Расчет тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей и электровозов
10
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА РФ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
Кафедра «Локомотивы и локомотивное хозяйство»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
По предмету: «Электрические передачи локомотивов»
на тему: «РАСЧЕТ ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВОЗОВ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ И ЭЛЕКТРОВОЗОВ»
Выполнил студент
Группы ТЛТ-451
Курохтин Д.Н.
Проверил: Киселев В.И.
Москва 2009 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Типы электрических передач локомотивов
1.1 Электрическая передача постоянного тока
1.2 Электрическая передача переменно-постоянного тока
1.3 Электрическая передача переменного тока
1.4 Описание с изображением основных узлов тяговой характеристики тепловозов с гидромеханической и гидравлической передачей мощности.
2. Физические основы преобразования энергии в электрических машинах.
2.1 В тяговом двигателе постоянного и переменного тока
2.2. В генераторах постоянного и переменного тока
2.3. В трансформаторах
3. Создание силы тяги локомотива
4. Назначение и конструкция тяговых электродвигателей тепловозов
4.1. Назначение тяговых электродвигателей
4.2. Конструкция основных узлов и элементов тягового электрического двигателя тепловоза
5.Расчетная часть курсового проекта.
5.1. Определение параметров ТЭД на номинальном режиме
5.2. Расчет характеристики намагничивания ТЭД при различных режимах нагрузки и возбуждения
5.3.Расчет и построение внешней характеристики тягового генератора тепловоза
5.4. Расчет и построение электромеханических и электрических тяговых характеристик ТЭД с учетом параметров КМБ
5.5. Расчет и построение тяговой и токовой характеристик с учетом ограничений
6. Электроподвижной состав.
6.1. Электровозы постоянного тока
6.2. Электровозы переменного тока
6.3 Электропоезда
7. Выводы
8.Список используемой литературы
Введение
Целью курсовой работы является изучение физических процессов,, происходящих в колесно-моторном блоке (КМБ) тепловоза при преобразовании электрической энергии в механическую, и создании силы тяги. На основании рассчитанных параметров тягового электродвигателя (ТЭД) строится тяговая характеристика тепловоза с нанесением на ней ограничений по конструктивным параметрам и условиям сцепления колеса с рельсом.
При выполнении работы решаются следующие задачи:
определяются параметры ТЭД на номинальном режиме работы;
рассчитывается характеристика намагничивания ТЭД;
строятся кривые намагничивания ТЭД при различных режимах нагрузки и возбуждения;
рассчитываются и строится внешняя характеристика тягового генератора тепловоза;
строятся электромеханические и электротяговые характеристики ТЭД с учетом параметров КМБ;
рассчитывается и строится тяговая и токовая характеристика локомотива с учетом ограничений.
Исходные данные тягового двигателя тепловоза:
Номинальная мощность двигателя Рдн , кВт - 320
Число пар полюсов 2р=4 , 2а=4
Передаточное число зубчатой передачи =4,21
Номинальная частота вращения двигателя n , об/мин - 575
Номинальное напряжение двигателя Uдн , В - 480
Количество проводников якорной обмотки - 630
Диаметр колеса , мм - 1050
Число осей nос , - 6
Осевая нагрузка 2П , т - 23
Конструкционная скорость Vк , км/ч - 100
Типы электрических передач локомотивов
Назначение любого типа передач - создать дизелю постоянный режим работы, т.е. независимо от профиля пути дизель должен работать с одной и той же мощностью (не должно быть переходных режимов работы).
Передача механической энергии от коленчатого вала дизеля к колесным парам тепловозов осуществляется с помощью самых разнообразных устройств, в которых реализуются различные принципы преобразования энергии.
Из всех выделяются основные четыре типа передач, которые в различной степени применяются на тепловозах: механическая, газовая, электрическая и гидромеханическая.
