3341 ЭИ

Рис. 3.4. Схема включения обмоток возбуждения в режиме электрического торможения (только для рекуперативного торможения)

4. ТЯГОВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

4.1. Мощность трансформатора

Тяговый трансформатор предназначен для понижения напряжения до уровня, необходимого для тяговых двигателей, вспомогательных нужд локомотива, а иногда и для электроснабжения пассажирского поезда.

Как показано в [5], для грузового электровоза фондовая мощность трансформатора при мостовом выпрямителе с регулированием напряжения на вторичной стороне, с учетом особенностей его нагружения, кВт:

РФ = 1,35РТН + РВ,

(4.1)

где РТН – номинальная тяговая мощность, кВт; РВ – мощность вспомогательных машин, кВт.

С допущениями [5]

РТН = PДН·N,

(4.2)

где РДН – номинальная мощность тягового двигателя (см. задание), кВт;

N – количество тяговых двигателей, питающихся от трансформатора (см. рис. 3.1 с учетом задания), т. е. число тяговых двигателей в одной секции электровоза.

Можно принять [5]

РВ = 0,2PДН·N.

(4.3)

На основании (4.2) и (4.3):

РФ = 1,35PДН·N + 0,2PДН·N = 1,55PДН·N.

(4.4)

Найденная по (4.4) фондовая мощность и заданное напряжение в контактной сети U1 = 25 кВ, служат исходными данными для расчета или выбора тягового трансформатора.

41

4.2. Параметры трансформатора

Если трансформатор не удалось подобрать из серийно выпускаемых, то необходимо рассчитать некоторые его входные и выходные параметры.

Приведенное эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока в номинальном режиме [3], Ом:

RЭН = 0,7 ХТН + 0,7 rтн + rср ,

(4.5)

где ХТН – индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, Ом; rтн – активное сопротивление обмоток трансформатора, Ом;

rср = 0,006÷0,01 Ом – сопротивление сглаживающего реактора (например, на BЛ80C rср = 0,0068 Ом).

Номинальное индуктивное сопротивление трансформатора, Ом:

	U	К	U'
ХТН =			20 Н	,	(4.6)
	100адIДН

где UК, % – напряжение короткого замыкания трансформатора, В;

U'20 Н – номинальноенапряжениехолостогоходавторичнойобмоткитрансформатора, В;

ад – количество тяговых двигателей, включенных параллельно и питающихся от одного выпрямительного моста (рис. 3.1), к примеру, 2 для электровозов серии ВЛ80 или 3 для серий ВЛ85 и ВЛ60;

IДН – см. (2.1), A.

В первом приближении принимают [3]

U2 0 Н

= 1,25UДН ,

(4.7)

rтн =

0,02

U2 0 Н

адIДН .

(4.8)

Подставляя (4.7) в (4.6) и (4.8), получим

ХТН =

0,125 UДН

;

(4.9)

адIДН

r

=

0,025 UДН

.

(4.10)

тн

адIДН

Подставляя (4.9) и (4.10) в (4.5), получим

R

=

0,1 UДН

+ r ,

(4.11)

ЭН

адIДН

ср

42

где ад , IДН – см. (4.6); rср – см. (4.5); UДН – см. задание.

При этом расчетное значение полного напряжения на вторичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода составит [3], В

U20 Н = 1,1· (UДН + IДН · RЭН),

(4.12)

где UДН – см.задание, В;

IДН – см. (2.1), A; RЭН – см. (4.11), Ом.

Расчетное число витков вторичной обмотки трансформатора
ω		=	U2 0	Н	=	U2 0 Н	,	(4.13)
	2		Е0			20

где U20 Н – см. (4.12), В;

Е0 = 20 В/виток – среднее значение напряжения в расчете на один виток обмотки трансформатора.

Расчетное число витков должно быть уточнено с учетом того обстоятельства, чтобы оно было целым числом и без остатка делилось на количество зон регулирования напряжения (см. задание). Например, если в соответствии с (4.13) ω2 = 64,3, а число зон регулирования равно 3, то принимаем ω2 = 66 витков, так как 66:3 = 22.

После этого проводят проверку по условию [3]:

Е =	U20	Н	= 18÷20 В/виток.	(4.14)
	ω2

Коэффициент трансформации трансформатора составит:

	КТ =	U1	,	(4.15)
		U20 Н

где U1 = 25000 В – напряжение в контактной сети; U20 Н – см. (4.12).

Число витков в первичной обмотке трансформатора:

ω1 = КТ · ω2 ,

(4.16)

где КТ – см. (4.15); ω2 – см. (4.13).

43

Схема тягового трансформатора для компоновки рис. 3.1 показана на рис. 4.1. Обмотка возбудителя изображена пунктиром, так как при резистивном торможении в ней нет необходимости. Результаты расчетов по формулам (4.12), (4.13) и (4.16) наносятся на рис. 4.1.

