Определение расхода энергии на движение ЭПС

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Определение удельного расхода энергии на движение трамвая

В настоящее время электрический транспорт является жизненно важным и связующим звеном между различными сферами человеческой деятельности. Роль электрического транспорта в современной жизни с каждым годом только увеличивается, поскольку он является самым экологически чистым видом транспорта в городе. Отметим, что для правильной организации режимов поездов, а также создания и эксплуатации электроподвижного состава широко применяются положения теории электрической тяги.

С помощью методов теории тяги можно решить такие практические задачи как: обоснование и выбор параметров трамваев, их характеристик, организации движения, и определение расхода электрической энергии. В данной главе проводится расчет удельного расхода энергии на движение трамвая оснащенного реостатно-контакторной и импульсной системами управления. Для расчета был выбран трамвай КТМ-71619 с двигателем ДК-260А

Таблица 1.1 - Характеристики трамвайного вагона КТМ - 71619

Вместимость пассажиров		135
Масса трамвая	Gт , кг	18600
Полная масса	G , кг	28700
Диаметр колеса	Dк , мм	710
Передаточное отношение	µ	7,143
Максимальная скорость	Vмакс , км/ч	75
Число ТЭД	Z	4/60

Таблица 1.2 - Характеристики тягового электродвигателя ДК - 260А

Напряжение	U , B	275
Мощность часового режима	Pч, кВт	50
Номинальная частота вращения	Об/мин	1140
Максимальная частота вращения	Об/мин	4050
Ток часового режима	Iч , А	214
Ток длительный	Iд , А	178
Число коллекторных пластин	K	145
Число витков обмотки последовательного возбуждения	Wв	24
Число витков обмотки параллельного возбуждения	W	320
Сопротивление обмотки якоря при 100°С	rя , Ом	0,073
Сопротивление обмотки последовательного возбуждения при 100°С	rв , Ом	0,065
Сопротивление обмотки дополнительных полюсов при 100°С	rд , Ом	0,034

Электромеханические характеристики тягового двигателя ДК-260 А приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1-Электромеханические характеристики тягового двигателя ДК-260А

Определение пускового тока

На максимальный пусковой ток накладываются ограничения по сцеплению и по коммутации:

Iмакс< Iком; Iмакс<Iсц (2.1)

Iком - максимальное значение тока определяемое из условия коммутации, в соответствии с государственным стандартом (ГОСТ 2582 - 93) Iком=2Iч.

Iком=2·Iч=2·214=428 А.

Iсц - максимальный ток определяется по максимальной силе сцепления и электромеханическим характеристикам для полного поля, и определяется по формуле:

(2.2)

где Fмакс - максимальная сила, ограниченная сцеплением (кГс); ш - коэффициент сцепления поезда, для трамваев с общим полотном принимается равным (0,16…0,17) [1]; Gсц - сцепной вес поезда, равный полному весу трамвая.

Так как трамвай имеет четыре тяговых двигателя, то полученное значение необходимо уменьшить в четыре раза.



Принимаем Fмакс=1200 кГс. По электротяговой характеристике находим

Iсц=350 А.

Так как Iмакс < Iком; Iмакс < Iсц, то максимальный ток принимаем

Iмакс=350 А.

Средний пусковой ток определяется по формуле:

(2.3)

где К1 - коэффициент неравномерности, характеризующий неравномерность пускового тока; Кз - коэффициент запаса выбирается в зависимости от принятой системы управления и числа ступеней пускового реостата.

Для трамваев К1=0; Кз=1; система управления автоматическая многоступенчатая

Для пассажирского электроподвижного состава выбранное значение среднего пускового тока проверяется по допускаемому пусковому ускорению =2 м/с2

Проверка проводится в следующем порядке: для Iп по электромеханическим характеристикам определяется Fп, по кривым удельного основного сопротивления движению определяется для скорости, соответствующей моменту выхода на автоматическую характеристику полного поля при пуске. Тогда величина среднего пускового ускорения будет равна:

, (2.4)

Построение тяговых и тормозных характеристик

Тяговые характеристики поезда F(V) строятся на основании электромеханических характеристик двигателя на ободе колеса F(I) и V(I). Каждой позиции (ступеней регулирования скорости) схемы управления соответствует тяговая характеристика, представляющая автоматическую зависимость между силой тяги и скоростью ЭПС. На рис 2.2 показаны электромеханические характеристики F(I) и V(I) для четырех ступеней регулирования скорости ПП, ОП1, ОП2, ОП3 и соответствующие этим ступеням тяговые характеристики, полученные путем переноса скорости и силы тяги при одинаковом токе двигателя.

