Проектирование основных элементов электрооборудования городского электрического транспорта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современный городской электрический транспорт является одним из основных видов транспорта, предназначенный для маршрутного обслуживания населения в городах.

Используя электрический ток в качестве энергоносителя, электрический транспорт имеет весьма существенные преимущества в сравнении с другими видами транспорта.

На современном этапе в РБ важное значение придаётся разработке и проектированию новых конструкций трамваев и троллейбусов, а в перспективе и вагонов метрополитена.

Задачей курсового проектирования по дисциплине «Электрооборудование ГЭТ» является получение учащимися практических навыков в проектировании основных элементов электрооборудования городского электрического транспорта.

Раздел 1 Технологическое описание транспортной установки

Краткая характеристика электрического подвижного состава городского транспорта. Электрическим называют такой вид транспорта, движение которого осуществляется при помощи тяговых электродвигателей.

Городской электрический транспорт -- это массовый общественный транспорт, предназначенный для маршрутного обслуживания населения. Он должен обеспечивать: высокую надежность и безопасность движения; максимум удобств для пассажиров при минимальной стоимости перевозок; необходимую частоту и регулярность движения на линии; высокую скорость сообщения и требуемую провозную способность; минимальный шум, создаваемый электроподвижным составом.

Основные виды городского электрического транспорта (ГЭТ) - трамваи, троллейбусы метрополитен. В отдельных случаях применяют монорельсовые дороги, электромобильный транспорт и др.

Троллейбус -- безрельсовый контактный вид ГЭТ. Существенные преимущества троллейбуса: для организации его движения не требуются специальные путевые устройства; обеспечивается безопасность удобство посадки и высадки пассажиров в результате непосредственного подъезда к тротуару; по сравнению с рельсовым транспортом троллейбус более бесшумный; по сравнению с автобусами -- не создает продуктов сгорания. Это имеет особое значение в связи с проводимыми в городах мерами но охране окружающей среды ров. Недостатки троллейбуса: более высокий удельный расход электроэнергии и сложные условия токосъема по сравнению с трамваем; меньшая маневренность по сравнению е автобусом и необходимость устройства контактной сети и подстанций, что обуславливает более высокие первоначальные затраты на строительство.

Основные требования к тяговому электрооборудованию и его классификация. Электродвигатели, системы управления источники питания составляют тяговое электрооборудование электроподвижного состава. Требования к электрооборудованию определяется условиями его работы. По сравнению с электрооборудованием стационарных установок тяговое электрооборудование работает в более тяжелых условиях и характеризуется в основном следующим:

1. Вследствие неровностей дороги, а также колебании и вибраций механической части подвижного состава электрооборудование работает при частых ударных воздействиях и тряске. Это требует повышенной механической и электрической прочности деталей и узлов электрооборудования высокой надежности их креплений. Для уменьшения ударных воздействий стремятся делать электрооборудование 1 полностью подрессоренным.

2. При движении электроподвижного состава в электрооборудование-» проникает загрязненный и влажный воздух, а иногда грязь, снег. Поэтому изоляционные материалы должны иметь влагостойкую изоляцию, а все металлические детали надежное антикоррозионное покрытие .номинальное напряжение, применяемое на городском электрическом транспорте, значительно выше, чем в промышленных установках. Это повышает требования к коммутационной надежности тяговых электродвигателей и других высоковольтных вспомогательных электрических машин, рассчитанных также на работу в условиях переходных процессов, связанных с частыми и резкими изменениями напряжения в контактной сети.

Электрический подвижной состав работает с резко переменной нагрузкой па меняющемуся профилю пути; параметры воздуха(влажность и температура), охлаждающего электрооборудование, изменяются в широких пределах, что приводит к значительному изменению температуры обмоток и токоведущих частей электрооборудования. Тяговые электродвигатели и электрические аппараты должны надежно работать при самых неблагоприятных сочетаниях температуры обмоток и напряжения в контактной сети.

