3341 ЭИ

где m – количество тяговых двигателей на электровозе (см. задание); IД – ток якоря двигателя, А;

СVФ – удельная ЭДС, В/(км/ч);

ηзп = 0,975 – коэффициент полезного действия зубчатой передачи [1]; ηд = 0,915 – коэффициент полезного действия тягового двигателя [3].

Таблица 7.1

Расчетные данные тяговых характеристик электровоза при нормальном поле

Ток якоря двигателя IД, А			200	600	1000	1400	1800
Ток возбуждения IВ = 0,96 IД, А			192	576	960	1344	1728
Удельная ЭДС СVФ, В/(км/ч)
Напряжение		1
	Зона	2
на двигателе
	регулирования	3
UД, В
		4
		1
Скорость V,	Зона	2
км/ч	регулирования
		3
		4
Сила тяги электровоза для любой		зоны
регулирования FК, кН

При этом задаются рядом значений IД, для которых находят токи возбуждения при β0 = 0,96 ; IВ = 0,96 IД и значения удельной ЭДС для этих токов по рис. 2.1. Расчетные значения FК заносят в табл. 7.1.

Для ослабленного возбуждения тяговые характеристики электровоза рассчитывают также на основе (7.1) и (7.2). Задаются рядом IД и для каждой ступени ОП находят ток возбуждения, А:

IВ = β·IД ,

(7.3)

где β – коэффициент ослабления поля (см. табл. 2.2).

Для найденного значения IВ по рис. 2.1 определяют СVФ. Затем по (7.1) и (7.2) находят соответственно V и FК. Результаты расчетов заносят в табл. 7.2.

По расчетным значениям из табл. 7.1 и 7.2 строят тяговые характеристики электровоза, вид которых показан на рис. 7.1.

51

Таблица 7.2

Расчетные данные тяговых характеристик электровоза при ослабленном поле

Ток якоря двигателя IД , А		200	600	1000	1400	1800
	Ток возбуждения IВ, А
ОП 1	Удельная ЭДС СVФ, В/(км/ч)
β1 = 0,70	Скорость V, км/ч
	Сила тяги FК, кН
	Ток возбуждения IВ, А
ОП 2	Удельная ЭДС СVФ, В/(км/ч)
β2 = 0,52	Скорость V, км/ч
	Сила тяги FК, кН
	Ток возбуждения IВ, А
ОП 3	Удельная ЭДС СVФ, В/(км/ч)
β3 = 0,43	Скорость V, км/ч
	Сила тяги FК, кН

V, км/ч

Ограничение по

максимальной

скорости

Vmax

Ограничение по

Ограничение по

сцеплению

сцеплению

ОП3

ОП3

ОП2

ОП2

ОП1

4 зона

ОП1

3 зона

4 зона

3 зона

2 зона

2 зона

Fк, кН

1 зона

Iд, А

Рис. 7.1. Тяговые характеристики электровоза

8. ОГРАНИЧЕНИЯ ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

8.1. Ограничение по максимальной скорости

Максимальная скорость VMAX = 2VН (см. задание) [3]. На рис. 7.1 ограничение по VMAX показано в виде горизонтальной линии.

52

8.2. Ограничение по сцеплению колеса с рельсом

Максимальная сила тяги по сцеплению, кН, в расчете на одну колесную пару [3]:

FКД МАХ = ψ·П ,

(8.1)

где П – нагрузка на ось (см. задание), кН; ψ – коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления колеса с рельсом для электровозов переменного тока [3]:

ψ = 0,28 +	4	− 0,0006V ,	(8.2)
	50 + 6V

где V – скорость движения, км/ч.

Задаются рядом скоростей движения V, для каждой из которых по (8.2) рассчитываются значения ψ, а затем по (8.1) определяются значения FКД МАХ.

Результаты расчетов удобно поместить в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Расчетные значения ограничения тяговых характеристик по сцеплению

V, км/ч

0

5

10

20

40

80

120

ψ

FКД МАХ, кН

IМАХ НП, А

IМАХ ОП3, А

FК МАХ, кН

В соответствии с найденными значениями FКД МАХ по рис. 2.1 определяют и заносятся в табл. 8.1 соответствующие значения максимальных токов при нормальном – IМАХ НП и ослабленном возбуждении ОП3 – IМАХ ОП3.