Рисунок 2.2-Электромеханические характеристики F(I)

При механическом торможении тормозная сила создается за счет создания сил трения между соприкасающимися взаимно скользящими поверхностями.

На трамваях применяется колесно-колодочные тормоз, у которого поверхностью трения служат бандажи колесных пар, а для экстренного торможения применяется рельсовый электромагнитный тормоз.

Характеристика удельных тормозных сил при механическом торможении b(V) рассчитывается по выражению:

(2.5)

где: цК - расчетный коэффициент трения, зависящий от типа тормозов.

Для дисковых и барабанных тормозов цК рассчитывается по формуле:

(2.6)

Для рельсовых электромагнитных тормозов цК рассчитывается по формуле:

(2.7)

Для V=0 км/ч:

Тормозной коэффициент поезда и характеризует мощность тормозных средств поезда. При рабочем нажатии колодок тормозной коэффициент принимается равным 0,7имакс для подвижного состава городского транспорта.

Для экстренного торможения трамвая удельная тормозная сила рельсового электромагнитного тормоза определяется выражением:

(2.8)

Суммарное нажатие всех башмаков УKp в расчётах принимается равным двойному весу поезда, т.е. 2•G= УKp .

Обозначим b1раб и b1экстр удельные тормозные силы для дисковых и барабанных тормозов при рабочем и экстренном торможении соответственно. И b2раб удельные тормозные силы для рельсовых электромагнитных тормозов при рабочем торможении. Принимаем .

Пример расчета:

При рабочем торможении для рельсовых электромагнитных тормозов

.:

При рабочем торможении для дисковых и барабанных тормозов

.:

При экстренном торможении:

Таблица 2.1- Удельные тормозные силы

V	b1раб	b2раб	bэкстр.
км/ч	кГс/т	кГс/т	кГс/т
0	126	180	360
10	105	150	300
20	90	128,57	257,14
30	78,75	112,5	225
40	70	100	200
50	63	90	180
60	57,27	81,82	163,64
75	50,4	72	144

Характеристики b(V) приведены на рисунке 2.2

Рисунок 2.2 - Характеристика удельных тормозных сил

Характеристики реостатного торможения V(IT) и B(IT) рассчитываются исходя из заданного тормозного реостата на основании следующих формул:



(2.9)

(2.10)

(2.11)

Значения (E/n)Г находятся по нагрузочным характеристикам по кривой для тока двигателя равного 0. Считаем, что потери в двигателе и механической передаче равны для тягового и тормозного режимов ДF=ДB (рисунок 2.3)

Рисунок 2.3 - Характеристики электротормозной и электротяговой сил ТЭД

Сначала рассчитываем характеристику B(I). Находим по ней максимальный тормозной ток из условия, что максимальная тормозная сила ограничена условиями сцепления:

(2.12)

где: ш - коэффициент сцепления принимается, так же как и в тяговом режиме;

z - количество двигателей на ЭПС;

GT - тормозной вес поезда равный весу трамвая;

K0 - коэффициент ограничения принимается равным 0,9

Рисунок 2.4- Характеристики электротормозной и электротяговой сил ТЭД последовательного возбуждения

Тогда, соответственно максимальный тормозной ток:

Iтмакс=230 А

Рассчитываем средний и минимальный тормозной ток рассчитываем по формулам:



(2.13)

(2.14)

Значение K1 принимается, как и для тягового режима.

Определяем максимально допустимое напряжение на ТЭД в генераторном режиме, ограниченное потенциальными условиями на коллекторе.

(2.15)

(2.16)

(2.17)

В выражениях (2.15)…(2.17):

eср - среднее напряжение между коллекторными пластинами;

K, N - соответственно число коллекторных пластин и число проводников обмотки якоря ТЭД, N=2K, К=145;

p, a - число пар полюсов ТЭД и число пар параллельных ветвей обмотки якоря, p=2, a=1;

бi - дуга полюсного перекрытия, для ТЭД бi=0,63…0,67;

eм - максимальное напряжение между коллекторными пластинами, зависящее от толщины межсегментной изоляции Д.

Учитывая, что FВ=IWВeср определяется по формуле:

(2.18)

где: WВ - число витков обмотки возбуждения.

На ТЭД трамваев толщина межсегментной изоляции составляет Д=0,8мм при этом eм=38 В.

