4. Расчет электровоза постоянного тока Исходные данные

Напряжение на двигателе В,

= 0,32,

Масса поезда = 3500 т,

Конструкционная скорость VК=100 км/ч,

Расчетный подъем iр = 12 %,

Кvp = 0,44.

Сила тяги электровоза при установившейся скорости (dV /dt = 0) равна сопротивлению движению поезда:

кН

где - расчетный подъем, %,

- масса поезда, т;

- основное удельное сопротивление движению поезда, кгс/т

Мощность электровоза:

кВт

Между расчётной и конструкционной ско­ростями существует прямая зависимость /2/:

км/ч

Между номинальной мощностью электровоза и мощностью, реализуемой на расчётном подъёме сущест­вует соотношение:

кВт

где - коэффициент эксплуатационной перегрузки на расчётном подъёме.

Номинальная (часовая) мощность тягового двигателя определится как:

кВт

где m – количество тяговых двигателей. Принимаем m =8.

Так как кВт, то оставляем принятое число тяговых двигателей.

Масса электровоза:

т

где т/ось – нагрузка на ось.

Номинальный ток определяется из выражения:

А

где - кпд номинального режима.

Сила тяги на ободе колеса:

кН

где - скорость электровоза в номинальном режиме, км/ч.

Скорость номинального режима связана со скоростью на расчетном подъеме соотношением /1/:

км/ч

Суммарное сопротивление обмоток двигателя находится как

Ом

Составим и заполним табл. 18.1.

Таблица 18.1

Сопротивления отдельных элементов двигателя

в долях от суммарного

Обмотка двигателя	Сопротивление
	Двигатель некомпенсиров.
Якорь,	Ом
Дополнительные полюса,	Ом
Главные полюса,	Ом
Компенсационная обмотка,	__

Рассчитаем характеристики двигателя на основе метода аналогий. Результаты сведем в табл. 18.2.

Таблица 18.2

Расчетные значения характеристик тягового

двигателя, приведенных к ободу колеса, в долях от параметров номинального режима

Ток двигателя,	Скорость движения,	Сила тяги,	Удельная э.д.с.,
149.1	80.96	80.96	17.36
198.8	69.46	69.46	21.08
298.2	56.12	56.12	25.73
397.6	49.68	49.68	28.83
497	46	46	31
596.4	43.24	43.24	32.55
695.8	40.94	40.94	34.1

Рассчитаем характеристики тягового двигателя при последовательном и последовательно-параллельном соединении.

Для этого задаются каким либо током I, по зависимости определяют соответствующую этому току скорость V и по формулам:

км/ч
км/ч

где , , - напряжения на двигателях при соответствую­щих соединениях двигателей,

Находим соответствующие значения скорости на соединениях СП и С. Расчёты выполняем для ряда значений тока (удобно использовать значения тока из табл. 18.2). Результаты расчёта пред­ставляем в виде табл. 18.3.

Таблица 18.3

Скоростные характеристики П, СП и С

соединений двигателей

I, A	, км/ч	, В	, В	, км/ч	, В	, км/ч
149.1	80.96	1483.4	733.435	40.0	358.435	19.5
198.8	69.46	1477.9	727.9133	34.2	352.9133	16.5
298.2	56.12	1466.8	716.87	27.4	341.87	13.0
397.6	49.68	1455.8	705.8266	24.0	330.8266	11.2
497	46	1444.7	694.7833	22.1	319.7833	10.1
596.4	43.24	1433.7	683.74	20.6	308.74	9.3
695.8	40.94	1422.6	672.6966	19.3	297.6966	8.5

Расчет характеристик ослабленного поля проводим аналитическим методом. Коэффициент ослабления поля изменяем с шагом 0.17. Результаты сводим в табл. 18.4.