Сила тяги электровоза, кН, складывается из усилий каждого двигателя:

FК МАХ = m · FКД МАХ ,

(8.3)

где m – количество тяговых двигателей электровоза (см. задание).

Результаты расчетов по (8.3) также заносятся в табл. 8.1. По данным табл. 8.1 на рис. 7.1 наносятся ограничения по сцеплению.

53

9. ТОРМОЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Тормозной характеристикой называют зависимость тормозного усилия от скорости движения.

9.1. Тормозные характеристики резистивного тормоза

Использование управляемого выпрямителя как в тяговом режиме, так и в режиме резистивного тормоза для питания обмоток возбуждения возможно в схеме, показанной на рис. 9.1, преобразованной из рис. 3.2.

Рис. 9.1. Схема резистивного торможения шестиосного электровоза

Как видно из схемы рис. 9.1 обмотки возбуждения OB1–OB6 соединены последовательно и питаются от выпрямителя с глубоким регулированием первой зоны от обмотки трансформатора аb (рис. 3.2). Якори тяговых двигателей замкнуты на индивидуальные тормозные резисторы RТ. Для восьмиосного и двенадцатиосного электровозов схема резистивного торможения будет зависеть от распределения двигателей по секциям электровоза (см. табл. 3.1) и выбирается студентом самостоятельно.

В зависимости от величины максимального тока возбуждения IВ МАХ, который рассчитывается из выражения (5.1), минимальный угол регулирования управляемого выпрямителя αв min , эл. град., будет найден из сопоставления напряжения вторичной обмотки трансформатора аb (см. рис. 3.2 и 9.1) с тем напряжением, которое должен обеспечить выпрямитель для поддержания в обмотках возбуждения тока IВ МАХ :

0,45Uав (1–cos αв min ) = 1,1 IДН rгп N ',

54

откуда

		1,1IДН rгп N '
	αвmin = arccos		− 1	,	(9.1)
		0,45U2ав

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

N ' – количество последовательно включенных обмоток возбуждения (см.рис. 9.1 с учетом задания);

U2 аb – напряжение вторичной обмотки трансформатора (см. табл. 7.1, рис. 3.2 и 9.1).

Величина тормозного резистора RТ (см. рис. 9.1), Ом, зависит от мощности, которая в виде тепла должна быть рассеяна в тормозном резисторе. Принимается, что эта мощность РТ МАХ = 0,85РДН при максимальном тормозном токе IТ МАХ = 1,1 IДН [3].

Откуда

		0,85 P		103
	RT =		ДН		,	(9.2)
		1,21	IДН2

где РДН – см. задание, кВт; IДН – см. (2.1), А.

Тормозное усилие и скорость электровоза в режиме резистивного тормоза будут зависеть от тормозного тока IТ и от тока возбуждения IВ. Так как с помощью плавного регулирования можно получить любое значение IВ в интервале 0≥ IВ ≥ IВ MAX то тормозные характеристики будут представлять собой площадь фигуры в координатах В = f(V), ограниченную некоторыми параметрами: максимальной скоростью, мощностью тормозных резисторов, сцеплением колеса с рельсом. При каждом конкретном тормозном токе ток возбуждения также не может выходить за определенные пределы для сохранения надежной коммутации тяговых двигателей.

При этом считается допустимым [3]:

IТ	=	1	.	(9.3)
IВ МIN
		βmin

Так как в соответствии с заданием βmin = 0,43, то из выражения (9.3) получим:

IВ МIN = 0,43IТ .

(9.4)

Именно для этого граничного условия и рассчитываются тормозные характеристики. Скорость электровоза в режиме резистивного тормоза, км/ч, определяет выражение:

	V =	IT (RT + ra + rдп + rко)	,	(9.5)
		CVФ

где IТ – тормозной ток (ток якоря), А; rа , rдп , rко – см. табл. 2.1, Ом;

55

СVФ – удельная ЭДС (см. рис. 2.1), В/(км/ч); RТ – см. (9.2), Ом.