3. Пространство для размещения и монтажа электрооборудования на подвижном составе весьма ограничено, поэтому тяговое, электрооборудование должно иметь по возможности малые габариты и вес. По назначению тяговое электрооборудование делят на следующие группы: тяговые электродвигатели, электрические аппараты; вспомогательные электрические машины; источники питания цепи управления, освещения и сигнализации. В группу электрооборудования автономного и комбинированного электроподвижного состава, кроме того, входят автономные источники питания тяговых электродвигателей (тяговая аккумуляторная батарея или тяговый генератор с устройствами для регулирования его напряжения). По системе возбуждения различают электродвигатели последовательного, смешанного и независимого возбуждения. Двигатели последовательного возбуждения по сравнению с. двигателями параллельного возбуждения имеют следующие основные преимуществам условиях резко меняющейся нагрузки обладают естественными тяговыми характеристиками v(F), позволяющими лучше использовать .электроподвижной состав и устройства . Например, при больших нагрузках (во время движении на подъеме или при пуске) у этих двигателей с ростом тока автоматически падает скорость и возрастает магнитный поток, что способствует уменьшению перегрузки обмоток двигателя по току. При уменьшении нагрузки автоматически возрастает скорость и уменьшается магнитный поток. Эти свойства обеспечивают более равномерную нагрузку электрооборудования и устройств энергоснабжения (тяговых подстанций и сетей); при параллельной работе двигателей более равномерно распределяются нагрузки между их цепями, значительно лучше работают в переходных режимах, вследствие большей коммутационной стойкости к появлению кругового огня на коллекторе, меньших значений максимальных величин переходного тока, меньшего напряжения на изоляции обмоток возбуждения и механического усилии на валу двигателя при одинаковой мощности имеют несколько меньшие вес и габариты за счет уменьшения объема изоляции обмотки последовательного возбуждения. В связи с вышеизложенным, двигатели последовательного возбуждения получили широкое применение в качестве тяговых и вспомогательных. Двигатели параллельного возбуждения в качестве тяговых не применяются. Двигатели смешанного возбуждения по своим свойствам занимают промежуточное место между двигателями параллельного и последовательного возбуждении. Их применение на электроподвижном составе городского транспорта обусловлено большей простотой регулирования скорости путем изменения магнитного потока по сравнению с двигателями последовательного возбуждения и возможностью осуществления электрического торможения практически без усложнения схемы на электроподвижном составе применяют тяговые электрические аппараты, которые можно разделить па следующие группы: токоприемники; резисторы и индуктивные шунты; аппараты с индивидуальным приводом (контакторы с электромагнитным и электропневматическим приводом, выключатели, разьединители и пр.); аппараты с групповым приводом (реверсоры, тормозные и реостатные переключатели, контроллеры управления и пр.); аппараты защиты и управлении (реле, автоматические выключатели, предохранители, разрядники); аппараты цепей питания и сигнализации (реле-регуляторы для регулирования и защиты зарядного генератора, выключатели, кнопки, арматура цепей сигнализации). Источники питании и электрические аппараты цепей сигнализации обычно комплектуют из стандартного электрооборудования автобусов или машин специального назначения. Многие электрические аппараты с индивидуальным приводом (выключатели, реле, контакторы с электромагнитным приводом) выполняют на базе стандартных электрических аппаратов для промышленных установок. Конструкция групповых электрических аппаратов тесно связана с принципиальными техническими решениями силовой схемы и схемы управления, поэтому они обычно имеют различное исполнение применительно к конкретным схемам электроподвижного состава. Групповые приводы позволяют упростить электрооборудование и повысить, надежность его работы.

4. Системы управления и их классификация. При управлении тяговыми электродвигателями (ТЭД) выполняются следующие основные операции подключение ТЭД к контактной сети и отключение от нее по воле водителя или автоматически (например, при перегрузках, коротких замыканиях, исчезновениях напряжения в контактной сети, превышениях напряжения выше допустимой величины); переключение ступеней пуско-тормозных реостатов; переключение ступеней в цепи возбуждения для изменения магнитного поля ТЭД: переключение ТЭД с одной группировки па другую; переключение цепей ТЭД с тяга на торможение и обратно; включение режима торможения, переключение схемы с одного вида торможения на другой (например, с рекуперативного на реостатное или с реостатного на механическое); изменение направления движения электроподвижного состава (реверсирование направления вращения ТЭД); отключение части ТЭД при аварийном режиме. Перечисленные операции предусматриваются не на всех типах ЭПС. Например, на многих троллейбусах и некоторых типах трамвайных вагонов не делают перегруппировку ТЭД при пуске.

5. Системы управления ТЭД в зависимости от вида пусковых устройств разделяют на ступенчатые и плавные, а от способа приведения в действие электрических аппаратов -- на системы непосредственного и системы косвенного (дистанционного) управления.

Любую систему управления необходимо выполнять с учетом следующих общих требований: операции но управлению ТЭД должны производиться простыми и легко запоминающимися манипуляциями (рукоятками или .педалями контроллера управления), причем одновременно нельзя использовать более одной рукоятки или педали. Все рукоятки и педали должны быть сблокированы между собой так, чтобы исключить ошибочные действия и обеспечить при любых условиях более безопасный режим - торможения; отказ в работе какого-либо электрического аппарата не должен вызывать неправильного режима' (например, тягового режима в место тормозного и пр.); аппараты и все цепи, соединяющие их между собой с ТЭД, должны работать надежно; должно быть обеспечено максимальное облегчение труда водителя--легкое и удобное обслуживание оборудования в эксплуатации; обеспечение минимальных габаритов и веса регулирующей аппаратуры, а также минимальной стоимости системы управления и расхода на обслуживание ее аппаратов.

