3. Построение тягово-экономических характеристик тепловоза.

Скорость и силу тяги тепловоза определяем по формулам:

,

,

где - к.п.д. редуктора; - передаточное отношение.

.

Коэффициент полезного действия тепловоза:

.

Касательная мощность тепловоза:

.

Коэффициент полезного действия передачи:

.

Все рассчитанные данные заносим в таблицу 19.

Таблица 19
8.74008	23.88	10608	616655	1497.1	0.296	0.792
11.65344	31.84	7956	462491	1497.1	0.296	0.792
13.11012	35.82	6630	385410	1403.5	0.278	0.743
17.48016	47.76	5304	308328	1497.1	0.296	0.792
21.8502	59.7	3978	231246	1403.5	0.278	0.743
33.50364	91.54	2652	154164	1434.7	0.284	0.759
58.2672	159.2	1326	77082	1247.6	0.247	0.660

Часть II

Расчет электровоза

3. Электровоз переменного тока

Исходные данные

Номинальная мощность тягового двигателя кВт;

Нагрузка на ось П =220 кН;

Количество осей – 6;

Количество зон регулирования – 2;

Вид торможения – рек.;

Угол запаса δ =20 эл.град.;

Номинальная скорость км/ч;

Напряжение короткого замыкания %;

Номинальное напряжение В.

Расчет основных параметров тягового двигателя при номинальном напряжении.

Номинальный ток :

А

=0,915- коэффициент полезного действия двигателя в номинальном режиме.

Сила тяги на ободе колеса в номинальном режиме:

кН

=0,975 - коэффициент полезного действия зубчатой передачи.

Суммарное сопротивление обмоток :

Ом

Распределение сопротивления по элементам цепи:

Обмотка двигателя	Сопротивление
Якорь,	Ом
Дополнительные полюса,	Ом
Главные полюса,	Ом
Компенсационная обмотка,	Ом

Удельная э.д.с.:

В/км/ч

Рассчитываем значения характеристик тягового двигателя (на основе относительных характеристик, приведенных к ободу колеса, в долях от параметров номинального режима), приведенных к ободу колеса, в долях от параметров номинального режима. Результат сводим в таблицу 17.1.

Таблица 17.1

Ток двигателя,	Скорость движения,				Сила тяги,				Удельная э.д.с.,
	ном. поле,	ослабленное поле,			ном. по- ле,	ослабленное поле,
		0,70	0,52	0,43		0,70	0,52	0,43
170	103	-	-	-	2,5	-	-	-	8
425	70	80,5	99	-	18	15	12	9	13
680	55	62	70	82,5	36	32	28	25	15
850	50	55	62,5	70	49	44	40	36	17
1105	46	50	55	60	69	63	58	54	18
1360	42,5	46,5	50,5	54	89	82	77	71	19
1615	40	44	47,5	51	108	101	95	88	20

Учитывая задание выбираем односекционный электровоз с числом осей т =6.

В качестве выпрямительно-инверторного преобразователя берем за основу рис. 3.1 (двигательный режим) и рис. 3.2 (генераторный режим). Принципиальная схема силового канала рекуперативного тягового привода приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема рекуперативного тягового привода

В тяговом режиме контакты контакторов К1-К4, К9-К12, К17-К20 замкнуты на последовательные обмотки возбуждения двигателей, а балластные резисторы R1-R6 выведены из цепи. При переходе в режим рекуперации контакты контакторов К1-К4, К9-К12, К17-К20 замыкаются на балластные резисторы R1-R6, вводя их последовательно в цепь якоря двигателя. Одновременно с этим контакты контакторов К5-К8, К13-К16, К21-К24 соединяют обмотки возбуждения последовательно друг с другом (начало с концом, т.е. согласованно) и подключают к секции обмотки возбуждения трансформатора.

Номинальная тяговая мощность трансформатора

кВт

=6 – число тяговых двигателей.

Рассчитываем фондовую мощность трансформатора при мостовом выпрямителе с регулированием напряжения на вторичной стороне:

кВт

Рассчитаем теперь некоторые входные и выходные параметры трансформатора.

