3341 ЭИ

3341	МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
	ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электрический железнодорожный транспорт»

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНЫМ СОСТАВОМ (ЭПС)

Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 190300.65 «Подвижной состав железных дорог»

специализации «Электрический транспорт железных дорог» очной и заочной форм обучения

Составители: В.А. Силаев А.С. Тычков

САМАРА

2013

УДК 629.423.1.064.5

Системы управления электроподвижным составом (ЭПС) : методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 190300.65 «Подвижной состав железных дорог» специализации «Электрический транспорт железных дорог» очной и заочной форм обучения / составители : В.А. Силаев, А.С. Тычков. – Самара : СамГУПС, 2013. – 68 с.

Методические указания содержат исходные данные для курсового проекта, методику и последовательность расчетов параметров электрооборудования, образующего системы управления ЭПС, и характеристик электровозов постоянного и переменного тока с электрическим торможением как в рамках курсового, так и для элементов дипломного проектирования.

Утверждены на заседании кафедры 31 октября 2013 г., протокол № 3. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составители: Силаев Валерий Алексеевич Тычков Александр Сергеевич

Рецензенты: д.т.н., профессор кафедры «Муниципальный пассажирский транспорт» В.М. Руцкий; к.т.н., доцент кафедры «Электротехника» Д.А. Попов

Под редакцией составителей Компьютерная верстка Е.А. Ковалева

Подписано в печать 25.12.2013. Формат 60x90 116 . Усл. печ. л. 4,25. Заказ 254.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2013

2

	Оглавление
Введение.............................................................................................................................		4
Правила оформления.........................................................................................................		5
Часть 1. Электровоз постоянного тока .................................................................................		7
1.	Исходные данные..........................................................................................................	7
2.	Мощность тяговых двигателей и их количество.......................................................	7
3.	Характеристики и некоторые параметры тяговых двигателей .............................	10
4.	Пусковые резисторы и их характеристики ..............................................................	17
5.	Система рекуперативного торможения ...................................................................	20
6.	Содержание проекта, порядок расчета параметров и характеристик. ..................	30
Вопросы для подготовки к выполнению и защите части 1 курсового
	проекта (электровоз переменного тока)....................................................................	33
Библиографический список ...........................................................................................		34
Часть 2. Электровоз переменного тока ..............................................................................		35
1.	Задание и исходные данные.......................................................................................	35
2.	Характеристики и некоторые параметры тягового двигателя при
	номинальном напряжении..........................................................................................	36
3.	Схема силовых цепей электровоза............................................................................	38
4.	Тяговый трансформатор.............................................................................................	41
5.	Преобразовательные установки.................................................................................	44
6.	Характеристики преобразователя..............................................................................	46
7.	Тяговые характеристики электровоза.......................................................................	50
8.	Ограничения тяговых характеристик........................................................................	52
9.	Тормозные характеристики........................................................................................	54
10. Содержание проекта, порядок расчета параметров и характеристик..................		61
Вопросы для подготовки к выполнению и защите части 2 курсового
	проекта (электровоз переменного тока)....................................................................	64
Библиографический список ...........................................................................................		65
Приложение............................................................................................................................		66

3

ВВЕДЕНИЕ

Целью работы является углубление знаний и получение навыков расчета и выбора параметров электрооборудования, образующего систему управления ЭПС, основных схемных решений и характеристик электровозов постоянного (часть 1) и переменного тока (часть 2) с электрическим торможением и индивидуальным приводом на каждую ось.

Теоретический материал, который является основой для выполнения расчетов, изложен в библиографических списках. Объем проекта (работы) определяет преподаватель. Последовательность расчетов приведена в разделе 6 (для части 1) и разделе 10 (для части 2).