тяговый фильтр электродвигатель колесо

Раздел 2 Построение диаграммы движения

Под технологическим циклом понимается минимальная последовательность технологических операций или режимов. Анализ процесса перевозки пассажиров на городском электротранспорте позволяет сформировать следующую последовательность таких режимов:

-разгон до номинальной скорости; тяговый режим на номинальной скорости;

-выбег с номинальной скорости до скорости входа в зону остановки;

-торможение в зоне остановки до скорости доводки;

-доводка в режиме выбега или дотягивание до точки остановки;

-торможение с фиксацией в зоне остановки;

-остановка с разгрузкой - загрузкой пассажиров.

При эксплуатации транспортной установки в городских условиях строится диаграмма движения машины, зависимость ее скорости движения от времени нахождения на перегоне. Вид диаграммы движения показан на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Диаграмма движения на перегоне Па диаграмме выделяются наиболее характерные участки: * Оа разгон с постоянным ускорением; * аб движение с постоянной установившейся скоростью; * бв выбег (движение по инерции); * вг электродинамическое торможение; * гд - участок дотягивания; * де - участок механического торможения

Длина перегона S численно равна площади фигуры, ограниченной кривой Оабвгде и осью времени. Длина перегона должна соответствовать заданию на проектирование. Аналогично строятся диаграммы движения для перегонов с заданными значениями уклонов. Значение ускорения при разгоне и торможении по условиям комфортности выбирается в интервале 0,7 - 1.5 м/с .

Средняя скорость на перегоне:

где - время движения на перегоне, с.

Общее время технологического цикла:

где - время посадки-высадки пассажиров.

Средняя скорость доставки пассажиров:

Средняя скорость доставки пассажиров должна соответствовать средней скорости транспортного потока в городе. 25 - 30 км в час.

Раздел 3 Выбор тягового двигателя

Выбор потребной мощности тягового двигателя является одним из наиболее ответственных этапов тягового расчета троллейбуса. При повышенной мощности тягового двигателя улучшаются динамические качества троллейбуса, возрастает средняя скорость движения, но увеличиваются габариты и масса тягового двигателя, размеры трансмиссии, что влияет на стоимость изготовления троллейбуса. При недостаточной мощности тягового двигателя троллейбус, обладая низкими тягово-скоростными свойствами, будет создавать помехи для более скоростных видов транспорта, движущихся в общем транспортном потоке. При этом, чем хуже тягово-скоростные свойства троллейбуса и чем больше его габариты и масса, тем больше он создает помех в транспортном потоке и уменьшает эффективность пассажирских перевозок. Выбор двигателя производится в два этапа:

1) Предварительный расчет.

Потребную максимальную мощность Рмах (кВт) тягового двигателя определяют из уравнения тягового баланса троллейбуса, имеющего полную массу m(т), учитывая, что при установившемся движении с максимальной скоростью VMAX (км/ч) при заданном дорожном сопротивлении уд его ускорение равно нулю:

где -плотность воздуха, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, g = 9,806665 м/с2.

Кв - коэффициент обтекаемости;

Ав - площадь лобовой поверхности троллейбуса (площадь Миделя), м2;

Vmax - максимальная скорость движения троллейбуса, км/ч;

- коэффициент полезного действия трансмиссии;

m - полная масса троллейбуса, кг;

-коэффициент дорожного сопротивления.

Рассчитанную мощность сравнивают с мощностью тяговых двигателей троллейбусов - аналогов. По итогам анализа, делают заключение о правильности расчета мощности тягового двигателя и возможности его установки на троллейбус.

По определенной мощности Рмах выбирается тяговый двигатель из числа выпускаемых промышленностью, имеющий мощность, близкую к требуемой, желательно наиболее высокооборотный, но в то же время обеспечивающий нормальную величину передаточного числа ведущего моста iм. Передаточное число моста выбирается по условиям движения троллейбуса на максимальной скорости:

где - расчётный радиус ведущего колеса, м.

- максимальная частота вращения тягового двигателя, об/мин.

В процессе расчета уточняются параметры выбранною тягового электродвигателя и проверяется ею работоспособность в наиболее тяжёлых условиях. Для проверки режимов работы удобно пользоваться динамической характеристикой троллейбуса с выбранным тяговым двигателем. Для её построения необходимо иметь величины КПД тягового двигателя и всех узлов трансмиссии .

Таблица 3.1 - Усреднённый коэффициент сопротивления качению

Опорная поверхность	Коэффициент сопротивления качению, f
Наименование	Состояние
Асфальтное покрытие	Хорошее	0,007...0,015
	Удовлетворительное	0,015...0,02
Обледенелая дорога	Лед	0,015...0,03
снег	Рыхлый	0,10...0,3
	Укатанный	0,03..0,05

Таблица 3.2 - Коэффициент продольной аэродинамической силы и коэффициент обтекаемости для различных автомобилей

Автомобиль	сх	кв
Грузовой
Бортовой	0,090... 1,15	0,5... 0,7
С кузовом фургон	0,8... 1,0	0,5...0,6
Автопоезд	1,4...1,55	0,85...0,95
Автобус
Капотной компоновки	0,75... 0,9	0.45...0.55
Вагонной компоновки	0,6...0,75	0,3 5... 0,45