Таблица 18.4

Характеристики ослабленного возбуждения

β=0,83		β=0,66		β=0,49		β=0,32
I, A	Fкд,кН	I, A	Fкд,кН	I, A	Fкд,кН	I, A	Fкд,кН
179.6	8.4	225.9	10.6	304.2	14.2	465.9	21.8
239.5	14.4	301.2	18.1	405.7	24.4	621.2	37
359.2	28.9	451.8	36.3	608.5	48.9	931.8	75
479.0	45.1	602.4	56.8	811.4	76.5	1242.5	117.1
598.7	60.2	753.0	75.7	1014.2	102.0	1553.1	156.2
718.5	76.5	903.6	96.2	1217.1	129.5	1863.7	198.4
838.3	92.1	1054.2	115.9	1420	156.1	2174.3	239.0
958.0	107.8	1204.8	135.6	1622.8	182.6	2485	279.6
1077.8	123.4	1355.4	155.3	1825.7	209.1	2795.6	320.3

Выполним проверку на соответствие коэффициента неравномерности пуска по току:

Условие по значению коэффициента неравномерности пуска по току выполняется.

Сила тяги электровоза складывается из сил тяги каждого из двигателей, отнесенных к ободам колес:

Результаты расчетов для каждого режима работы (по магнитному полю) сводим в табл. 18.5.

Таблица 18.5

Расчётные данные силы тяги электровоза

β=0,83		β=0,66		β=0,49		β=0,32
Fк,кН	Fкд,кН	Fк,кН	Fкд,кН	Fк,кН	Fкд,кН	Fк,кН	Fкд,кН
175	8.4	67.4	10.6	84.8	14.2	114.2	21.8
300	14.4	115.6	18.1	145.4	24.4	195.9	37
600	28.9	231.3	36.3	290.9	48.9	391.8	75
937.5	45.1	361.4	56.8	454.5	76.5	612.2	117.1
1250	60.2	481.9	75.7	606.0	102.0	816.32	156.2
1587.5	76.5	612.0	96.2	769.6	129.5	1036.7	198.4
1912.5	92.1	737.34	115.9	927.2	156.1	1248.9	239.0
2237.5	107.8	862.6	135.6	1084.8	182.6	1461.2	279.6
2562.5	123.4	987.9	155.3	1242.4	209.1	1673.4	320.3

Для расчета ограничений пускового режима по условиям сцепления, вычислим предварительно:

кН

где - расчётный коэффициент сцепления;

Р - масса электровоза, т (см. 2.6);

g - ускорение свободного падения;

m - количество двигателей электровоза.

Коэффициент сцепления для ЭПС постоянного тока:

Результаты для выбранного ряда скоростей заносим в табл. 18.6.

Таблица 18.6

Расчетные параметры ограничения по сцеплению

Ψ	Fкд,кН
0.225125	55.21197
0.233462	57.25668
0.243275	59.66316
0.248099	60.8462
0.250893	61.53146
0.253011	62.05105
0.254795	62.48848
0.255874	62.75318
0.256961	63.01976

Следующий этап расчета – расчет ступеней пускового реостата.

Ток первой маневровой позиции выбираем из условия разгона одиночного локомотива на площадке с ускорением dV/dt =0,3…0,4 /6/. Принимаем А.

Величина пус­кового резистора на первой маневровой позиции:

Ом

где В - напряжение в контактной сети;

В качестве схемного решения принимаем схему пускового резистора, предложенную в приложении на рис. П.2. Данная схема позволяет использовать все три группировки двигателей (П, СП, С).

Определяем абсолютную величину сопротивления каждой секции принятого пускового резистора. Результаты сводим в табл. 18.7.

Таблица 18.7

Таблица абсолютных значений

сопротивления секций пускового реостата

Обозначение	Р1	Р2	Р3	Р4	Р5	Р6	Р7
Сопротивление	1,48	1,54	1,27	2,22	0,89	1,35	2,04
Обозначение	Р8	Р9	Р10	Р11	Р12
Сопротивление	0,85	0,64	5,90	0,66	0,45

Находим сопротивления пускового резистора на каждой позиции кон­троллера машиниста электровоза. Составляем и заполняем табл.18.8.