Максимальное значение тормозного реостата:

(2.19)

Рассчитываем скоростные характеристики соответствующие RT=0 по формуле (2.9). Результаты расчета приведены в таблице 2.2

Значение (Е/n)г0 по рисунку 3.1

А вит

магнитный поток:

В/(об/мин)

тормозная сила

км/ч

кГс

скорость при Rт=0:

км/ч

скорость при Rт=max:

км/ч

Таблица 2.2-Электромеханические характеристики ТЭД при реостатном торможении.

Iт	E/n	СФг	V	V	B	V	F	ДPc+ДPм
А	В/(об•мин-1)	Вб	км/ч	км/ч	кГс	км/ч	кГс	Вт
			RT=0	RT=RTМАКС
50	0,106	5,684	1,513	27,023	142,38	46,868	66,222	3263
100	0,158	8,472	2,030	36,258	353,46	30,428	268,41	1626
150	0,194	10,4	2,480	44,295	628,59	23,955	516,76	1150
200	0,213	11,42	3,011	53,792	913,33	21,065	763,37	1004
250	0,228	12,2	3,524	62,955	1217,1	19,018	1021,4	920
300	0,242	12,98	3,976	71,019	1555,3	17,215	1302,2	810
350	0,252	13,51	4,454	79,568	1895,9	15,896	1575,6	787,5
400	0,261	14	4,915	87,799	2247,1	14,733	1862	680
450	0,267	14,32	5,406	96,554	2597	13,801	2132	642,4

Аналогично построению характеристики силы тяги строим характеристику силы торможения. На нее накладываются следующие ограничения:

1) по допустимому напряжению на коллекторе, характеристика рассчитывается по формуле:

(2.20)

2) по максимальной скорости ;

3) по максимальному току двигателя на основании характеристики B(IT) определяется максимальная тормозная сила Вмакс=1200кГс;

4) по сцеплению.

Таблица 2.3-Скоростная характеристика двигателя в генераторном режиме при максимально допустимом напряжении

Iт	СФг	Vmax
50	5,684	115,9
100	8,472	76,72
150	10,4	61,66
200	11,42	55,4
250	12,2	51,17
300	12,98	47,44
350	13,51	44,92
400	14	42,76
450	14,32	41,19

На рисунке 2.5 представлены тормозные характеристики ТЭД последовательного возбуждения, работающего в режиме генератора с самовозбуждением.

Рисунок 2.5-Тормозные характеристики ТЭД

Расчет и построение кривых движения поезда

Для построения кривых движения необходимо провести обработку профиля пути.

Реальная дорога характеризуется продольным профилем, содержащим все данные, определяющие её расположение на местности: план линии, отметки высот точек перелома, величины уклонов, расположение кривых, их радиусы и длины и т.д. В данной квалификационной работе был произвольно выбран профиль трассы.

Рисунок 2.6 - План и профиль трассы

Так как данный профиль не содержит частых изменений, то отсутствует необходимость его приведения.

На спусках, на которых удельное основное сопротивление движению больше или равно уклону , не приходится осуществлять подтормаживание поезда, так как при выбеге его движение будет замедленным или равномерным . Такие спуски принято считать безвредными, в противном случае спуски считаются вредными.

Механическая удельная работа тяговых двигателей будет равна:

- на подъеме длиной

; (2.21)

- на безвредном спуске длиной

; (2.22)

Общая механическая работа, затраченная при движении на участке с любым количеством разных по профилю участков, будет равна:

(2.23)

Следовательно эквивалентная работа , считается работа равной работе, затраченной поездом на прохождение участка общей длинной L с эквивалентным уклоном :

. (2.24)

Для упрощения расчета следует значения основного удельного сопротивления движению принять одинаковым на всех участках и равным среднему значению , определяемому по кривой при скорости на 10% выше пусковой .

Тогда формула для расчета эквивалентного уклона:

(2.25)

По формуле (2.25) можно вычислить эквивалентный уклон для одного направления движения. Для противоположного направления эквивалентный уклон будет иметь другую величину. Общий для обоих направлений эквивалентный уклон можно определить как среднее арифметическое из обеих величин.

Расчет начнем с определения по кривой при скорости на 10% выше пусковой .

, следовательно ;

Механическая удельная работа:

Дж.



Эквивалентная механическая удельная работа ТЭД:

Дж.