Проверочный расчет. В процессе этого расчета уточняются параметры выбранного тягового электродвигателя и проверяется его работоспособность в наиболее тяжелых условиях. Для проверки режимов работы удобно пользоваться динамической характеристикой троллейбуса (графическое изображение зависимости динамического фактора от скорости ) с выбранным тяговым двигателем. Для ее построения необходимо иметь величины КПД тягового двигателя и всех узлов трансмиссии

КПД тягового двигателя определяется по графику, зависимость необходимо построить. Делается это следующим образом. В каталоге, по которому выбирался тяговый электродвигатель, приведены зависимости КПД от частоты вращения. Так как передаточное число моста и расчетный радиус колеса известны, строится график . На него наносится кривая изменения силы тока , или напряжения в зависимости от электрической схемы. Коэффициент полезного действия трансмиссии характеризует потери мощности в трансмиссии и равен произведению коэффициентов полезного действия ее механизмов (карданная передача, механизмы ведущего моста):

Для проектных расчетов рекомендуются следующие значения КПД отдельных механизмов трансмиссии: карданного шарнира = 0,995; главной передачи = 0,93...0,97; колесной передачи (редуктора) 0,96...0,98.

Для проверки работоспособности тягового электродвигателя на динамической характеристике (рис. 3.1) берутся точки, соответствующие наиболее характерным режимам работы троллейбуса. К таким режимам относятся:

- движение с максимальной скоростью;

- движение с минимальной скоростью.

Рассмотрим каждый режим работы троллейбуса отдельности.

Режиму максимальной скорости соответствует минимальный динамический фактор = 0,05. Тяговый двигатель в этом случае работает при максимальной частоте вращения и развивает D, при этом минимальный крутящий момент, который может быть определен по формуле:

,

где - расчётный радиус ведущего колеса, м;

- передаточное число моста;

- кпд трансмиссии.

Зная крутящий момент двигателя и частоту вращения его вала по характеристикам тягового электродвигателя определяют величины: КПД двигателя , потребляемую величину тока или напряжения .

Минимальная скорость движения , как правило, используется при преодолении троллейбусом максимального сопротивления. Последнее имеет место при движении на подъем с углом уклона до 20° . В этом случае величина динамического фактора максимальна и составляет Dmax = 0,4...0,5.

Отметив на динамической характеристике эту точку, для нее, как и для первого режима, находят все необходимые оценочные параметры. На этом режиме допускается некоторая перегрузка тягового двигателя. В связи с тем, что характеристика тягового электродвигателя является основой для расчета параметров движения троллейбуса, рассмотрим более подробно расчет характеристик тяговых электродвигателей с различными способами возбуждения и требования к ним.

Рисунок 3.1 Динамическая характеристика троллейбуса с характерными точками

Выбранный двигатель удовлетворяет требованиям, если выполняется условие:

,

где - номинальная частота вращения двигателя, об/мин.

Раздел 4 Построение электромеханических характеристик, приведенных к ободу колеса строятся по характеристикам соответственно формулам:

;

;

где - КПД тяговой передачи;

, % - потери в передаче (табл. 4.1);

- передаточное число редуктора.

Таблица 4.1 Потери в передаче и моторно-осевых подшипниках

	25	30	40	50	60	70	100	150	200
, %	8,5	6,7	4,4	3,2	2,7	2,5	2,5	3,0	3,5

При построении характеристик двигателей на ободе колеса для перечисленных видов подвижного состава потери в передаче принимаются по опытным данным.

Сила тяти двигателя на ободе колеса иногда выражается в несколько ином виде, например:

;

.

Полезная мощность на ободе колеса, кВт,

.

Тяговые характеристики строятся по характеристикам и . При построении характеристик по оси силы тяги откладывают z, а при построении в удельных значениях откладывают удельную силу тяги

=

Рис. 4.1 Электромеханические характеристики тягового двигателя ДК-259А на ободе колеса без учёта потерь в редукторе при

Аналогично строятся характеристики ускоряющих сил тяги:

.

Процентные и универсальные характеристики.

Процентные электромеханические или тяговые характеристики строятся по соответствующим характеристикам путём деления на их значения при номинальном (часовом) режиме.

Универсальные характеристики получают из процентных как средние процентные характеристики ряда двигателей данного вида электроподвижного состава. Электромеханические характеристики тяговых двигателей приведены на рис 4.1 и в табл. 4.2-4.8.