Таблица 18.8

Таблица сопротивлений пускового резистора на каждой позиции кон­троллера машиниста электровоза

Поз.	Сопротивление
1	19.27329
2	19.27329
3	13.41421
4	9.752285
5	7.709316
6	6.167453
7	5.300155
8	4.45213
9	3.854658
10	2.775354
11	2.466981
12	1.611247
13	1.196871
14	0.888499
15	0.450995
16	0
17	2.428435
18	2.023695
19	1.501389
20	1.343348
21	1.07545
22	1.004138
23	0.695766
24	0.412448
25	0.275608
26	0.161125
27	0
28	1.131342
29	0.992574
30	0.819115
31	0.67842
32	0.535797
33	0.439431
34	0.312227
35	0.189456
36	0.086923
37	0

Скоростные характеристики каждой позиции определяет выражение:

км/ч

где - напряжение на двигателе (например, для всех пози­ций П соединения двигателей = 1500 В), В;

- см. (4.5), Ом;

- ток двигателя, А;

- см. (3.4), Ом;

- см. табл. 3.3 и рис. 3.1, В/км/ч;

m’ - число последовательно соединенных двигателей;

n’ - число параллельно соединенных двигателей.

Расчет скоростных характеристик ввиду большого количества объемов вычисления выполняется в Microsoft Excel. По результатам расчетов строится скоростная характеристика электровоза и пусковая диаграмма (рис. 10.7) при помощи программы Advanced Grapher. На график наносятся электромеханические характеристики пусковых ступеней двигателей в зоне ограничений по токам. Ограничиваем броски тока при пуске: А,

А. На каждой позиции пускового сопротивления просчитываем по две точки: точка минимального и максимального токов.

Для перехода с одного соединения двигателей на другое используем вентильный переход. Вначале расчета переходного режима необходимо рассчитать величину вводимого сопротивления:

Ом

где В - напряжение сети;

- максимальный пусковой ток;

- определяется по рис. 3.1;

- скорость электровоза при переходе с одного соединения на другое (определяется для соответствующего переходе с С на СП или с СП на П по характеристи­кам ) соответственно для безреостатных по­зиций С или СП соединений при ; - сопротивление обмоток двигателя;

- количество последовательно соединенных двигателей до перехода;

- то же после перехода.

C-CП переход: R = 0.348611 Ом,

CП-П переход: R = 1.043056 Ом.

Количество последовательно включенных диодов:

где В - пробивное напряжение разрядника электровоза /9/: - допустимое повторяющееся напряжение (зависит от класса вентиля, например. Применяем вентили седьмого класса. В этом случае для седьмого класса = 700 В);

- коэффициент неравномерности распределения обратного напряжения между последовательно соединенными вен­тилями, .

Принимаем РV = 14.

Количество параллельно включенных диодов:

Принимаем =1.

Таким образом, каждый контакт, обведенный на рис. П.2 окружностью, шунтируем группой из 14 последовательно включенных диодов.

Теперь произведем расчет характеристик ослабленного поля. В качестве схемного решения выбираем схему, предложенную на рис. 6.1

Дорабатываем ее до нужного нам числа ступеней (4) и получаем:

Рис. 4.1. Схемное решение ослабления поля

Сопротивление шунтирующего резистора:

Ом

где - сопротивление шунтирующего резистора на i-ой позиции ослабления поля;

- коэффициент ослабления поля на i-ой позиции ОП (см. 3.3 и задание);

- сопротивление обмоток главных полюсов (см. табл. 3.2);

Ом - сопротивление кабелей цепи главных полюсов;

Ом - сопротивление индуктивного шунта;

Ом - сопротивление кабелей шунтирующей цепи.

Определяем на последней ступени ОП. Затем повторяем расчёт для всех других ступеней ОП. Результаты сводим в табл. 18.9.

Таблица 18.9

Значения секций реостата

ослабления возбуждения

Секция	Сопротивление
1	0.011412 Ом
2	0.043137 Ом
3	0.086275 Ом
4	0.258824 Ом

Рассчитаем систему рекуперативного торможения.

В качестве схемного решения принимаем схему, изображенную на рис. 7.1. с тем отличием, что, так как применяется восьмиосная машина, то число возбудителей – два.

Тормозное усилие, развиваемое электровозом, складывается из тормозных усилий каждого двигателя:

кН

где m - количество тяговых двигателей на электровозе;

- ток якоря двигателя в режиме рекуперации, А;

- см. табл, 3.3 в абсолютных значениях, В/км/ч;

- к.п.д. зубчатой передачи /3/;

- к.п.д. двигателя (см. табл. 3.1);

- добавочное тормозное усилие, связанное с механи­ческими и электрическими потерями мощности.

