4. Расчет и выбор источников электроэнергии вагона

Источниками электрической энергии пассажирских вагонов могут являться:

аккумуляторные батареи,

- электромашинные генераторы с механической передачей (приводом) от оси колесной пары;

высоковольтные статические преобразователи, подключаемые к ВПМ; низковольтные статические преобразователи, подключаемые к ПМ 3/N 380 В 50 Гц централизованного электроснабжения от локомотива или вагона-электростанции, а также к стационарной промышленной сети в отстое или при длительной стоянке.

4.1 Расчет и выбор аккумуляторной батареи

4.1.1. Выбор вида аккумуляторной батареи - на подвижном составе используются:

• кислотная свинцовая (U_н._ак = 2,0 В),

щелочная (U_н._ак = 1,2 В).

Примем кислотную свинцовую батарею TL 10-400: емкость 400 Ач; напряжение 112 В; разрядный ток 80 А.

4.1.2. Определение расчетного значения разрядного тока:

I_расч = I₁ = Р_{расч. БАТАРЕИ}/U_н._ак, = 12020/110 = 109,2 А

где Р_{расч батареи} = 12,02 кВт - расчетное значение потребляемой мощности энергии от батареи,

U_нБ = U_нс = 110 В - номинальное напряжение аккумуляторной батареи (бортовой сети) вагона.

4.1.3. Определение расчетного значения емкости аккумуляторов вагонной батареи:

Q_расч = К_зап I_расч/Кq(I₁)Кq(t_окр) Кq(Т_сл) Кq(U_зар) = 1,180/(0,750,450,80,8) = 407 Ач

где К_зап - коэффициент запаса (К_зап = 1,1),

I_расч = 80 А - ток часового разряда,

Кq(I₁) - коэффициент отдачи по емкости (таблица П.17) при часовом разрядном токе,

Кq(t_окр) - коэффициент отдачи по емкости (таблица П.18) при расчетной минусовой температуре среды (t_окр = - 40°С),

Кq(Т_сл) - коэффициент износа конструкции аккумулятора в процессе эксплуатации (для кислотных: Кq(Т_сл) = 0,8,

Кq(U_зар) - коэффициент учета неполной зарядки аккумуляторов из-за неблагоприятного графика движения поезда (Кq(U_зар) = 0,8 – для автономного и комбинированного электроснабжения вагонов;

Примем аккумулятор Х1ИР – 220 с параметрами емкость 455 Ач; напряжение 112 В; разрядный ток 91 А.

4.1.4. Определение количества аккумуляторов в вагонной батарее.

Определение количества аккумуляторов в вагонной батарее:

N_{ак.расч} = U_нБ/U_н.A = 110/2 = 55

где U_нБ = 110 В - номинальное напряжение аккумуляторной батареи,

U_н.A = 2 в - номинальное напряжение выбранного вида аккумулятора.

Принимаем количество аккумуляторов в батареи: 56 (целое число).

Принимаем к установке на вагон аккумуляторную батарею:

56

Х1ИР- 455

емкость, Ач

тип аккумулятора

количество аккумуляторов в батарее

4.2 Расчет и выбор электромашинного генератора.

Определение расчетного значения номинальной мощности генератора:

Р_н.ген  Р_{расч.ГЕН.}

где Р_{рас ген}.= 68,6 кВт - расчетное значение потребляемой мощности энергии от генератора

Выбираем тип, номинальную мощность и напряжение генератора:

- из таблицы А.1.21 выбираем генератор типа ДСG435/24/2а, номинальная мощность 35 кВт; выходное напряжение 140 В;

- так как потребляемая мощность почти в два раза больше, чем выбранного генератора принимаем к установке два параллельно установленных генератора в генераторном ящике под вагоном с плоскоременной передачей от средней части оси колесной пары типа ПР1 (таблица А. 1.22).

Принимаем к установке на вагон:

- электромашинный генератор.............2 ДСG435/24/2а

- механическую передачу (привод).....ПР1.

4.3. Расчет и выбор выпрямительной установки электромашинного генератора

Выбор схемы выпрямительной установки электромашинного генератора

Современные электрические генераторы пассажирских вагонов это синхронные индукторные генераторы переменного тока, эксплуатационная надежность которых на порядок выше генераторов постоянного тока. Однако бортовая электрическая сеть большинства вагонов - сеть постоянного тока, что, в основном, определяется использованием аккумуляторной батареи в качестве одного из источников электрической энергии.