	ω1 =	U1 = 25 кВ
	Тяговая обмотка 1	Тяговая обмотка 1	ωВ =
Обмотка	ω21 =	ω21 =	U2В =
вспомогательных		U20H =	Обмотка
нужд	U20H =		возбудителя

Рис. 4.1. Схема тягового трансформатора с тремя зонами регулирования

Как уже было отмечено, тяговая обмотка трансформатора может быть разделена на секции, которые имеют неодинаковое количество витков. Это выполнено, например, на электровозе ВЛ80Р, где три секции тяговой обмотки трансформатора позволяют получить четыре зоны регулирования напряжения. Решение о количестве секций тяговой обмотки трансформатора принимает студент с учетом числа зон регулирования (см. задание).

5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Преобразователь электровоза переменного тока выполняется в зависимости от выбранной или заданной схемы силовой цепи с учетом вида электрического торможения (см. раздел 3).

5.1. Выпрямитель с плавным межступенчатым регулированием напряжения для резистивного торможения

Такой выпрямитель предложено использовать для электровоза с резистивным торможением (см. рис. 3.2). Здесь тяговая обмотка трансформатора а–f разделена на несколько равных частей, которых должно быть столько, сколько необходимо для заданного количества зон регулирования (см. задание).

В первой зоне регулирования включаются контакторы I и С. При этом в один из полупериодов питающего напряжения выпрямленный ток замыкается по контуру: вывод обмотки трансформатора а, диоды 9 и 10, тяговые двигатели, сглаживающий реактор, диод 3, тиристор 2, контакторы С и I, вывод обмотки трансформатора в. В другой полупериод в работе участвуют: тиристор 7, диоды 8, 4 и 5.

Тиристоры 2 и 7 отпираются с задержкой по отношению к началу полупериода на величину угла регулирования α, который по мере необходимости изменяется в интервале 0 ≤ α ≤ π. При уменьшении α до 0 возможность регулирования напряжения в первой зоне исчерпана, и дальнейшее увеличение напряжения на тяговых двигателях возможно при

44

плавном добавлении к напряжению секции обмотки трансформатора а–b, напряжения секции b–с. Это достигается в следующей последовательности операций: замыкается контактор А, при этом диод 1 принимает на себя нагрузку тиристора 2, а диод 6 – нагрузку тиристора 7; выключается контактор С; угол регулирования α быстро переводится из 0 эл.град. в π ; включаются контакторы II и Д. На этом переход во вторую зону регулирования заканчивается. Начинается плавное регулирование второй зоны с помощью тиристоров 2 и 7.

Переход в последующие зоны регулирования осуществляется аналогично.

Расчет количества диодов и тиристоров в управляемом выпрямителе с разветвленными плечами (рис. 3.2) изложен в [8].

5.2. Выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) для рекуперативного торможения

Для электровоза с рекуперативным торможением целесообразно использовать преобразователь, который мог бы работать как в режиме выпрямления, так и в режиме инвертора. В этом случае преобразователь должен быть выполнен с использованием только управляемых вентилей – тиристоров.

Наиболее целесообразно применить бесконтактную схему с секционированной тяговой обмоткой трансформатора. При этом секции обмотки трансформатора могут иметь как одинаковое, так и разное количество витков как, например, на электровозе ВЛ80Р (см. рис. 3.3). Студент выбирает схему преобразователя самостоятельно.

Описание работы схемы электровоза ВЛ80Р дано в [6] как в тяговом, так и в тормозном режимах.

5.3.Преобразователь возбудителя для рекуперативного торможения

Врежиме электрического тормоза обмотки возбуждения тяговых двигателей включаются по схеме независимого возбуждения и питаются от управляемого выпрямителя. При резистивном торможении для этой цели рационально использовать основной выпрямитель. При этом в схеме силовой цепи необходимо предусмотреть установку дополнительных контакторов.

При рекуперативном торможении ВИП не может быть использован для питания обмоток возбуждения. Поэтому здесь необходим дополнительный управляемый выпрямитель.

Простейшей схемой такого выпрямителя может быть схема с нулевым выводом, показанная на рис. 3.4, в которой, для примера, восемь обмоток возбуждения включены последовательно. В зависимости от заданного количества осей электровоза последовательно включенных обмоток возбуждения может быть разное количество, но не более восьми.

45

Для расчета параметров преобразователя возбудителя необходимо выбрать максимальный ток возбуждения и рассчитать напряжение вторичной обмотки трансформатора, связанной с возбудителем (см. пунктирные линии на рис. 4.1).