Если составляет 3% от первого слагаемого, то тормозное усилие можно представить как:

кН

Зависимость скорости от тока в якоре определяется выражением:

км/ч

Составим и заполним таблицу 18.10.

Таблица 18.10

Расчётные данные тормозных характеристик

Позиция	А
	, А	, В/км/ч	В, кН	, км/ч		, км/ч	, км/ч
1	129.5716	8.8	0	183.3333		91.66667	45.83333
2	156.7398	10.48548	0	153.8635		76.93175	38.46588
3	190.1776	12.53155	0	128.7417		64.37085	32.18543
4	219.4357	14.24259	0	113.2753		56.63764	28.31882
5	259.6865	16.60226	0		97.17552	48.58776	24.29388
6	287.3563	18.09568	0	89.15573		44.57787	22.28893
7	323.9289	20.09278	0	80.29418		40.14709	20.07354
8	355.2769	21.70669	0	74.32426		37.16213	18.58106
9	386.6249	23.26765	0	69.33804		34.66902	17.33451
10	417.9728	24.7769	0	65.1144		32.5572	16.2786
11	449.3208	26.23565	0	61.49395		30.74697	15.37349
12	480.6688	27.64505	0	58.35885		29.17943	14.58971
13	522.466	29.59823	0	54.50776		27.25388	13.62694
14	543.3647	30.32043	0	53.20945		26.60473	13.30236
15	574.7126	31.58864	0	51.07322		25.53661	12.7683
	А
1	102.4033	8.36	28,48262	189,5745		96,07761	48,67006
2	125.3918	9.96121	33,93796	159,1015		80,63367	40,84661
3	156.7398	11.90497	40,56039	133,1245		67,46834	34,17745
4	188.0878	13.53046	46,09844	117,1315		59,36301	30,07153
5	229.8851	15.77215	53,7359	100,4837		50,92577	25,79748
6	261.233	17.19089	58,56958	92,19086		46,72293	23,66844
7	292.581	19.08814	65,03353	83,02763		42,07894	21,31594
8	334.3783	20.62135	70,25719	76,85448		38,95035	19,73109
9	365.7262	22.10427	75,30951	71,69851		36,33727	18,40738
10	397.0742	23.53806	80,19445	67,33109		34,12383	17,28612
11	428.4222	24.92386	84,91589	63,58738		32,2265	16,32498
12	470.2194	26.2628	89,47766	60,34556		30,58352	15,4927
13	501.5674	28.11832	95,79945	56,36337		28,56532	14,47034
14	522.466	28.80441	98,13695	55,02086		27,88493	14,12567
15	553.814	30.00921	102,2417	52,8119		26,76541	13,55856
	А
1	75.23511	7.7616	56,96524	191,6491		98,40523	50,46511
2	94.04389	9.248197	67,87592	160,8426		82,58713	42,35312
3	123.302	11.05283	81,12077	134,5813		69,10286	35,43799
4	156.7398	12.56196	92,19688	118,4133		60,80116	31,18063
5	200.0836	14.64319	107,4718	101,5833		52,15952	26,74895
6	235.1097	15.96039	117,1392	93,19972		47,85486	24,54139
7	261.233	17.72183	130,0671	83,93621		43,09836	22,10212
8	313.4796	19.1453	140,5144	77,69551		39,89398	20,45881
9	344.8276	20.52207	150,619	72,48312		37,21759	19,08628
10	376.1755	21.85323	160,3889	68,0679		34,95053	17,92367
11	407.5235	23.13984	169,8318	64,28323		33,00723	16,92709
12	459.7701	24.38293	178,9553	61,00593		31,32445	16,06411
13	480.6688	26.10564	191,5989	56,98016		29,25736	15,00404
14	501.5674	26.74262	196,2739	55,62296		28,56048	14,64666
15	532.9154	27.86118	204,4834	53,38983		27,41384	14,05863
	А
1
2
3	22.98851	10.77651	243,3623	140,4085		75,64091	40,48014
4	62.69592	12.24792	276,5906	123,5405		66,55377	35,61705
5	110.6792	14.27711	322,4154	105,9817		57,09451	30,55481
6	156.7398	15.56138	351,4175	97,23516		52,38257	28,03316
7	167.1891	17.27879	390,2012	87,57055		47,17605	25,24683
8	250.7837	18.66666	421,5431	81,05963		43,66848	23,36971
9	282.1317	20.00902	451,857	75,62155		40,73888	21,8019
10	313.4796	21.3069	481,1667	71,01517		38,25732	20,47386
11	344.8276	22.56134	509,4954	67,06662		36,13016	19,33549
12	428.4222	23.77336	536,8659	63,64742		34,28817	18,34972
13	417.9728	25.453	574,7967	59,44734		32,02549	17,13883
14	438.8715	26.07405	588,8217	58,03137		31,26269	16,7306
15	470.2194	27.16465	613,4503	55,70155		30,00756	16,05891