Механическая передача. Самый простой по устройству тип тяговой передачи. Характеризуется жесткой (рис. 1.) кинематической связью между входным (вал дизеля) и выходным (ось колесной пары) звеньями. Основными составляющими механической передачи являются: муфта сцепления, многоступенчатый редуктор, механическая трансмиссия, которая распределяет механическую энергию от выходного вала редуктора к осям колесных пар.
мф
Рис.1.1 Схема механической передачи локомотивов.
где Д - дизель; Мф - муфта; КПП - коробка передач; ОР - осевой редуктор; КП - колесная пара.
Достоинства механической передачи:
компактность;
малая масса;
относительно малая стоимость изготовления;
высокий коэффициент полезного действия (КПД) - около 95%.
Недостатки механической передачи:
низкая эксплуатационная надежность, особенно при больших мощностях;
неполное использование мощности дизеля;
полная потеря силы тяги в процессе переключения ступеней скорости;
ступенчатое изменение силы тяги в функции скорости.
Механическая передача нашла свое применение в локомотивах малой (до 100 кВт) мощности, автомотрисах, мотовозах.
Электрическая передача. Данный тип получил широчайшее распространение на магистральных и маневровых тепловозах. При этом электрическая передача разделяется на три вида: постоянного, постоянно - переменного и переменного тока.
1.1. Передача постоянного тока
Основными составляющими данной передачи являются: тяговый генератор постоянного тока (ГТ) и тяговые электродвигатели постоянного тока (ТЭД).
Рис.1.2 Передача постоянного тока, где Д - дизель; ГГ - главный генератор; ПРА - пуско-регулирующая аппаратура; ТЭД - тяговый электродвигатель; КП - колесные пары. Достоинства электрической передачи постоянного тока: простота регулирования; простота компоновки на тепловозе; высокий КПД.
Недостатки электрической передачи постоянного тока:
большой вес и габариты конструкций;
ограничение по мощности тягового генератора.
Передачи постоянного тока находят основное применение на тепловозах мощностью до 2200 кВт.
1.2.Передача переменно - постоянного тока
Данная передача состоит из тягового генератора переменного тока (СГ), выпрямительной установки (ВУ) и тяговых электродвигателей постоянного тока (ТЭД).
Рис 1. 3 Передача переменно-постоянного тока, Д - дизель; СГ - генератор переменного тока; ВУ - выпрямительная установка; ПРУ - пуско - регулирующее устройство; ТЭД - тяговые электродвигатели; КП - колесные пары.
Достоинства электрической передачи переменно - постоянного тока:
снятие ограничения по мощности тягового генератора.
Недостатки электрической передачи постоянного тока:
уменьшение по сравнению с передачей постоянного тока общего КПД передачи.
Данным типом передачи оборудованы большинство серий современных магистральных тепловозов мощностью 1500 - 4500 кВт.
1.3.Передача переменного тока
Рис.1. 4 Передача переменного тока, где Д - дизель; СГ - генератор переменного тока; ВУ - выпрямительная установка; И - инвертор; ПРА - пуско-регулирующая аппаратура; АД - асинхронный электродвигатель; КП - колесная пара.
Достоинства передачи:
простота устройства электрических машин;
высокая эксплуатационная надежность;
хорошие весогабаритные показатели.
1.4 Тяговая характеристика тепловоза с гидравлической передачей мощности
Масса и скорость поезда -- важнейшие показатели работы железнодорожного транспорта. Тепловоз данной мощности может вести составы с различной скоростью в зависимости от их массы и профиля пути. Для определения весовых норм составов, скорости движения, времени хода и других целей служит тяговая характеристика тепловоза, которая представляет собой зависимость касательной силы тяги от скорости (рис.1.5, характеристика построена для 8-й позиции контроллера). На рис.1.5 также приведена зависимость коэффициента полезного действия тепловоза от скорости его движения и показано ограничение силы тяги по сцепному весу тепловоза. Наибольшие и наименьшие значения силы тяги и коэффициента полезного действия приведены соответственно при наименьших и наибольших затратах мощности на собственные вспомогательные нужды тепловоза.