Таблица 4.2 Электромеханические характеристики тягового двигателя ДК-108Г1, вагонов метрополитена, отнесённые к ободу колеса, при

	Усиленное возбуждение ( )	Нормальное возбуждение ( )	Ослабленное возбуждение ( )
	, км/ч		, %	, км/ч		, %	, км/ч		, %
50	72,5	686	72,5	-	-	-	-	-	-
75	51,5	1770	83	-	980	-	-	-	-
100	41,5	2940	86,2	72,5	1770	82,3	-	-	-
125	36,2	4250	87	58,4	2700	86	87	1666	82,3
150	32,5	5540	86,7	50	3730	87	71,5	2450	85,6
200	27,8	8280	85	41	5830	86,3	57	4165	86,3
250	25	11170	82,5	36,2	8090	84,5	49	6076	85
300	22,8	14210	80	32,5	10540	83	43,1	8036	83,5
350	21,2	17450	77,7	29,5	13130	81	38,3	10290	81,6
400	20	20880	75,3	26,7	25880	78,7	34	12640	79,5

Таблица 4.3 Электромеханические характеристики тягового двигателя ДК-117, вагонов метрополитена, отнесённые к ободу колеса, при

	Усиленное возбуждение ( )	Нормальное возбуждение ( )	Ослабленное возбуждение ( )
	, км/ч		, %	, км/ч		, %	, км/ч		, %
100	57,5	1860	82,5	-	-	-	-	-	-
125	49	2790	84,5	-	-	-	-	-	-
150	43,8	3920	85,5	78	2350	84,3	-	-	-
200	37,5	6220	86,4	60	3820	87	91,5	2400	83,5
250	33,6	8720	86	51,5	5680	87,6	76	3680	85,8
300	31,9	11270	85,5	45,1	7840	87,8	66,7	5100	87
350	28,7	13920	84,7	41	10090	87,6	60,1	6660	87,6
400	27	16610	83,9	38	12310	87,4	55,5	8330	87,5

Таблица 4.4 Электромеханические характеристики тягового двигателя ДК-259Г, трамвайных вагонов, отнесённые к ободу колеса, при

		)
	, км/ч		, %	, км/ч		, %	, км/ч		, %
0	48	-	-	-	-	-	-	-	-
50	27	1666	80	50	784	65	-	98	-
75	23	2940	85	34	1860	77	67	880	68
100	21	3920	86	28	2940	83	52,5	1770	78
150	19	6760	88	22	5880	87	37	3430	85
200	17	9610	85	19	8820	84	30	5684	85,5
250	15	12940	83	17	12250	82	26	7840	84,5
300	14	16470	80	15	15490	78	23	10290	82

Таблица 4.5 Электромеханические характеристики тягового двигателя ДК-259Д, трамвайных вагонов, отнесённые к ободу колеса, при

	, км/ч		,	, %	, км/ч		,	, %
-300	51,5	-	6580	-	-	-	-	-
-250	40	-	6850	-	-	-	-	-
-200	32,3	-	6610	-	-	-	-	-
-150	27,2	-	5830	-	-	-	-	-
-100	24,5	-	4400	-	-	-	-	-
-50	22,5	-	2500	-	-	-	-	-
0	21	-	-	-	-	-	-	-
50	19,3	2100	-	84,5	-	-	-	-
100	18,4	4670	-	89,0	57	1470	-	81,5
150	17,5	7400	-	88,7	43,3	2950	-	86
200	16,7	10130	-	87,2	36,3	4750	-	85,8
250	16	12800	-	85,2	32,1	6600	-	84,5
300	15,5	15200	-	83,0	28,8	8620	-	83

Таблица 4.6 Электромеханические характеристики тяговых двигателей ДК-261А и ДК-261Б, трамвайных вагонов, отнесённые к ободу колеса, при

	ДК-261А	ДК-261Б
		,	,	,
	, км/ч		, %	, км/ч		, %	, км/ч		, %	, км/ч		, %
50	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
100	33,6	2840	88	-	-	-	26,8	3090	83,5	85,3	-	-
150	26,6	5180	87,5	63,6	2030	86	23,7	5450	87	61,5	2100	81,3
200	22,2	7800	86,5	52,5	3550	88	22,3	7880	86,5	50,3	3480	86,9
250	20,0	10780	85	38,2	5070	87,5	21,2	10200	85,1	44,8	4870	87,3
300	18,5	1360	83	33,4	6700	87	20,1	12600	83,2	41,2	6300	86,7
350	-	-	-	-	-	-	19,3	15200	81	38,3	7700	85,5

Таблица 4.7 Электромеханические характеристики тяговых двигателей троллейбусов, приведенные к ободу колеса, при

	ДК-211А	ДК-211Б
	, км/ч		, %	, км/ч		, %	, км/ч		, %	, км/ч		, %
100	40	4169	86	-	-	-	41,3	3875	86,2	-	-	-
150	31,3	8535	89	67,3	-	-	32,3	8339	88,8	-	-	-
200	27	13145	89,5	51	7161	92	27,2	12949	89,5	67,2	5297	90,3
250	24,3	18050	89,1	43,3	10595	92,5	24,2	17950	89,3	55	8142	91,5
300	22,7	23152	88,5	38,7	14323	92,2	22,4	23152	88,6	48,2	11282	91,7
350	21,3	28498	87,5	35,1	18198	91,8	21,4	28547	87,4	43,8	14568	91,5
400	20,4	33746	86,2	32,2	22367	91,2	20,8	33845	86	40,3	17952	91