При этом задаются рядом токов IТ, причем в этом ряду должен быть ток IТ МАХ = 1,1IДН. Затем для каждого из токов IТ из выражения (9.4) вычисляют IВ МIN. Для найденных токов IВ МIN по рис. 2.1 определяют удельную ЭДС СVФ. Результаты удобно поместить в табл. 9.1.

По формуле (9.5) вычисляют скорость V и также заносят в табл. 9.1.

			Таблица 9.1
Расчетные значения тормозных характеристик электровоза
Тормозной ток IТ , А	0,2 IДН	0,5 IДН	0,8 IДН	1,1 IДН
IВ МIN, А
СVФ, В/(км/ч)
V, км/ч
В, кН

Тормозное усилие В, кН, с допущениями определит выражение:

B = 1,03 3,6 m СVФ IT 10−3 , (9.6)

ηзп ηд

где IТ – тормозной ток, А; остальные составляющие см. (7.2).

Результаты расчетов по (9.6) заносят в табл. 9.1. В соответствии с данными табл. 9.1 строятся тормозные характеристики для граничных по минимальному току возбуждения условий, вид которых показан на рис. 9.2.

С допущениями, пренебрегая реакцией якоря тягового двигателя, зависимости V = f(IТ) можно представить в виде семейства прямых линий для каждого тока возбуждения IВ МIN, проходящих через начало координат. Координаты другой точки каждой из линий находят в табл. 9.1.

Характеристики при максимальном токе возбуждения IВ МАХ также будут прямыми линиями, проходящими через начало координат. Другие координаты рассчитывают из выражений (9.5) и (9.6) при

IТ МАХ = IВ МАХ = 1,1 IДН .

(9.7)

По результатам расчетов строят зависимости V = f (IТ) и В = f (V) для IВ МАХ (см. рис. 9.2). Ограничение по максимальной скорости VМАХ = 2VН показано на рис. 9.2 в виде горизонтальной линии.

56

	B1	V, км/ч	Iв min 1
B4		Vmax	Ограничение по
Ограничение по			Pmax
Pmax			Iв min 4
Ограничение по			Ограничение по
сцеплению			сцеплению
Iв max
				Iв max
B, кН			Iт , А

Рис. 9.2. Вид тормозных характеристик электровоза с резистивным торможением

Ограничение тормозного режима по сцеплению колеса с рельсом, кН, рассчитывается по формуле:

ВМАХ = ψт П m ,

(9.8)

где П – нагрузка на ось (см. задание), кН;

m – количество тяговых двигателей (см. задание).

	Для резистивного тормоза [3]:
	ψт = 0,09	+	11		− 0,00005V .	(9.9)
			56	+ V

Результаты расчета заносят в табл. 9.2.

По найденным (9.8) значениям ВМАХ из выражения (9.6) при СVФ, соответствующем IВ МАХ = 1,1 IДН , определяют IТ = IТ МАХ и заносят в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Расчетные данные ограничения резистивного тормоза по сцеплению

V , км/ч	0	5	10	20	40	80	120
ВМАХ , кН
IТ МАХ , А

По данным табл. 9.2 на рис. 9.2 наносят ограничения по сцеплению. Ограничение по мощности тормозного резистора, кН, рассчитывается из выражения [3]:

57

	BМАХ =	3,6 PT MAX m	=	3,6 0,85PДН m	,	(9.10)
		ηд ηзп V		ηд ηзп V

где РДН – см. задание, кВт;

ηд , ηзп – см. (7.2); V – скорость, км/ч;

m – количество тяговых двигателей (см. задание). Результаты расчета заносим в табл. 9.3.

Таблица 9.3

Расчетные данные ограничения резистивного тормоза по мощности тормозного резистора

V , км/ч	40	60	80	100	120
ВМАХ , кН
IТ МАХ , А

По найденным (9.10) значениям ВМАХ из выражения (9.6) при СVФ, соответствующем IВ МАХ = 1,1 IДН, определяют IТ = IТ МАХ и заносят в табл. 9.3. По данным табл. 9.3 на рис. 9.2 наносят ограничение по мощности тормозного резистора.