Дисциплина «Системы управления ЭПС» в современной структуре тягового подвижного состава российских железных дорог, с одной стороны, ввиду поэтапного перехода от ручного управления ЭПС к автоведению становится более актуальной. С другой стороны, по той же причине объем требований к знаниям систем управления ЭПС для локомотивных бригад заметно снижается и в будущем сведется только к знаниям современных информационных технологий автоведения. Процесс перехода к полному автоведению займет 10–15 лет, приблизительно столько же времени понадобится на обновление локомотивного парка, способного полностью использовать возможности цифровых информационных технологий. На этот переходной период курсовая работа по дисциплине «Системы управления ЭПС» должна предоставить обладание (частичное) студентом следующих компетенций:

ПК-3 – способность приобретать новые математические и естественно-научные знания, используя современные образовательные и информационные технологии;

ПК-5 – владение основными методами, способами и средствами получения, хранения и переработки информации, навыками работы с компъютером как средством управления информацией; автоматизированными системами управления базами данных; ПК-16 – понимание устройства и взаимодействия узлов и деталей подвижного состава; владение техническими условиями и требованиями, предъявляемыми к подвижному составу при выпуске после ремонта; владение теорией движения поезда, методами реализации сил тяги и торможения, методами нормирования расхода энергоресурсов на тягу поездов; владение технологиями тяговых расчетов, методами обеспечения безопасности движения поездов при отказе тормозного и другого оборудования подвижного состава; владение методами расчета потребного количества тормозов, расчетной силы нажатия, длины тормозного пути; умение проводить испытания подвижного состава и его узлов, осуществлять разбор и анализ состояния

безопасности движения; ПК-32 – готовность к организации проектирования подвижного состава; умение

разрабатывать кинематические схемы машин и механизмов, определять параметры их силовых приводов, подбирать электрические машины для типовых механизмов и машин, обосновывать выбор типовых передаточных механизмов к конкретным машинам; владение основами механики и методами выбора мощности, элементной базы и режима

4

работы электропривода технологических установок; владение технологиями разработки конструкторской документации, эскизных, технических и рабочих проектов элементов подвижного состава и машин, нормативно-технических документов с использованием компьютерных технологий;

ПК-33 – способность выполнять расчеты типовых элементов технологических машин и подвижного состава на прочность, жесткость и устойчивость, оценить динамические силы, действующие на детали и узлы подвижного состава, формировать нормативные требования к показателям безопасности, выполнять расчеты динамики подвижного состава и термодинамический анализ теплотехнических устройств и кузовов подвижного состава;

ПК-35 – способность осуществлять поиск и проверку новых технических решений по совершенствованию подвижного состава, анализировать поставленные исследовательские задачи в областях проектирования и ремонта подвижного состава на основе подбора и изучения литературных, патентных и других источников информации.

Информация, получаемая при выполнении курсовой работы, весьма важна для успешного прохождения производственной практики и освоения специальных дисциплин, изучаемых на последующих курсах. Следовательно, курсовая работа является важной составной частью курса и требует соответствующего отношения со стороны студентов.

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ

1.Текст следует размещать, соблюдая следующие размеры полей: левое – не менее 30 мм, правое – не менее 10 мм, верхнее – не менее 15 мм, нижнее – не менее 20 мм.

2.Заголовки разделов располагаются симметрично тексту. Переносы слов в заголовках не допускаются. Точку в конце заголовка не ставят. Если заголовок состоит из двух предложений, их разделяют точкой, которая должна быть внутри строки.

3.Страницы нумеруют арабскими цифрами. Титульный лист включают в общую нумерацию, номер страницы не ставят, на последующих страницах номер проставляют в правом верхнем углу.

4.Номер раздела, номер подраздела, номер пункта обозначают арабскими цифрами (например, 4.2.2 – четвертый раздел, второй подраздел, второй пункт).

5.Иллюстрации (таблицы, чертежи, схемы, графики), которые расположены на отдельных страницах, включают в общую нумерацию страниц.

Рисунки обозначают словом «Рис.» (ниже рисунка и поясняющих надписей) и нумеруют последовательно арабскими цифрами (например, Рис. 3.2, где первая цифра соответствует номеру раздела, вторая – порядковому номеру рисунка в этом разделе), размещают после первой ссылки на соответствующий рисунок в тексте. Наименование рисунка помещается над ним, поясняющие данные – под ним.

5

6.В правом углу таблицы над соответствующим заголовком помещают надпись «Таблица» с указанием ее номера арабскими цифрами (например, Таблица 5.3). Заголовок помещают выше таблицы, но ниже надписи «Таблица . . . ». Заголовок не подчеркивают, таблицу помещают после первого упоминания о ней в тексте.

7.Формулы нумеруют арабскими цифрами, номер формулы указывают с правой стороны листа на уровне формулы в круглых скобках, например (3.7).

