Расчет тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей и электровозов

Для уменьшения нагрева главных  полюсов, вызываемого воздействием вихревых токов, сердечники набирают из отдельных листов электротехнической стали. Собранные листы спрессовывают  и соединяют заклепками. В отверстие  листов запрессовывают стальной прямоугольный  стержень, в который вворачивают  болты, крепящие полюса к остову.

Добавочные  полюсы обеспечивают улучшение процессов коммутации (снижение искрения) при работе коллекторно-щеточного узла ТЭД. По своим размерам они меньше главных и несколько отличаются от них по конструкции (в частности, сердечник добавочного полюса цельный, отлитый из стали).

Обмотки возбуждения добавочных полюсов включены последовательно  с якорной обмоткой. Обмотки возбуждения  главных полюсов соединены между  собой так, чтобы полюса (северный и южный) чередовались между собой (рис.4.4). Катушки добавочных полюсов  соединены гибкими проводами, а  главных - шинами из медной ленты, изолированными асбестовой, резиновой и стеклянной лентами .

Рис.4.3.

Якорь электродвигателя состоит из стального сердечника и коллектора, насаженных на вал двигателя. На конец вала напрессовано малое зубчатое колесо (шестерня), передающее вращающий момент от двигателя через зубчатую передачу на колесную пару.

Сердечник якоря набран из листов электротехнической стали, толщиной 0,5 мм. По торцам сердечник удерживается на валу нажимными шайбами, которые установлены на вал с большим натягом.

На окружности сердечника якоря расположены продольные пазы, в которых размещены изолированные  проводники якорной обмотки, закрепленные стеклотекстолитовыми клиньями. Клинья предотвращают перемещение проводников  в пазах под действием центробежных сил, возникающих при вращении якоря. Лобовые части обмотки якоря (передние и задние) закреплены бандажами из стеклобандажной ленты. В последнее время начинают применять стеклометаллические бандажи.

Чтобы повысить электрическую  и механическую прочность изоляции обмоток, якорь и полюса пропитывают  в лаке ПЭ-933 (полиэфирноэпоксидном).

Рис.4.4. Схема соединения обмоток тягового электродвигателя

Для соединения проводников  обмотки якоря с источником электроэнергии служит коллекторно-щеточный узел.

Коллектор состоит из медных пластин клинообразного сечения, изолированных  друг от друга миканитовыми прокладками. Эти пластины набирают на коллекторной втулке, которую после формирования коллектора насаживают на вал электродвигателя. К каждой коллекторной пластине припаяны проводники якорной обмотки, укладываемые в пазы сердечника якоря по определенной схеме.

Коллектор, соединен с внешней  цепью, через угольно-графитовые стержни, называемые щетками. Щетки устанавливают  в специальные обоймы (щеткодержатели), кронштейны которых закрепляют на остове ТЭД через изоляторы. Для надежного  контакта щеток с поверхностью коллектора служит пружинное нажимное устройство.

Вал якоря ТЭД, изготовленный  из высококачественной стали, вращается  в двух роликовых подшипниках, запрессованных в ступицы подшипниковых щитов. В подшипниковом щите, расположенном со стороны коллектора, устанавливают опорно-упорный подшипник, а с противоположной стороны - опорный. В полости подшипников, закрытых крышками, по специальным трубкам запрессовывают смазку.

Отличительной особенностью тяговых двигателей локомотивов  является наличие моторно-осевых подшипников (МОП), которые служат опорой электродвигателя на ось колесной пары. МОП вмонтированы в специальные разъемные приливы остова двигателя и состоят из бронзовых вкладышей, смазочного устройства и крышки, закрепленной болтами. Крышка МОП служит резервуаром для смазки, которая подается к вкладышам подшипника при помощи специальных систем: циркуляционной (смазка под давлением с использованием шестеренчатого насоса) и польстерной (смазка с использованием войлочных фитилей). В зависимости от конструкции ТЭД, данные системы могут использоваться как поодиночке, так и совместно.

В заключение рассмотрим особенности  системы, которая обеспечивает нормальную работу тяговых двигателей - системы охлаждения. Во время работы ТЭД обмотка якоря и другие детали нагреваются. Для их охлаждения применяют принудительную вентиляцию (рис.4.5).

Охлаждающий воздух, подаваемый специальным вентилятором по гибким рукавам-гармошкам к вентиляционному  люку остова ТЭД, проходит через двигатель  двумя потоками: один над коллектором, сердечником якоря и в зазорах  между полюсами, другой под коллектором, через вентиляционные отверстия  в сердечнике якоря. Оба потока соединяются  в корпусе ТЭД со стороны, противоположной  коллектору, и выходят наружу через  специальные окна (люки).

