I_д, и называют нагрузочными характеристиками.

Для локомотивных ТЭД с последовательным возбуждением семей­ство нагрузочных характеристик Ф_д=f(I_В, I_д) можно заменить одной кри­вой Ф_Д=f(I_В), считая I_д = I_В [10]. Однако для определения этой зависимо­сти, которую будем называть универсальной магнитной ха­рактеристикой ТЭД, необходимо провести расчеты его магнитной сис­темы и взаимодействия магнитных полей полюсов и якоря. Учитывая, что эти вопросы подробно изучают в дисциплине "Электрические машины", в данной курсовой работе предлагается использовать безраз­мерные универсальные магнитные характеристики ТЭД.

Они представляют собой зависимости магнитного потока Ф_д от то­ка возбуждения I_В, выраженные относительно значений Ф_ДН, и I_ВН на но­минальном режиме работы ТЭД (табл. 7.1). Определение искомой зави­симости Ф_Д=f(I_В) (в абсолютных величинах) осуществляют по точкам безразмерной характеристики путем пересчета по формулам

Ф_д = (Ф_д / Ф_дн) Ф_дн, Вб;

(7.5)

I_В = (I_В / I_ВН) I_ВН, А

(7.6)

считая, что I_ВН=I_ДН.

Полученные координаты точек универсальной магнитной характе­ристики ТЭД необходимо занести в таблицу (по форме таблицы 7.1) и далее построить график Фд=f(I_В) на миллиметровой бумаге.

Таблица 7.1.

Безразмерные универсальные магнитные характеристики электровозных и тепловозных тяговых электродвигателей

(IВ/IВН)=(IД/IДН)		0,25	0,50	0,75	1,00	1,25	1,50
(Фд/Фдн)	ТЭД электровоза	0,50	0,72	0,88	1,00	1,07	1,11
	ТЭД тепловоза	0,52	0,77	0,92		1,03	1,06

5) Расчет и построение зависимостей магнитного потока Ф_Д от тока якоря I_Д ТЭД при разных ступенях ослабления возбуждения.

При выполнении данного этапа следует заполнить таблицу 7.2. Значения I_д целесообразно задать по точкам универсальной магнит­ной характеристики в диапазоне (0,25-1,50)I_ДН для электровозов и (0,50-1,50)I_дн для тепловозов. Величины тока возбуждения I_В, соответ­ствующие каждому значению тока I_д, составляют

I_В = α I_Д, А,

(7.7)

где α - коэффициент ослабления возбуждения ТЭД

В данной курсовой работе значения коэффициента α на первой (ОП₁) и второй (ОП₂) ступенях ослабления возбуждения следует при­нять равными α₂=0,3-0,4 и [4].

Значения магнитного потока Ф_Д для каждого сочетания величин тока якоря I_д и коэффициента α можно приближенно определить по по­строенному ранее графику универсальной магнитной характеристики ТЭД Ф_Д=f(I_В).

Полученные точки с координатами (I_Д,Ф_Д) необходимо нанести на миллиметровую бумагу и построить кривые намагничивания двигателя Ф_д=f(I_Д)для режимов возбуждения ПП, ОП₁, и ОП₂.

Таблица 7.2.

Кривые намагничивания ТЭД при разных режимах возбуждения

IД, А
ПП α =1,00	IВ, А
	Фд, Вб
ОП1, α =…	IВ, А
	Фд, Вб
ОП2 α =…	IВ, А
	Фд, Вб

6) Графики Ф_Д=f(I_В) и данные таблицы 7.2 позволяют рассчитать искомые электромеханические характеристики 'ГЭД электровоза по формулам (7.1) и (7.2).

Значение напряжения U_A, подведенного к ТЭД, для электровозов постоянного тока допустимо задать как U_Д=U_ДН. На электровозах пе­ременного тока в силу ряда особенностей напряжение U_Д, несколько уменьшаегся с ростом тока I_д. При необходимости, с методикой расчета зависимости U_Д=f(I_Д) можно ознакомиться по специальной литературе, например [6,10].