Рис. 5 - Выпрямительная установка для вагонных индукторных генераторов свыше 30 кВт.

Для вагонов с кондиционированием мощность генератора превышает 30 кВт и он выполняется с двумя группами трехфазных обмоток на статоре, сдвинутых относительно друг друга на 60 электрических градусов, а в качестве выпрямителя используются две трехфазные мостовые схемы (рис. 5). Дополнительным преимуществом подобного выпрямительного устройства является снижение пульсаций выходного напряжения U_dr до 1,4% (пульсация выходного напряжения U_dr трехфазной мостовой схемы составляет 5,7%).

Принимаем к установке на вагон два выпрямителя по шестифазной мостовой схеме – на каждый генератор, а в принципиальной схеме предусмотрим коммутацию выходного напряжения на требуемую мощность потребителей.

4.3.1. Определение расчетного значения номинальной и габаритной (полной) мощности выпрямительной установки:

Р_г.в = K_UP_{пик ген} = 1,368,6 = 89 кВт

где Р_г.в = 68,6 кВт - габаритная (полная) мощность преобразователя с учетом возможных колебаний питающего напряжения (К_U), величины нагрузки или изменений температурных условий среды,

K_U = U_г.макс/U_гмин - отношение максимального к минимальному значений напряжения генератора, обусловленные регулированием для зарядки аккумуляторной батареи в поездных условиях, примем равным 1,3 (143110).

Р_{пик.ген} - наибольшая мощность электрической энергии, потребляемой от вагонного генератора .

Определяем необходимые параметры полупроводниковых диодов I_пр._ср (среднее значение прямого тока) и U_{обр ср} (импульсное значение обратного напряжения).

Для этого определим максимальные значения тока и напряжения в звене постоянного тока выпрямителя, то есть на выходе выпрямителя:

I_dmax = P_{пик. ГЕН}/U_н.с = 68600/110 = 623,6 А.

где P_{пик. ГЕН} – наибольшая мощность электрической энергии, потребляемой от вагонного генератора; U_н. - номинальное напряжение бортовой сети вагона.

U_dmax = K_UU_вс = 1,3110 = 143 В.

Для шестифазной выпрямительной схемы:

I_{пр.ср.расч} = I_{d макс}/6 = 623,6/6 = 104 A,

U_{обр.и расч} = 1,045U_dmax = 1,045143 = 149,4 В.

4.3.2. Расчет и выбор типа полупроводникового диода выпрямительной установки:

В вагонных выпрямительных установках применяют низкочастотные лавинные диоды типа ВЛ50-К, ВЛ100-К, ВЛ200-К, ВЛ320-К и ВЛ500-К (таблица А25). Тип вентиля расшифровывается: В - вентиль; Л - лавинный; 50, 100, 200, 320, 500 - предельные токи (I_пр, А) при оговоренных условиях использования, К - класс по напряжению).

Класс по напряжению это условная цифровая кодировка рекомендуемого обратного напряжения диода: К = U_обррек/100, например, для диода с U_обррек = 800 В класс определяется как 8, или для диода 10 класса U_обррек = 1000 В.

Условиями использования диода в эксплуатации являются:

скорость охлаждающего воздуха, м/с:	12	6	0
коэффициент снижения токовой нагрузки, Кн охл	1,0	0,9	0,25
длительность протекания прямого тока, эл. град.	180	120	90	60	30
коэффициент снижения токовой нагрузки, Кн имп	1,0	0,82	0,72	0,55	0,38

С учетом изложенного, выбор типа диода для использования в вагонной выпрямительной установке должен производиться:

I_п > К_{н охл}К_{н имп}I_{пр ср расч} = 0,250,8293,9 = 19,25 А

где К_{н охл} и К_{н имп} - коэффициенты снижения токовой нагрузки в зависимости от скорости охлаждающего воздуха и длительности протекания прямого тока.

В соответствии с параметрами диодов примем к установке диоды ВЛ50 с характеристиками:

Предельный ток диода 20 А, рабочее напряжение 500 В