Максимальный ток возбуждения выбирают из условий нагревания обмоток тягового двигателя [1]. С допущениями примем:

IВ MAX = 1,1 IДН .	(5.1)
Тогда максимальное значение напряжения возбудителя составит [1]:
UВ MAX = IВ MAX ·rгп·N/ = 1,1 IДН ·rгп·N/ ,	(5.2)

где IДН – см. (2.1); rгп – см. табл. 2.1;

N/ – количество последовательно включенных обмоток возбуждения (см. рис. 3.4 с учетом задания), оно равно числу двигателей электровоза.

При этом напряжение вторичной полуобмотки трансформатора, необходимой для создания независимого возбуждения, пренебрегая падением напряжения, определим как

	U2 В =	UВMAX			,	(5.3)
		0,9cosαmin
	где UВ MAX – см. (5.2);
	αmin – минимальный угол регулирования для				тиристоров	выпрямителя, равный
	20 эл.град. [1, 3].
	Количество витков вторичной полуобмотки трансформатора, подключенной к
	возбудителю (см. рис. 4.1) составит:
	ωВ =		U2 В	,		(5.4)
			Е

где U2В – см. (5.3); Е – см. (4.14).

Значение, полученное по (5.4), округляется до ближайшего целого числа. Результаты расчетов по формулам (5.3) и (5.4) наносятся на рис. 4.1.

6. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

6.1. Исходные данные

Для расчета внешних характеристик необходимо знать напряжение вторичных обмоток трансформатора и напряжения короткого замыкания этих обмоток. Часть из этих параметров уже рассчитаны в разделе 4. Для дальнейших расчетов необходимо также использовать рис. 3.2 или 3.3 в зависимости от задания. Исходные данные целесообразно скомпоновать в табл. 6.1, которая соответствует рис. 3.2.

46

В соответствии с количеством зон регулирования напряжения (см. задание) количество колонок табл. 6.1 будет разным. Например, для двухзонного регулирования колонок будет 3, для четырехзонного – 5. Для рис. 3.3 таблица будет аналогичной табл. 6.1, если секции тяговой обмотки одинаковы по числу витков, если нет, то наименование выводов тяговой обмотки трансформатора будет иным. К примеру, для 4-зонного рекуперативного торможения, выполняемого по схеме рис. 3.3 с неравным напряжением секций тяговой обмотки трансформатора, наименования столбцов 2; 3; 4; 5 табл. 6.1 соответственно будут изменены на ab, ac, bd, ad (см. табл. 3 [6]). Суммарное напряжение холостого хода всех секций тяговой обмотки трансформатора (для обмотки на рис. 3.2) соответствует (4.12). Для этой же обмотки напряжение короткого замыкания – UК (см. задание), а коэффициент трансформации КT соответствует (4.15).

Другие колонки табл. 6.1 заполняются в соответствии с рис. 3.2 (либо рис. 3.3) в зависимости от того, одинаковы или различны секции тяговой обмотки трансформатора. Например, если секции одинаковы и их количество равно 4, то напряжения холостого хода в колонках 2; 3; 4 (см. табл. 6.1) будут соответственно U20 Н/4, U20 Н/2, 3U20 Н/4. Такие же соотношения будут для UК и обратные для КТ.

									Таблица 6.1
	Параметры секций тяговой обмотки трансформатора с 4-зонным регулированием
	и равным напряжением секций (по схеме рис. 3.2)
	Выводы тяговой обмотки трансформатора				аb	ас		аd		ае
	Напряжение холостого хода U20 , В									U20 Н
	Напряжение короткого замыкания UК , %
	Коэффициент трансформации КТ									U1/U20 Н
	Индуктивное сопротивление ХТ , Ом
	С допущениями индуктивное сопротивление каждой секции обмотки
трансформатора, Ом:
	ХТ =	UК U2			,				(6.1)
	100IДН а			д

где UК,% – см. табл. 6.1;

U2 = U20 – см. табл. 6.1; IДН – см. (2.1);

ад – см. (4.6).

Рассчитанные по (6.1) значения для секций тяговой обмотки трансформатора заносятся в табл. 6.1.

6.2. Коммутация токов в преобразователе

Коммутационные процессы, протекающие в преобразователях при однозонном (глубоком) и многозонном плавном регулировании напряжения, рассмотрены в [6, 8].

47

Там же даны аналитические выражения, позволяющие определить продолжительность коммутации (угол γ), для различных режимов как в выпрямителе, так и в инверторе.

В курсовом проекте не ставится задача определения характеристик электровоза во всех возможных режимах его эксплуатации. Поэтому расчет коммутационных процессов будет связан с граничными для каждой зоны регулирования напряжения режимами. При этом для упрощения расчетов и уменьшения их объема примем допущения: угол смещения (запаса по коммутации) α о = γв, ток коммутации изменяется по линейному закону, выпрямленный ток идеально сглажен. Граничным режимом работы выпрямителя в каждой зоне будет режим, когда угол регулирования α = γв, , эл. град., где для режима номинального тока:

		2a	д	I	ДН	Х
	−						Т	,	(6.2)
γв = arccos 1				2 U2

где ад – см. (4.6); IДН – см. (2.1);

ХТ , U2 = U20 – см. табл. 6.1.