Таблица 4.8 Электромеханические характеристики тяговых двигателей троллейбусов, приведенные к ободу колеса, при

	ДК-207Г при	ДК-210А-3 при
	,	,	,
	, км/ч		, %	, км/ч		, %	, км/ч		, %	, км/ч		, %	, км/ч		, %
0	-	-	-	48	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
50	75	980	70	32,5	2450	85	32,25	2550	80,75	38	1960	79	-	-	-
75	48	2500	85	28	4750	89,5	29,25	4500	85,25	34,5	3720	83,5	-	-	-
100	38	4700	89,5	26	6860	91	27	6660	88	32,25	5390	87,5	-	-	-
150	28	9210	92	23	12150	92,5	24	11650	89	29	9200	89,7	63	-	-
200	24	14700	90	20,5	17640	90	21,5	16650	88,5	26,75	13000	89,5	54	6560	88
250	21,5	21170	89	19	23520	89	20	21600	87,5	25,2	17000	88,5	48	9100	88,75
300	19,5	27440	87,5	17,5	29790	87,5	18,6	2700	86	24	21600	87,25	43,25	11950	88,25
350	17,5	34300	86	16,5	36260	86	17,5	33100	84,25	22,75	26200	85,75	40	15000	87,5
400	16,5	41160	84	15,5	42630	84	16,75	39500	82,25	22	31400	84,50	38	18000	86,25

Раздел 5 Регулирование скорости ЭПС

5.1 Регулирование скорости при релейно-контакторной системе управления

Управление тяговыми электродвигателями (ТЭД) состоит из следующих основных операций: пуска в ход; изменения скорости движения; электрического торможения; изменения направления движения (реверсирования).

При наличии на ЭПС нескольких ТЭД в случае повреждения в одном из них обычно предусматривается возможность сохранить управление транспортным средством.

Электрические аппараты связаны с ТЭД и между собой цепями, которые составляют силовую схему.

Скорость (км/ч) электрического подвижного состава с ТЭД постоянного тока

где Um -- напряжение сети, приходящееся на один двигатель; I -- ток в якоре;

rдв -- сопротивление обмоток цепи якоря двигателя; Rn-- сопротивление пускового реостата; С -- постоянная величина (зависит от параметров ТЭД, передаточного числа редуктора и диаметра ведущих колес); Ф -- магнитный поток возбуждения.

Следовательно, скорость можно регулировать изменением напряжения Uдв, сопротивления Ru и возбуждения магнитного потока Ф.

Регулирование скорости при помощи сопротивлений неэкономично, так как связано с большими потерями энергии в реостатах. Поэтому такой способ регулирования скорости применяют только при пуске. Достоинством способа является возможность осуществления достаточно плавного регулирования, начиная с нуля и до скорости выхода на естественную характеристику.

Регулирование скорости изменением напряжения возможно осуществлять, например, при помощи тиристорно-импульсного преобразовательного устройства.

При наличии на ЭПС нескольких ТЭД иногда применяют перегруппировку ТЭД с последовательного на параллельное соединение во время пуска. В этом случае потери энергии в пусковых реостатах за время пуска снижаются примерно в два раза [34]; получается удобная дополнительная безреостатная характеристика для движения ЭПС с малой скоростью; существенно снижается расход электроэнергии при эксплуатации.

Скоростные характеристики при различных группировках двигателей можно построить с помощью (5.1.1). Если к напряжению сети Un подключить т двигателей последовательно, то при = 0 на каждом из них напряжение Um=Un/m и скорость

Заменим СФ в (10.2) согласно (10.1), тогда при Uдв=Uдв.н и = 0 получим

где -- скорость при номинальном напряжении на зажимах двигателя.

Характеристика силы тяги F(I) мало зависит от напряжения на двигателях, т. е. ее можно принять одинаковой для обеих группировок.

Известны следующие способы перегруппировки ТЭД: полным отключением силовой цепи; коротким замыканием одной группы двигателей, шунтированием одной группы двигателей; шунтированием обеих групп двигателей; по мостовой схеме. Эти способы достаточно подробно рассмотрены в [9]. Для современного ЭПС ГЭТ с высокими динамическими показателями все способы перегруппировки, кроме последнего, неудовлетворительны, так как при перегруппировке снижается больше чем в два раза пусковая сила тяги и сам процесс занимает время порядка 0,5--0,7 с. Если учесть, что время реостатного пуска составляет всего 3--4 с, то время перегруппировки значительно, что существенно снижает среднее ускорение электроподвижного состава.

Перегруппировка по мостовой схеме проходит в одну позицию, занимает 0,15--0,2 с и может выполняться без потери силы тяги. Поэтому такой способ перегруппировки, а также регулирование возбуждения тягового двигателя на ЭПС ГЭТ применять целесообразно.

5.2 Регулирование скорости ослаблением поля возбуждения

Процесс пуска ЭПС разделяют па две стадии: первую, в течение которой выводятся пусковые сопротивления, и вторую, когда изменяется величина возбуждения тяговых электродвигателей. Скорость во второй стадии пуска, а также при движении по естественной характеристике можно определить из выражения (5.1.1), полагая Rп=0.