10
Кинематическая схема гидродинамической передачи мощности
1- гидромуфта
2,3-гидротрансформаторы
2. Физические основы преобразования энергии в электрических машинах
2.1. Тяговые электродвигатели постоянного тока
Основные соотношения величин, которые характеризуют физические явления, лежащие в основе работы электрических машин (электродвигателя и генератора), можно получить на основании законов Ампера и Фарадея [1].
Рассмотрим действие однородного магнитного поля, созданного полюсами С и Ю, на проводник с током I. Вокруг проводника возникает магнитное поле, направление которого определяется по правилу буравчика (рис.2.1,а). Справа от проводника, где направления линий магнитного поля проводника и полюсов совпадают, происходит сгущение линий и, следовательно, увеличение магнитной индукции поля. Слева от проводника, где магнитные линии поля проводника и внешнего поля направлены навстречу друг другу, происходит разрежение магнитного поля (уменьшение магнитной индукции). Вследствие упругости, магнитные линии стремятся сократиться по длине и выталкивают проводник с током из области сгущения линий в область разрежения (рис.2.1,б).
Действие магнитного поля на проводник (а,б) и виток (в) с током
а) б) в)
Рис.2.1.
Результирующая электромагнитная сила F, действующая на проводник, определяется законом Ампера: электромагнитная сила, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведению силы тока I, индукции магнитного поля B и длины проводника L
F=B.I.L. (2.1)
Из формулы (2.1) следует, что B=F/(I.L). Таким образом, магнитная индукция, количественно характеризующая интенсивность магнитного поля, равна максимальной силе, действующей в магнитном поле на участок единичной длины проводника, по которому течет ток силой 1 А.
В системе СИ единица измерения магнитной индукции В - тесла.
1 Тл = 1 Н /(1 м х 1 А) .
Направление действия электромагнитной силы F определяют по правилу левой руки: ладонь левой руки нужно расположить так, чтобы магнитные линии входили в нее, и четыре вытянутых пальца совместить с направлением тока; тогда расположенный под углом большой палец укажет направление действия силы F.
Если вместо проводника поместить в магнитное поле виток с током и применить к нему правило левой руки, получим, что электромагнитные силы F, действующие на нижнюю и верхнюю стороны витка, будут направлены в разные стороны (рис.2.1,в). В результате действия этих двух сил возникает электромагнитный вращающий момент М на плече D.cos?
М=F.D.cos?, Н.м, (2.2)
где D - расстояние между сторонами витка;
? - угол между направлениями линий магнитного поля и плоскости витка.
Наибольший вращающий момент будет иметь место, когда виток с током пересекает линии магнитного поля (?=0о,180о), а наименьший - когда через площадь, ограниченную витком, проходит наибольший магнитный поток (?=90о,270о).
Свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле лежит в основе создания электродвигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую.
При пересечении проводником магнитных силовых линий в нем возникает или индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Это явление носит название электромагнитной индукции.
ЭДС, действующая в проводнике, представляет собой разность потенциалов на его концах и, следовательно, измеряется в вольтах (В).
ЭДС индуцируется в проводнике независимо от того, включен ли он в замкнутую цепь или нет. При замыкании цепи проводника в нем потечет электрический ток, вызванный ЭДС.
Явление электромагнитной индукции лежит в основе создания генераторов - электрических машин для преобразования механической энергии в электрическую.
Значение ЭДС, индуцированной в проводнике, определяется законом электромагнитной индукции Фарадея: ЭДС, наведенная в проводнике, прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника L и скорости его перемещения в направлении, перпендикулярном силовым линиям.
Направление ЭДС индукции определяют по правилу правой руки: если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец совместить с направлением движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной ЭДС.
В проводниках витка, движущихся в магнитном поле с постоянной окружной скоростью V, наводится ЭДС, переменная как по величине, так и по направлению (рис.2.2):
е=B.V.L.cos?, В, (2.3)
где ? - угол между направлениями линий магнитного поля и плоскости витка.