Номинальное индуктивное сопротивление трансформатора:

Ом

Номинальное напряжение холостого хода вторичной обмотки трансформатора:

В

Активное сопротивление обмоток трансформатора:

Ом

- число параллельно включенных двигателей

Номинальное индуктивное сопротивление обмоток трансформатора:

Ом

Приведенное эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока в номинальном режиме:

Ом

Ом – сопротивление сглаживающего реактора.

Расчетное значение полного напряжения на вторичной об­мотке трансформатора в режиме холостого хода составит:

В

Расчетное число витков вторичной обмотки трансформатора:

витка

В/виток – среднее значение напряжения в расчете на один виток трансформатора.

Так как число зон регулирования равно двум, то принятое число витков вторичной обмотки трансформатора удовлетворяет следующему условию: он должно быть целым числом и без остатка делится на ко­личество зон регулирования напряжения (52/2=26).

Значение напряжения в расчете на один виток трансформатора:

В/виток

Коэффициент трансформации трансформатора составит:

Число витков в первичной обмотке трансформатора:

витков

Схема тягового трансформатора с нанесенными на нее рассчитанными параметрами изображена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема тягового трансформатора

Расчетное значение индуктивности сглаживающего реактора

мГн

- 50 Гц - частота питающего напряжения;

= 0,25 - 0,35 - коэффициент пульсации выпрямленного тока.

В качестве силового преобразователя электрической энергии выбираем тиристорный преобразователь напряжения, выполненный по мостовой схеме. Схема преобразователя приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Схема выпрямителя тяговой установки

Схема работает следующим образом. В первой зоне регулирования включаются тиристоры VT3, VT8, VT5, VT10, VT4, VT7, VT6, VT9. При этом в один из полупериодов питающего напряжения выпрямленный ток замыка­ется по контуру: вывод обмотки трансформатора а (d), тиристор VT3 (VT5), тяго­вые двигатели, сглаживающий реактор ,тиристор VT7 (VT9), вывод обмотки трансформатора b (e). В другой полупериод в работе участвуют тиристоры VT7 (VT9) и VT4 (VT6),.

Все тиристоры отпираются с задержкой по отношению к началу по­лупериода на величину угла регулирования α, который по мере не­обходимости изменяется в интервале . При уменьшении α до 0 возможность регулирования .напряжения в первой зоне исчерпа­на, и дальнейшее увеличение напряжения на тяговых двигателях возможно при плавном добавлении к напряжению секции обмотки трансформатора а-b, напряжения секции b-с. Это достигается введением в работу вместо тиристоров VT7 (VT9) и VT8 (VT10) тиристоров VT11 (VT13) и VT12 (VT14). Алгоритм работы во второй зоне аналогичен алгоритму работы в первой зоне. Работу тиристоров в зависимости от зоны регулирования и полупериода питающего напряжения приведена показывает табл. 17.2.

Таблица 17.2

Зона		Включены
1 зона	1 полупериод	VT3, VT8, VT5, VT10
	2 полупериод	VT4, VT7, VT6, VT9
2 зона	1 полупериод	VT3, VT12, VT5, VT14
	2 полупериод	VT4, VT11, VT6, VT13

Определим расчетное значение максимального выпрямленного тока для ЭПС:

кН

- расчетный коэффициент сцепления колеса с рельсом при нулевой скорости движения.

Определим расчетный ток для : А.

В качестве тиристоров выбираем тиристоры типа Т500 со следующими параметрами:

- Предельный ток А;

- Ударный ток кА;

- Повторяющееся напряжение В;

- Прямое падение напряжения В;

- Обратный ток мА.

Количество парал­лельных цепочек тиристоров в плечах выпрямительно-инверторной установки с учетом параметров выбранных тиристоров определяет выражение:

- коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока между параллельными ветвями вентилей в плече вып­рямителя;

- коэффициент, учитывающий неравномерность охлаждения вентилей.

Принимаем число параллельных ветвей .

Количество последовательно соединенных вентилей в плечах ВИП бу­дет зависеть от соотношения числа витков секций тяговой обмотки трансформатора.

Для плеч, состоящих из тиристорных групп VT3-VT6 и VT11-VT14, число последовательно соединенных вентилей определяем из выражения:

- коэффициент, учитывающий возможное повышение напря­жения в контактной сети.

Принимаем число последовательно соединенных тиристоров .