Подвижной состав городского транспорта работает в режимах частых пусков и остановок. Как известно, потери электрической энергии в пусковых реостатах пропорциональны квадрату скорости v2п выхода на естественную характеристику. Эта скорость при прочих равных условиях обратно пропорциональна магнитному потоку двигателей. Поэтому на электрическом подвижном составе городского транспорта применяют ТЭД с широким диапазоном регулирования скорости путем изменения магнитного потока, которые обеспечивают значительное уменьшение потерь электроэнергии в пусковых реостатах и расширяют область регулирования скорости изменением возбуждения. Их выполняют с малым насыщением магнитной цепи при номинальном режиме и с большим воздушным зазором. При одинаковой силе тяги в области высокой скорости и ослабленном поле они позволяют получить более низкую тяговую характеристику (низколежащую) при полном поле. Их режим полного поля обычно кратковременный, в связи с чем обмотку возбуждения в этом режиме можно рассчитать на работу с перегрузкой. За номинальный режим, при котором обмотку возбуждения рассчитывают на длительный ток, можно принять ослабление поля, например на 50%. В двигателях смешанного возбуждения при полном поле создается перегрузка обычно обмотки параллельного возбуждения.

Регулирование скорости можно получить одним из следующих способов: отключением части витков обмотки последовательного возбуждения; параллельным присоединением к обмотке последовательного возбуждения шунтирующих сопротивлений; комбинацией первых двух способов; регулированием величины тока в обмотке параллельного возбуждения (в электродвигателях смешанного возбуждения).

Поскольку величина поля определяется величиной магнитодвижущей силы ТЭД, степень ослабления поля можно оценить коэффициентом регулирования поля *

где i и -- МДС возбуждения при ослабленном и полном поле.

Коэффициент а меньше единицы и обычно выражается в процентах. Отношение МДС равно отношению магнитных потоков на прямолинейной части характеристики намагничивания; в насыщенной части кривой намагничивания при одном и том же изменении МДС магнитный поток изменяется меньше, тогда Фо.п/Фп.п> >=?.

При первом способе ослабления поля (рис. 5.2.1, а), когда контактор 2 замкнут, а 1 -- разомкнут,

т. е. коэффициент регулирования поля равен отношению части витков , остающихся при ослабленном поле, к полному числу витков обмотки возбуждения .

Рис. 5.2.1. Схемы ослабления поля способом Рис. 5.2.2. Схема Рис. 5.2.3. Схема отключения части обмотки возбуждения ослабления поля ослабления поля переключением ОВ шунтированием

Выключаемая секция обмотки возбуждения w2 должна быть отсоединена от цепи, иначе она окажется замкнутой накоротко и при резких изменениях тока двигателя в замкнутой секции w2, как во вторичной обмотке трансформатора, будет наводиться ЭДС взаимоиндукции, возникнут ток и МДС. Эта МДС направлена навстречу МДС основного возбуждения (обмотки ). В результате этого задерживается процесс изменения магнитного потока и при резких колебаниях напряжения в контактной сети может быть нарушена нормальная коммутация и может возникнуть круговой огонь на коллекторах ТЭД.

Способ регулирования скорости отключением части обмотки возбуждения применяют обычно при относительно неглубоком ослаблении поля, когда МДС изменяется одной ступенью. При двух и большем количестве ТЭД на подвижном составе колебание силы тяги при переключении ступеней ослабления поля может быть значительно уменьшено, если допустить на промежуточных позициях неравенство напряжений на двигателях при последовательном или неравенство токов в параллельных цепях при параллельном их соединении. В последнем случае колебания тока и силы тяги каждого двигателя получаются такими же, как и при одноступенчатом ослаблении поля, а колебания силы тяги и тока подвижного состава уменьшаются примерно в два раза.

На рис. 5.2.1, б показан такой двухступенчатый переход при последовательном соединении двигателей. Вначале контактором 2 выключается часть обмотки одного двигателя, а затем на следующей, второй, ступени контактором 3 -- части обмоток обоих двигателей. После включения контактора 2 выключается контактор 1, а после включения контактора 3 -- контактор 2*. Здесь первая ступень ослабления поля используется только как переходная.

В принципе этот способ может применяться и при регулировании поля в достаточно большом диапазоне, как показано, например, на рис. 5.2.2. При числе витков первой секции обмотки возбуждения, в два раза большем, чем число витков второй секции {w1 = 2 w2), эта схема позволяет ослабить поле до 33,3% тремя ступенями (табл. 5,2.1). На первой позиции ослабления поля ОЯ] включается контактор 2 и выключается контактор 1. Выводится вторая секция обмотки возбуждения. При этом а--2/3 (66,6%). На второй позиции ОП2 контактором 3 обе секции обмотки включаются параллельно. Сопротивления секций обмотки можно принять пропорциональными числу их витков. Тогда а=2(2/3) * (1/3) = = 4/9 (44,4%). На третьей позиции ОПъ контактором 2 отключается первая секция обмотки и получается а=1/3 (33,3%).