8.Пояснения значений символов и числовых коэффициентов в формулах следует приводить непосредственно под формулой в той же последовательности, в какой они даны в формуле. Значение каждого символа и числового коэффициента следует давать с новой строки. Первую строку объяснения начинают со слова «где» без двоеточия.

9.Уравнения и формулы следует выделять из текста свободными строчками. Выше

иниже каждой формулы должно быть оставлено не менее одной свободной строки. Если уравнение не умещается в одну строку, оно должно быть перенесено после знака равенства (=) или после знаков плюс (+), минус (–), умножения (х) и деления (:).

10.Ссылки в тексте на источники указывают порядковым номером по списку источников, выделенным квадратными скобками, например, «как показано в [9]».

11.Ссылки в тексте на рисунки, таблицы, формулы оформляют, например, так: «показано на рис. 2.3»; «приведено в табл. 7.4»; «определяется выражением (5.3)».

6

Часть 1. ЭЛЕКТРОВОЗ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Исходные данные выбираются в соответствии с двумя последними цифрами студенческого билета (учебного шифра) из табл. 1.1. Для всех вариантов номинальное напряжение на двигателе Uдн = 1500 В.

												Таблица 1.1
					Исходные данные
	Масса		Конструкционная скорость Vк , км/ч								Расчет-
βmin	поезда	100		110		120		130		140	ный		Кvp
	Qп ,т										подъем
		Последние		две цифры номера студенческого билета
					(учебного шрифта)						ip ,%o
0,32	3500	01		21		74		83		95	12		0,44
0,45	4000	47		02		22		75		84	7		0,35
0,33	4500	62		48		03		23		76	11		0,43
0,44	5000	00		63		49		04		24	8		0,36
0,34	5500	11		25		64		50		05	10		0,42
0,43	6000	37		12		26		65		51	9		0,37
0,35	6500	69		38		13		27		66	12		0,41
0,42	7000	90		70		39		14		28	7		0,38
0,36	7500	94		89		71		40		15	11		0,4
0,41	8000	06		29		44		67		73	8		0,39
0,37	7750	52		07		30		45		68	10		0,38
0,38	7250	82		53		08		31		46	9		0,37
0,39	6750	77		81		54		09		32	10		0,38
0,4	6250	72		78		80		55		10	11		0,41
0,41	5750	16		99		41		79		96	9		0,37
0,34	5250	57		17		34		42		93	10		0,42
0,42	4750	85		58		18		35		43	8		0,36
0,33	4250	98		86		59		19		36	11		0,43
0,43	3750	33		91		87		60		20	7		0,35
0,32	3250	88		56		92		98		61	12		0,44

2. МОЩНОСТЬ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ИХ КОЛИЧЕСТВО

Как показано в [1, 2], мощность и количество тяговых двигателей грузовых электровозов определяется в зависимости от крутизны расчетного подъема на участке пути, для которого проектируется электровоз и скорости, которую он должен удерживать постоянной на этом подъеме с поездом заданной массы.

7

Сначала определяют, какой мощностью должен обладать электровоз для выполнения указанной выше работы, кВт:

	Рэр	=	Fэр Vр	,	(2.1)
			367

где Fэр – сила тяги электровоза на расчетном подъеме, кН; Vр – скорость электровоза на расчетном подъеме, км/ч.

Как известно из [3], сила тяги электровоза при установившейся скорости (dv/dt = 0) равна сопротивлению движению поезда, кН:

Fэр = Qп (ω0 + ip) ,

(2.2)

где Qп – масса поезда, т (см. задание);

ω0 – основное удельное сопротивление движению поезда, кН/т; ip – расчетный подъем, ‰ (см. задание).

Основное удельное сопротивление движению поезда зависит от скорости движения (в данном случае от установившейся скорости на расчетном подъеме Vр). Между расчетной и конструкционной скоростями существует прямая зависимость [2]:

Vp = Kvp · Vк ,

(2.3)

где Vр – расчетная скорость, км/ч;

Kvp – коэффициент расчетной скорости (см.задание), Vк – конструкционная скорость, км/ч (см.задание).

Зависимость между ω0 и Vp показана на рис. 2.1 [1].

ω0, кН/т 8

6

4

2

Vр, км/ч

0

40

80

120

160

200

Рис. 2.1. Зависимость средневзвешенного удельного сопротивления движению грузового поезда от скорости

8

Известно, что определяющим параметром тягового двигателя является мощность часового режима (номинальная мощность). Ясно, что на расчетном подъеме двигатель работает с перегрузкой, т. е. реализует мощность более номинальной.