Результаты расчетов следует свести в таблицу 7.3, по данным ко­торой построить электромеханические характеристики n_д=f(I_Д) и Мд=f(I_Д) для различных режимов возбуждения ТЭД.

7) Для расчета электромеханических характеристик ТЭД, рабо­тающего на тепловозе, дополнительно необходимо построить внешнюю характеристику тягового генератора U_Г=f(I_Г).

Взаимосвязь токов и напряжений ТЭД и ТГ в данной курсовой ра­боте можно считать следующей:

U_Г = U_Д

(7.8)

I_Г = m I_Д;

(7.9)

где m - количество тяговых двигателей на тепловозе, равное числу его движущих осей n_ос (см. исходные данные).

Таблица 7.3.

Электромеханические характеристики тягового двигателя электровоза (работа при постоянном напряжении U_Д=U_ДН)

IД, А
ПП α =1,00	Фд,Вб
	Мд, Н'м
	nД, об/мин
ОП1, α =…	Фд,Вб
	Мд, Н'м
	nД, об/мин
ОП2 α =…	Фд, Вб
	Мд, Нм
	nД, об/мин

Порядок построения внешней характеристики ТГ.

а рассчитать мощность ТГ в продолжительном (номинальном) режиме Р_ГН = m Р_ДН 10³ = U_ГН I_ГН, Вт,

(7.10)

где U_ГН I_ГН - напряжение и ток ТГ на номинальном режиме;

б) определить максимальное напряжение ТГ

U_Гmax = U_ГН k_Г, В [4]

(7.11)

и соответствующий ему минимальный ток ТГ

где k_Г - коэффициент регулирования напряжения ТГ.

Значение k_Г выбирают из диапазона 1,4-1,8 так, чтобы величина напряжения U_Гmax не превышала 800 В;

в) определить максимальную силу тока ТГ

I_Гmax = (1,25 ÷ l,45) I_ГН, A [4]

(7.13)

и соответствующее ей минимальное напряжение ТГ

U_Гmin = Р_ГН / I_Гmax, В;

(7.14)

г) рассчитать гиперболический участок внешней характеристики ГГ.

Для этого необходимо выбрать 5-7 значений тока ТГ в диапазоне I_Гmin<I_Г<I_Гmax и определить соответствующие им величины напряже­ния ТГ' как U_Г=P_ГН/I_Г, В. Результаты следует занести в две верхние строки таблицы 5.4.

В крайние колонки таблицы необходимо внести координаты то­чек, которые ограничивают гиперболический участок, то есть (I_Гmin, U_Гmax) и (I_Гmax, U_Гmin).

д) построить координатную сетку с осями I, U и в ней нанести точки с

координатами (I_Гmin, U_Гmax), (I_ГН, U_ГН) И (I_Гmax, U_Гmin).

Через точку с координатами (I_Гmin, U_Гmax) провести горизонтальную линию, соответствующую ограничению по напряжению ТГ.

Через точку с координатами (I_Гmax, U_Гmin) провести вертикальную линию, соответствующую ограничению по току ТГ.

Гиперболический участок внешней характеристики можно пост­роить по данным верхней части таблицы 7.4. Полученная кривая обя­зательно должна пройти через точку продолжительного режима рабо­ты ТГ с координатами (I_ГН, U_ГН).

Построенные внешняя характеристика ТГ U_Г=f(I_Г) и кривые на­магничивания ТЭД Фд=f(I_д) позволяют рассчитать электромеханические характеристики ТЭД тепловоза по формулам (7.1), (7.2) с ис­пользованием соотношений (7.8) и (7,9).

Результаты вычислений следует оформить в виде таблицы 7.4, две верхние строки которой содержат точки гиперболического участка внешней характеристики ТГ.

По данным таблицы 7.4 можно построить искомые графики ско­ростной n_Д=f(I_Д) и моментной М_Д=f(I_Д) характеристик ТЭД для раз­личных режимов возбуждения.