9.2. Тормозные характеристики рекуперативного тормоза

Схема рекуперативного торможения, например, для одной группы тяговых двигателей шестиосного электровоза (см. рис. 3.1, рис. 3.3, рис. 3.4) показана на рис. 9.3.

Электрические схемы для восьмиосного и двенадцатиосного электровозов строятся на основе рис. 9.3, с учетом числа зон регулирования (см. задание).

				a				b		c		d
1
														2
																						СР
3
														4
	5
															6
																			Rб		Rб				Rб
																8
		7

Рис. 9.3. Вариант принципиальной схемы рекуперативного торможения для группы из трех двигателей (электровоз ВЛ 60)

58

В цепь якоря каждого двигателя включается балластный резистор RБ, который необходим для повышения электрической устойчивости рекуперативного тормоза.

Работа схемы для четырехзонного регулирования скорости рассмотрена в [6]. Обмотки возбуждения включаются по схеме, аналогичной рис. 3.4 в зависимости от

числа осей и колесной формулы (см. задание и табл. 3.1).

Зависимость скорости от тока в якоре IР двигателя, работающего в генераторном режиме, определяется из выражения, км/ч:

			r
		(ra + rдп + rко + Rб +	ср
	UИ + IP
V =			N"		,	(9.11)
		CVФ

где UИ – напряжение инвертора (см. рис. 6.2), В; IР – ток якоря. А;

ra , rдп , rко – см. табл. 2.1;

Rб = 0,14 Ом – величина балластного сопротивления (принято как на ВЛ80Р); rср – см. (4.5);

N" – количество параллельно включенных якорей двигателей (см. рис. 9.3).

Тормозноеусилие, развиваемоеэлектровозом, кН, сдопущениями можновыразить:

B =	1,03 3,6 m	С	V	Ф I	10−3	,	(9.12)
	ηзп ηд				Р

где m – количество тяговых двигателей на электровозе (см. задание); IP – ток якоря в режиме рекуперации, А;

СVФ – удельная ЭДС для определенного тока возбуждения (см. рис. 2.1), В/(км/ч);

ηзп – см. (2.2); ηд = ηдн см. (2.1).

При расчете тормозных характеристик задаются каким-либо током возбуждения, для которого по рис. 2.1 находят СVФ. Считая эти величины постоянными, задаются рядом токов якоря IP, для которых из выражений (9.11) и (9.12) определяют скорость V и тормозное усилие В. При этом в формулу (9.11) подставляют UИ из рис. 6.2.

Затем задаются другим значением IВ и, как указано выше, рассчитывают новый ряд значений V и В и т. д.

Для сокращения объема расчетных операций в проекте предлагается произвести расчет тормозных характеристик для граничных условий в заданных зонах регулирования (см. задание). При этом удобно расчетные значения характеристик представить в виде табл. 9.4.

Граничные условия по напряжению инвертора определены на рис. 6.2.

59

К ним добавляется ограничение по коммутации (9.3), в соответствии с которым строка 2 в табл. 9.4 определяет минимальный ток возбуждения как

IВ MIN = βmin·IP = 0,43IP (см. табл. 2.2).

В строку 3 табл. 9.4 заносятся значения из рис. 2.1, соответствующее IВ MIN.

Поданнымтабл. 9.4 строяттормозныехарактеристики, видкоторыхпоказан нарис. 9.4.

					Таблица 9.4
Расчетные данные тормозных характеристик в режиме рекуперации
	(ограничения по коммутации)
				1,2 IДН
Ток якоря IP , А		0,4 IДН	0,8 IДН		1,6 IДН
Ток возбуждения IВ MIN = 0,43 IP , А
СVФ , В/(км/ч)
Зона 1	UИ , В
	V , км/ч
Зона 2	UИ , В
	V , км/ч
Зона 3	UИ , В
	V , км/ч
Зона 4	UИ , В
	V , км/ч
Тормозное усилие В	, кН

V, км/ч

Ограничение Ограничение по скорости по сцеплению

	4									Ограничение
										по коммутации
	3			4
Зоны
					3						Зоны регули-
регули-
рования	2										рования
	1		2
B, кН		1
										Iр, А

Рис. 9.4. Тормозные характеристики рекуперативного тормоза

60