Практикой установлено [2], что между номинальной мощностью электровоза (кВт) и мощностью, реализуемой на расчетном подъеме, существует соотношение:

Pэн = Рэp / Кр ,

(2.4)

где Кр = 1,1 – коэффициент эксплуатационной перегрузки на расчетном подъеме [1]. Поэтому номинальная (часовая) мощность тягового двигателя с учетом (2.1)

определится как

Рдн =	Рэр	,	(2.5)
	Кр m

где m – количество тяговых двигателей.

Количество тяговых двигателей, наряду с мощностью, является другой важной характеристикой проектируемого электровоза, так как определяет его осевую формулу.

Современные локомотивы, проектируются так, чтобы количество осей электровоза равнялось бы количеству тяговых двигателей при индивидуальном приводе, хотя существуют групповые приводы при одном двигателе на пару или даже на три оси.

Окончательный выбор мощности тяговых двигателей и их количество определяется из следующих соображений:

–мощность двигателя при индивидуальном приводе ограничена габаритами подвижного состава и на отечественных электровозах постоянного тока не превышает

800 кВт;

–нагрузка на ось современных локомотивов составляет:

П= 23 25 т/ось [1];

–в нашей стране, как наиболее эффективный, принят ряд осевых формул [1]:

6, 8, 12, …

Поэтому в выражение (2.5) подставляется сначала m = 6. Полученное значение должно быть Рдн ≤ 800 кВт. Если полученное значение больше, то в (2.5) подставляют m = 8, 12, и т. д.

Если количество тяговых двигателей превышает 12 то необходимо принять решение о ведении поезда несколькими одинаковыми локомотивами, а дальше расчеты выполнять для одного электровоза.

Окончательно выбранное количество тяговых двигателей при индивидуальном приводе определяет массу электровоза:

М = П m,

(2.6)

где П = 23 25 тс/ось – сила на ось;

9

Если на проектируемом электровозе предполагается установить уже выпускаемые двигатели, то найденная номинальная мощность Рдн сравнивается с характеристиками известных двигателей. Из них выбирается тот, мощность которого больше найденной Рдн, но наиболее близка к ней. Полученный запас мощности на заданном профиле пути позволит увеличить либо массу поезда, либо скорость на расчетном подъеме, что всегда экономически целесообразно.

В проекте не предусматривается подбор существующих типов тяговых двигателей. Выбрав количество ТЭД, из электровозов серий ВЛ23, ВЛ10, ВЛ11 выбирается электровоз аналог, параметры которого используются в дальнейших расчетах (см. Приложение,

табл. 1, 2, 3).

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ И НЕКОТОРЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

3.1. Характеристики при номинальном напряжении на тяговом двигателе

Для проектирования системы управления электровозом и расчета его тяговотормозных характеристик необходимы следующие параметры тяговых двигателей: номинальное напряжение Uдн, номинальный ток Iдн, коэффициент полезного действия ηдн, сопротивление обмоток двигателя rд и его составляющих: ra – якоря, rдп – дополнительных полюсов, rко – компенсационной обмотки (если она есть), rгп – главных полюсов [3]. Кроме этого, необходимы характеристики: скоростная V(I), силы тяги F(I), КПД η(I) и нагрузочная СVФ(IB) – зависимость магнитного потока Ф от тока возбуждения IB, где СV – конструктивная постоянная, зависящая от конструктивных особенностей ТЭД (от количества полюсов, типа обмоток якоря, наличия компенсационной обмотки и т. д.). Так как для электровозов постоянного тока используется последовательное возбуждение тяговых двигателей, то всегда ток возбуждения равен току двигателя.

Если тип тягового двигателя известен, то указанные выше параметры и характеристики содержатся в его паспортных данных.

Если же тип двигателя неизвестен, то для определения его параметров используется метод подобия [1], где за основу принимаются параметры номинального режима двигателя. На ЭПС постоянного тока в качестве номинального принято напряжение

Uдн = 1500 В.

Номинальный ток определяется из выражения, А:

Iдн =	P		103		(3.1)
	U	дн ηдн ,
	дн

где Рдн – номинальная мощность тягового двигателя, кВт (2.5); Uдн = 1500 В – номинальное напряжение;

ηдн – КПД номинального режима.

10