Эквивалентный уклон в прямом направлении:

Расчетно-графический способ построения кривых движения

Приращения времени и пути вычисляем для городского электрического транспорта соответственно по выражениям:

(2.26)

(2.27)

Произведем расчет для первого интервала скоростей в режиме тяги:

По характеристикам сил fД(V) находим:

По формулам (2.26-2.27) находим численные значения , .

По аналогии рассчитываем для остальных интервалов скоростей.

Кривые движения, рассчитанные графоаналитическим способом показаны на рис. 2.7.

По построенным кривым движения рассчитаем для каждого направления движения величину средней скорости движения по перегону ,пусковое ускорение aп и тормозное замедление ат по следующим выражениям:

(2.28)

(2.29)

(2.30)

Прямое направление:



Определение расхода энергии на движение поезда по кривым потребляемого тока

Для оценки эффективности ИСУ необходимо определить расход электрической энергии и сравнить его с расходом при РКСУ. Расчеты приводятся для двух систем управления.

Электрическая энергия, расходуемая на движение поезда за какое-либо времяТ, определяется интегралом:

(2.31)

где: А - расход энергии за времяТ, Втч;

t - время, с;

Uc - напряжение на токоприемнике ЭПС, В;

I - ток, потребляемый всеми ТЭД поезда, А.

Кривые потребляемого поездом тока для различных систем управления приведены на рисунке 2.6.

а) б)

Рисунок 2.7- Кривые потребляемого тока

а- при ИСУ, б- при РКСУ

Для сравнительной оценки расхода энергии в разных условиях его относят к определенному измерителю, например, к 1т веса поезда и к 1км пройденного пути. Этот удельный расход энергии Ауд, выражаемый в,рассчитывается по формуле:

(2.32)

где: L - длина участка, на котором определяется расход энергии, км;

G - полный вес поезда, т .

При расчетах (2.31) и (2.32) принимают обычно напряжение на токоприемнике поезда неизменным и равным среднему его значению за время движения поезда с включенными двигателями, так как при этом же допущении строятся кривые движения поезда, на основании которых рассчитываются поездные токи, следовательно, можно принять, что

(2.33)

Таким образом, для определения расхода энергии необходимо найти, который в некотором масштабе изображается площадью, ограниченной кривой I(t) в заданных пределах и осями координат. Поэтому одновременно с построением кривых V(t) построим кривые тока поезда I(t),для чего используем полученные в работе кривые тока поезда в зависимости от скорости движения V(I) при тяге (рис. 2.7). Ток откладываем в масштабе на том же графике, где построены кривые движения при соответствующей скорости. На кривой тока I(t) должны быть отмечены точки перехода с одного соединения двигателей на другое (если применяется перегруппировка ТЭД) и с одной ступени ослабления поля на другую.

Если площадь кривой I(t) равна S [мм2], то

(2.34)

где: mI - масштаб тока, А/мм;

Интеграл можно вычислить следующим образом: всю кривую I(t) разбивают на отдельные небольшие интервалы времени ?t1, ?t2, ?t3, ... . Для каждого интервала времени определяем средний ток .Перемножая значения и для каждого интервала и суммируя полученные произведения за все время Т, рассчитываем удельный расход энергии.

(2.35)

Чтобы определить расход энергии с учетом собственных нужд поезда, а также на вводах первичного тока тяговых подстанций, воспользуемся выражением:

(2.36)

где: - средний КПД тяговой подстанции, равный 0,94…0,96;

- средний КПД тяговой сети, равный 0,92…0,94;

- средняя скорость сообщения, определяемая с учетом остановок;

-мощность нагрузки собственных нужд.

Результаты расчетов показателей энергопотребления для различных систем управлений приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5- Результаты энергетических расчетов

Параметр	РКСУ	ИСУ
	6588	5888
Ауд,	100,2	90
(Ауд)п,	116,3	104,8



Выводы

энергия трамвай электромеханический тяговый

Следует отметить, что наиболее точным методом является расчет расхода энергии по кривым потребляемого тока. Определение расхода энергии на движение ЭПС по кривым потребляемого тока может дать наиболее точный результат только при условии построения кривых движения, отвечающих реальным условиям. Для оценки изменения расхода энергии в зависимости от условий движения необходимо при построении кривых движения моделировать различные дорожные ситуации. При реализации достаточно большого количества кривых движения в различных дорожных условиях можно получить результаты, высоко коррелирующие с эмпирическими данными. Для более полного анализа расчеты проводятся для трамвая, оборудованного РКСУ и ИСУ, движущегося по перегону длиной 350 метров.

Размещено на Allbest.ru

...