Таблица 5.2.1

Позиции регулирования поля	Контакторы	а, %	Позиции регулирования поля	Контакторы	а, %
	1	2	3			1	2	3
ПП ОП1	X	X		100 66,6	ОП2 ОП3		X	X X	44,4 33,3

При втором способе ослабления поля остается неизменным число витков, а ослабление поля достигается изменением тока возбуждения, поэтому

Здесь -- ток в обмотке возбуждения двигателя при шунтировании; -- ток в якоре двигателя.

Величину коэффициента регулирования поля можно также определить по соотношению сопротивлений обмотки возбуждения гв и цепи шунтирования rш. Действительно, , откуда

или

Из равенств (5.2.3) видно, что можно получить любую величину ослабления поля. Обычно ослабление поля осуществляется ступенчатым изменением сопротивления гш. На рис. 5.2.3 показана одна ступень ослабления поля. При помощи дополнительных контакторов можно получить несколько (практически любое число) ступеней ослабления поля.

Каждый из рассмотренных способов ослабления поля имеет свои недостатки. При регулировании поля по первому способу требуются дополнительные выводы обмотки возбуждения, что приводит к некоторому увеличению радиальных размеров, массы и усложнению конструкции ТЭД. Для регулирования поля по второму способу кроме контакторов и резисторов требуется дополнительный, довольно тяжелый аппарат -- индуктивный шунт, назначение которого будет объяснено ниже.

При ослаблении поля по первому способу получаются более стабильные тяговые характеристики, так как на степень ослабления поля практически не оказывает влияние температура обмоток возбуждения. При ослаблении поля по второму способу на отклонение тяговых характеристик от расчетных оказывают влияние температура обмоток, сопротивление контактов и проводов в силовой цепи, а также допуски на величину сопротивлений шунтирующей цепи.

На подвижном составе применялись оба способа. Однако в последние годы находит применение преимущественно второй способ ослабления поля из-за более простой конструкции ТЭД.

Способ ослабления магнитного поля при ТЭД смешанного возбуждения зависит от их выполнения. Если преобладает МДС параллельной обмотки возбуждения, то ослабление поля осуществляется уменьшением тока в ней путем введения в ее цепь сопротивления.

Когда преобладает МДС последовательной обмотки возбуждения, то обмотка параллельного возбуждения часто используется только при реостатном торможении, а последовательная -- только при тяговом режиме. В этом случае изменение скорости осуществляется шунтированием обмотки последовательного возбуждения, как и при ТЭД с последовательным возбуждением.

5.3 Регулирование скорости в цепи двигателя

Для получения достаточно высоких скоростей сообщения при движении с частыми остановками на коротких перегонах, а также для снижения потерь энергии в пусковых реостатах пуск стремятся осуществлять при высоких ускорениях. При этом нарастание ускорения должно быть достаточно плавным, так как на пассажиров оказывает влияние производная ускорения по времени, т. е. величина da/dt.

Рис. 5.3.1 Пусковая диаграмма бесступенчатого пуска

Плавные системы пуска могут обеспечить при ограниченном сцепном весе и максимальном токе относительно большие ускорения, но обычно требуют более сложной электрической аппаратуры (по сравнению с аппаратурой для ступенчатого пуска).

К плавным можно отнести мелко ступенчатые системы с коллекторными и клавишными контроллерами.

Наиболее рациональна пусковая диаграмма бесступенчатого пуска ABC (рис. 5.3.1). Для плавного трогания с места при пуске, а также уменьшения динамических воздействий на тяговую передачу начальное ускорение следует выбирать не более анач= 0,3?0,4 м/с2 при ненагруженном подвижном составе. По этому ускорению и характеристике силы тяги можно определить начальный пусковой ток Iнач. Далее ускорение должно постепенно возрастать до максимального установившегося значения ау, которому соответствует ток tу. Время нарастания ускорения tнач должно быть выбрано таким, чтобы скорость изменения ускорения а' от aнач (Gт/Gн) до ау не превышала 1,5--2 м/с2; при нормальной нагрузке подвижного состава

где GT и GH-- масса подвижного состава, соответственно ненагруженного и нормально нагруженного.

Установившееся значение ускорения выбирают для пуска нормально нагруженного состава на горизонтальной площадке. При этом нужно следить за тем, чтобы при наиболее тяжелом пуске максимальное значение пускового тока не превышало допустимого тока по условиям коммутации, а соответствующая ему сила тяги не превышала предельной силы тяги по условиям сцепления. При расчетах максимальный ток двигателя (при плавном пуске /у) нежелательно выбирать больше Iмакс= (1,8?1,9)Iч. Ограничение по сцеплению Fц=10?Gn (кН) определяется коэффициентом сцепления ?(v) и нагрузкой ...