Учитывая, что число витков в каждой из двух секций тяговых обмоток трансформатора взяты одинаковыми, то и для тиристорных групп VT7-VT10 число последовательно соединенных тиристоров .

Схема одной тиристорной группы (например, VT3) выпрямительно-инверторного преобразователя с учетом перегрузочных способностей выбранных тиристоров по току и напряжению представлена на рис. 3.6. Другие тиристорные группы набираются аналогично VT3.

Рис. 3.6. Схема тиристорной группы VT3

Максимальный ток возбуждения выбирают из условий нагревания об­моток тягового двигателя:

А

Тогда максимальное значение напряжения возбудителя составит:

В

= 6 - количество последовательно включенных обмоток возбуждения.

При этом напряжение вторичной полуобмотки трансформатора, пренеб­регая падением напряжения:

В

- минимальный угол регулирования, равный 20 эл.гр.

В качестве тиристоров выбираем тиристоры типа Т500 со следующими параметрами:

- Предельный ток А;

- Ударный ток кА;

- Повторяющееся напряжение В;

- Прямое падение напряжения В;

- Обратный ток мА.

Количество параллельных ветвей тиристоров в каждом плече выпрямите­ля возбудителя будет:

Принимаем число параллельных ветвей .

Количество последовательно включенных тиристоров в каждой ветви плеча выпрямителя возбудителя определит выражение

Принимаем число последовательно соединенных тиристоров .

Схема обеих тиристорных групп возбудителя идентичны. Схема одной из таких групп приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Схема тиристорной группы возбудителя

Количество витков вторичной полуобмотки трансформатора, подклю­ченной к возбудителю составит:

, витков

Принимаем число витков вторичной полуобмотки трансформатора .

Учитывая одинаковое число витков всех секций тяговых обмоток, составим и заполним таблицу параметров секций тяговых обмоток трансформатора (табл. 13.3):

Таблица 17.3

Выводы тяговой обмотки трансформатора (см. рис. 13.4)	ab, bc, de, ef	аc, df
1	2	3
Напряжение холостого хода , В	520	1040
Напряжение короткого замыкания , В	52	104
Коэффициент трансформации К	48	24
Индуктивное сопротивление , Ом	0,02	0,04

Индуктивное сопротивление каждой секции обмотки трансформатора:

Ом

Рассчитаем граничные режимы работы ВИП в каждой из зон регулирования.

Граничный угол коммутации выпрямителя в номинальном режиме в первой зоне:

эл.гр.

Граничный угол коммутации выпрямителя в номинальном режиме во второй зоне:

эл.гр.

Угол коммутации инвертора в номинальном режиме в первой зоне:

эл.гр.

Угол коммутации инвертора в номинальном режиме во второй зоне:

эл.гр.

Углы коммутации в граничных режимах одинаковы для выпрямителя и одинаковы для инвертора. Это происходит потому, что принят трансформатор с одинаковым числом витков секций тяговых обмоток, следовательно, увеличение напряжения в каждой зоне сопровождается пропорциональным ему увеличением индуктивного сопротивления обмотки.

Принимаем, что внешняя характеристика ВИП является прямой, следовательно, для ее построения необходимо знать координаты двух точек. В качестве этих точек берем режим холостого хода и граничный режим коммутации в каждой зоне.

Напряжение холостого хода для выпрямителя в первой зоне:

В

Напряжение выпрямителя при номинальном токе и граничном угле коммутации в первой зоне:

В

Напряжение холостого хода при работе преобразователя в режиме инвертора в первой зоне:

В

Напряжение преобразователя при работе в режиме инвертора при номинальном токе и граничном угле коммутации в первой зоне:

В

Аналогичным образом производим расчет внешних характеристик ВИП при работе во второй зоне. Результаты расчетов сводим в табл. 17.4.

Таблица 17.4

Зона регулирования		1	2
Выпрямитель	, В	468	936
	, В	437	905
Инвертор	, В	440	880
	, В	407	837

По данным табл. 17.4 строим графики внешних характеристик выпрямительно-инверторного преобразователя.

Диаграммы выпрямленного напряжения ВИП в обеих зонах регулирования построены с учетом понижения среднего значения выпрямленного напряжения по сравнению с синусоидальным на 10% в двухполупериодных мостовых схемах.