Рис.4.5 Схема охлаждения тяговых  электродвигателей на локомотивах

Внутри остова ТЭД поддерживается небольшое избыточное давление воздуха, препятствующее попаданию пыли, влаги, снега.

Вентиляторы охлаждения ТЭД  могут иметь механический привод от дизеля или электрический от специальных  электродвигателей (мотор-вентиляторы). Обычно один вентилятор охлаждает несколько тяговых двигателей, установленных на одной тележке. На некоторых тепловозах применяют централизованную систему охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов.

5. Расчетная часть курсового проекта

Для тягового привода рабочими называют: электромеханические характеристики тягового электродвигателя: скоростную n_д=f(I_д), моментную M_д=f(I_д) и характеристику к.п.д. η_д=f(I_д); электротяговые характеристики F_кд=f(I_д), V=f(I_д).

5.1 Определение  параметров ТЭД на номинальном  режиме

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 (2.8), по выражению

М_д=С_м^.Ф_д^.I_д^.η_м, Н^.м, (5.1)

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 (2.6) и (2.7), характеризующих состояние электрической цепи ТЭД:

n_д=(U_д-I_д^.R_д)/(C_е^.Ф_д)

или, принимая I_д^.R_д ≈ 0,04^.U_д,

n_д=0,96^.U_д/(C_е^.Ф_д), об/мин. (5.2)

Последовательность расчета  электромеханических характеристик  включает в себя ряд этапов

1) Определение значений  коэффициентов С_е и С_м по формулам (2.9) и (2.10) в соответствии с исходными данными ТЭД.

2) Вычисление силы тока  ТЭД на номинальном режиме  работы 

I_дн=Р_дн/(U_дн^.η_дн)^.10³, А, (5.3)

где U_дн, Р_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.

3) Расчет магнитного потока  возбуждения ТЭД на номинальном  режиме работы

Ф_дн=0,96^.U_дн/(C_е^.n_дн), Вб, (5.4)

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

5.2. Расчет характеристики  намагничивания ТЭД при различных  режимах нагрузки и возбуждения

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. 5.1). 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; (5.5)

I_в=(I_в/I_вн)^.I_вн, А, (5.6)

считая, что I_вн=I_дн.

Полученные координаты точек  универсальной магнитной характеристики ТЭД необходимо занести в таблицу 5.2 и далее построить график Ф_д=f(I_в) на миллиметровой бумаге (рис. 1).

Таблица 5.1.

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

Таблица 5.2

	0,04	0,06	0,07	0,076	0,078	0,08
	185,2	370,35	555,53	740,7	925,88	1111

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 5.3. 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, (5.7)

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 α₁= . Принимаем ,

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) (рис. 1).

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 (рис.2).

Таблица 5.3.

Кривые намагничивания ТЭД  при разных режимах возбуждения

Iд A		185,2	370,4	555,5	740,7	925,9	1111
ПП  α=1,00	Iв, A	185,2	370,4	555,5	740,7	925,9	1111
	Фд, Вб	0,04	0,06	0,07	0,076	0,078	0,08
ОП1 α2=0,54	Iв, A	100	200	300	400	500	600
	Фд, Вб	0,026	0,042	0,052	0,062	0,067	0,071
ОП2 α2=0,3	Iв, A	55,6	111,1	166,7	222,2	277,8	333,3
	Фд, Вб	0,02	0,027	0,036	0,043	0,048	0,055

5.3.Расчет и  построение внешней характеристики  тягового генератора тепловоза

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; (5.8)

I_г=m^.I_д, (5.9)

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

Порядок построения внешней характеристики ТГ

а) рассчитать мощность ТГ в  продолжительном (номинальном) режиме

Р_гн = m^.Р_дн^.10³ = U_гн^.I_гн, Вт, (5.10)

где U_гн, I_гн - напряжение и ток ТГ на номинальном режиме;

б) определить максимальное напряжение ТГ

U_гmax=U_гн^.k_г, В (5.11)

и соответствующий ему  минимальный ток ТГ

I_гmin=P_гн/U_гmax, А, (5.12)

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 1,45)^.I_гн, А (5.13)

и соответствующее ей минимальное  напряжение ТГ

U_гmin=P_гн/I_гmax, В; (5.14)

г) рассчитать гиперболический  участок внешней характеристики ТГ.

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 5.4. Полученная кривая обязательно должна пройти через точку продолжительного режима работы ТГ с координатами (I_гн,U_гн) (рис. 3).

8) Построенные внешняя  характеристика ТГ U_г=f(I_г) и кривые намагничивания ТЭД Ф_д=f(I_д) позволяют рассчитать электромеханические характеристики ТЭД тепловоза по формулам (5.1), (5.2) с использованием соотношений (5.8) и (5.9).