При ?=0о,180о проводники I и II движутся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля; в этом положении витка разность потенциалов на его концах А и Б, то есть ЭДС, максимальна. При ?=90о,270о проводники I и II перемещаются вдоль силовых линий поля, поэтому ЭДС в витке равна нулю.
В момент прохождения углов ?=90о,270о изменяются направления движения проводников I и II относительно линий магнитного поля. Поэтому, в соответствии с правилом правой руки, изменяется направление ЭДС в витке и, следовательно, полярность его концов А и Б (см. рис.2.2).
Рис.2.2. Электродвижущая сила в витке, вращающемся в магнитном поле
Таким образом, в витке с током, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электродвижущая сила. Одновременно на проводники витка действуют электромагнитные силы. Эти процессы являются основой функционирования электрических машин, то есть устройств для взаимного преобразования электрической и механической энергий.
Неразрывная связь электромагнитных явлений, вызванных взаимодействием магнитных полей полюсов и витка с током, обусловливает свойство обратимости электрических машин постоянного тока. Оно заключается в том, что любая машина может работать как генератором, так и двигателем и может переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот. Указанное свойство широко используется на локомотивах. Например, на тепловозах тяговый генератор работает в режиме двигателя (стартера) при запуске дизеля, а тяговый двигатель - в режиме генератора при электродинамическом торможении [2].
В связи с наличием у электрических машин постоянного тока свойства обратимости, принцип действия машины более подробно рассмотрим на примере электродвигателя.
Принцип действия и общее устройство электродвигателя постоянного тока
Электродвигатель - это электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую. Если двигатель получает питание напряжением постоянной полярности, то он называется двигателем постоянного тока.
Простейшая схема такого двигателя приведена на рис.2.3, где в двухполюсной магнитной системе расположена обмотка якоря (показаны два последовательно соединенных элементарных проводника, образующих виток, концы которого подключены к двум пластинам коллектора К1 и К2). Подвод напряжения к коллектору осуществляется щетками Щ1 и Щ2.
Рис.2.3. Схема простейшего электродвигателя постоянного тока
Непрерывное взаимодействие магнитного поля, создаваемого полюсами С и Ю, и магнитного поля якоря, возникающего при протекании по его обмотке тока Iд, обусловливает возникновение электромагнитных сил F1, F2 и вращающего момента на валу якоря. Одновременно в якорной обмотке индуцируется ЭДС, которая направлена, в соответствии с правилом правой руки, навстречу подводимому к двигателю напряжению (эту ЭДС иногда называют противо-ЭДС двигателя).
Таким образом, подводимое к электродвигателю напряжение стремится создать ток в обмотке якоря, чему препятствует индуцируемая ЭДС. Поэтому величина тока Iд в обмотке якоря работающего электродвигателя будет определяться не подводимым к ней напряжением Uд, а разностью между напряжением и наведенной в обмотке якоря ЭДС Ед:
Iд=(Uд-Eд)/Rд, А, (2.4)
где Rд - суммарное сопротивление якорной цепи, Ом.
Из рис.2.3 видно, что ток Iд в якорной обмотке направлен от коллекторной пластины К1 (щетка Щ1 «+») к коллекторной пластине К2 (щетка Щ2 «-»). При повороте витка на угол 180о пластина К1 переходит под щетку Щ2 «-», а пластина К2 - под щетку Щ1 «+». Это приводит к изменению направления тока в витке на противоположное - от пластины К2 к пластине К1. Одновременно в витке меняется направление ЭДС индукции (в соответствии с правилом правой руки). Такое переключение направления тока в витке якорной обмотки происходит при каждом переходе элементарного проводника из зоны действия северного полюса С в зону действия южного полюса Ю и наоборот. Процесс переключения, называемый коммутацией, осуществляется коллекторно-щеточным узлом.