Результаты расчета по (6.2) для каждой зоны регулирования заносят в табл. 6.2. Причем количество колонок табл. 6.2 должно соответствовать числу зон регулирования (см. задание).

Таблица 6.2

Расчетные параметры углов коммутации в номинальном режиме

Зона регулирования	1	2	3	4
Угол коммутации выпрямителя γв , эл.град.,
для резистивного и рекуперативного торможения
Угол коммутации инвертора γи , эл.град.,
только для рекуперативного торможения

Граничным режимом работы инвертора будет режим, соответствующий α = π – δ – γи, эл.град., где для номинального режима:

	2a	д	I	ДН	Х
						Т	− δ ,	(6.3)
γи = arccos cos δ −			2 U2

где δ – см. задание.

Результаты расчета по (6.3) занести в табл. 6.2.

6.3. Внешние характеристики преобразователя

Внешней характеристикой преобразователя называют зависимость напряжения на выходе (для выпрямителя) и на входе (для инвертора) от тока. Она представляет собой

48

прямую линию и может быть построена по двум точкам. Удобно в качестве расчетных точек использовать режимы холостого хода (IД = 0) и номинального тока (IД = IДН).

Напряжение холостого хода для выпрямителя, В, определяется для указанного выше граничного режима регулирования α = γВ = 0 из выражения [6]:

UВХ =	2 2 U2	= 0,9U2 ,	(6.4)
	π

где U2 – см. табл. 6.1 для каждой зоны регулирования.

Напряжение выпрямителя при номинальном токе, В, и α = γв определится как [6]:

UВН =	2 2 U2		1 + cos γв = 0,45U2 (1 + cos γв) ,	(6.5)
	π		2

где γв – см. табл. 6.2 для каждой зоны.

Для инвертора (только для варианта с рекуперативным торможением) напряжение холостого хода, В, при граничных условиях α = π – δ [6]:

UИХ =	2 2 U2	cosδ = 0,9U2 cosδ ,	(6.6)
	π

где δ – см. задание.

Напряжение инвертора в номинальном режиме, В, при α = π – δ – γи составит [6]:

UИН =	2 2 U2	cos(δ + γи) + cosδ	= 0,45U2 [cos(δ + γи) + cosδ],	(6.7)
	π	2

где γи – см. табл. 6.2 для каждой зоны.

Результаты расчетов по формулам (6.4), (6.5), (6.6) и (6.7) свести в табл. 6.3, причем количество колонок должно соответствовать числу зон регулирования (см. задание), а количество строк – виду электрического тормоза.

Таблица 6.3

Расчетные значения внешних характеристик преобразователя по зонам регулирования

Зона регулирования		1	2	3	4
Выпрямитель	UВХ , В
	UВН , В
Инвертор	UИХ , В
	UИН , В

49

По данным табл. 6.3 построить семейства внешних характеристик выпрямителя (рис. 6.1) и инвертора (рис. 6.2) в зависимости от тока одного тягового двигателя IД, причем предусмотреть интервал изменения тока 0 ≤ IД≤ 1,8IД .

					1-4 зоны
	1-4 зоны

Рис. 6.1. Внешние характеристики выпрямителя	Рис. 6.2. Внешние характеристики инвертора
в расчете на ток одного двигателя	в расчете на ток одного двигателя

7. ТЯГОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОВОЗА

Тяговой характеристикой называют зависимость силы тяги электровоза от скорости движения.

Скорость электровоза в режиме тяги, км/ч, определяет выражение [7]:

V =

где UД – напряжение на двигателе, В;

IД – ток якоря двигателя, А; rд – см. (2.3), Ом;

СVФ – см. рис. 2.1, В/(км/ч).

	UД − IДrд	,	(7.1)
	СVФ

При этом задаются рядом токов I, например, 200, 600, ... , 1800 А. Для каждого значения тока по рис. 6.1 определяют UД для каждой зоны регулирования напряжения (см. задание). Для этих же токов с учетом β0 = 0,96 находят ток возбуждения IВ = 0,96 IД , для которых по рис. 2.1 находят значения СVФ и по формуле (7.1) определяют ряд значений скорости, соответствующих заданным токам и зонам регулирования.

Результаты расчета удобно представить в виде табл. 7.1.

Силу тяги электровоза, кН, с допущениями определяют из выражения:

F	=	0,97 3,6 m	С	V	Ф I	Д	10−3	,	(7.2)
K		ηзп ηд
	50