Выполним расчет ограничений характеристик рекуперативного тормоза по условиям тормозного усилия.

Предельные значения тормозного усилия для электровоза определит выражение:

кН

где - расчётный коэффициент сцепления колеса с рельсом в режиме электрического торможения. Составим и заполним табл. 18.11.

Таблица 18.11

Расчётные значения ограничений по тормозному усилию

, км/ ч	0	5	10	20	40	60	80	100
	0,18	0,186	0,194	0,198	0,2	0,202	0,205	0,206
, кН	44	45	47,7	48,7	49	49,9	500	50,2

Ограничение по максимальной скорости составляет км/ч.

Ограничение по максимальному току возбуждения:

А

Для определения числа возможных позиций регулирования необходимо вычислить максимальное значение э.д.с. генератора возбудителя:

В

где Ом - сопротивление обмотки якоря возбудителя;

а - количество последовательно соединенных обмоток возбуждения (в нашем случае 2);

b - количество параллельных цепей обмоток возбуждения (в нашем случае 2);

Затем на характеристиках проводим гори­зонталь, соответствующую 52,33 В, до точки пересечения с харак­теристикой А. Опускаем из этой точки вертикаль до пересече­ния с осью абсцисс, которая и определит возможное количество по­зиций регулирования тормозного режима. В нашем случае как это показано на рис. 7.2, при В без ограничения можно использо­вать лишь 13 позиций.

Еще одно ограничение – ограничение по условиям коммутации.

Используя рекомендации, составляем и заполняем табл. 18.12.

Таблица 18.12

Расчётные данные ограничений

тормозного режима по коммутации

, А	Соединение якорей двигателей
	П()
	, А	, В/км/ч	В, кН	V, км/ч
300	25	5	85,7493	16,18331
400	50	8	55,62413	51,78658
550	75	11	41,93086	106,8098
600	100	14	34,10614	181,253
	СП()
300	25	5	169,2766	16,18331
400	50	8	108,4708	51,78658
550	75	11	80,83173	106,8098
600	100	14	65,038	181,253
	С ()
300	32	5	333,6512	16,18331
400	64	8	210,814	51,78658
550	96	11	154,9789	106,8098
600	128	14	123,0731	181,253

По данным табл.18.10, 18.11, 18.12 строим графики, изображенные на рисунке. Из табл. 18.10 построим только графики, полученные граничными значениями позиций контроллера машиниста (т.е. в нашем случае – 1 и 13 позиции) для каждой перегруппировки двигателей.

Спецчасть

Синхронный подвозбудитель

Охлаждающий воздух подается в генератор через сборный стальной патрубок со стороны, противоположной контактным кольцам (со стороны дизеля). В нижней части подшипникового щита под контактными кольцами укреплен стальной патрубок для выброса из генератора нагретого воздуха.

Охлаждающий воздух забирается снаружи тепловоза через воз­душные фильтры, установленные с боков кузова. В фильтрах воздух очищается от пыли, снега, масла, капель воды.

Конструкцией генератора предусмотрено предохранение всего кре­пежа от самоотвинчивания и коррозии.

Возбудитель ВС-650В (рис. 1)—это однофазный синхронный генератор повышенной частоты, защищенного исполнения, самовенти­лируемый, служит для питания (через полууправляемый выпрямитель) постоянным током обмотки возбуждения тягового генератора и отно­сится к вспомогательным тяговым электрическим машинам. Охлаждаю­щий воздух прогоняется через полость машины литым вентилятором из алюминиевого сплава и выбрасывается через окна в станине со стороны контактных колец. Вентиляционные окна на входе и выходе охлаждающего воздуха закрываются съемными сеткой и крышкой с выштампованными в них отверстиями. Вентилятор 16 крепится болтами

Рис. 1

к стальной ступице, смонтированной на валу 18 со стороны свобод­ного конца.

Статор (магнитная система) возбудителя состоит из станины 8, изготовленной из листовой стали, в которой установлены восемь полюсов моноблочной конструкции. К станине привариваются с обеих сторон лапы, которыми возбудитель опирается и крепится, а также стальные ребра с проушинами для подъема машины и ее транспорти­ровки.

Сердечники полюсов 14 собраны из штампованных листов электро­технической стали, спрессованы и стянуты заклепками. В башмаки по­люсов встроена короткозамкнутая демпферная обмотка в виде медных стержней круглого и прямоугольного сечений. Катушки полюсов 15 являются элементами независимой обмотки возбуждения возбудителя и соединены последовательно. Концы обмотки выведены в коробку выводов (рис. 2). Изоляция полюсных катушек выполнена из материалов класса F. Катушку и сердечник полюса пропитывают в сборе в эпоксидном компаунде.

Якорь 10 (см. рис.1) возбудителя соединен муфтой с распределительным редуктором дизеля и приводится им во вращение.

*разрезы возбудителя ВС-650В

Сердечник якоря возбудителя 12 состоит из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, нашихтованных на стальной вал. Спрессованный сердечник удерживается в осевом направле­нии латунной втулкой со стороны контактных колец и обмоткодержа-телем со стороны свободного конца вала. Все детали крепятся на ва­лу шпонками. В пазах сердечника якоря 20 уложена волновая обмотка, концы катушек которой пропаяны серебросодержащим припоем в медных втулках, вставленных в прямоугольные пазы по окружности пластмассовой части втулки. Расположение проводников в пазах горизонтальное.

Обмотка 11 укреплена на сердечнике с помощью стеклобандажа 13. Якорь пропитывается в термореактивном лаке. На его вал напрессованы изолированные от него два контактных кольца 9 из специальной антикоррозионной стали, которые с помощью двух контактных шпилек соединены с выводами якорной обмотки. На рабочей поверхности контактных колец нарезают винтообразные канавки.

Якорь опирается на подшипниковые щиты 6 и 17 через два шарико­вых подшипника 3. Подшипники насаживают на вал якоря с натягом и с обеих сторон закрывают стальными крышками 1,5 с лабиринтными канавками. Подшипниковые щиты центруют в станине «замками» и закрепляют на ней болтами.

Смазку в подшипники добавляют через стальные трубки 21, вва­ренные в отверстия подшипниковых щитов со стороны привода и кон­тактных колец. При запрессовке смазка, заполняя внутреннюю сма­зочную полость каждого из подшипниковых узлов, проходит между шариками подшипника, смазывает их и попадает в наружную сма­зочную полость.

Применена консистентная смазка марки ЖРО ТУ 32 ЦТ 520-73. Щеткодержатели 19 крепят на пластмассовой траверсе и соединяют токосборными шинами с отводами в коробку выводов, а траверсу 7 —болтами к переднему подшипниковому щиту. На рис. 1: 2 — упорное кольцо, 4 — уплотнительное кольцо.

Конструкция щеткодержателя предусматривает постоянство усилия нажатия курка пружины на щетку по мере сра­батывания последней. Щеткодержатель унифицирован с щеткодержателем генератора ГС-501А. На возбудителе применены щетки марки ЭГ-4 раз­мером 25 х 32 х 64 мм с резиновыми амортизаторами. Давление пружины на щетку обеспечивается в пределах 16—20 Н (1,6—2,0 кгс).

Рис. 2 Схема соединения

возбудителя

61