Материал: Расчет электрической передачи тепловоза
Расчет электрической передачи тепловоза
Исходные данные для выполнения курсового проекта
Назначение и род работы тепловоза - грузовой;
Nе = 2900 кВт - эффективная мощность дизеля;
n= 850 об/мин - номинальная частота вращения коленчатого вала дизеля;
Pсц = 1500 кН - сцепной вес тепловоза;
Dк = 1,25 м - диаметр движущих колес;
С = 6 - число тяговых электродвигателей;
V = 120 км/ч - максимальная (конструкционная) скорость тепловоза.
Введение
Передачей называется совокупность устройств, передающих вращающий момент от силовой установки к движущим колесам. Любой локомотив имеет силовую установку - дизель, бензиновый двигатель, газотурбинную установку и др., которая обладают своими специфическими характеристиками. Эти характеристиками далеко не всегда отвечают условиям реализации требуемой тяговой характеристики.
На тепловозах, в основном, применяются три вида передач: электрическая, гидравлическая и механическая.
Наибольшее распространение на тепловозах получила электрическая передача. Она бывает нескольких видов:
– электромеханическая.
– электрическая передача постоянно-постоянного тока.
– электрическая передача переменно-постоянного тока.
– электрическая передача переменно-переменного тока.
Электрическая передача постоянно-постоянного тока состоит из тягового генератора, приводимого во вращение дизелем, тяговых электродвигателей, расположенных на движущих колёсных парах тепловоза, а также ряда вспомогательных машин и аппаратов, связанных электрической схемой.
Несмотря на высокую стоимость, значительную массу, большой расход дефицитных материалов, около 80% мирового парка автономных локомотивов составляют тепловозы с электропередачей постоянного тока. Такое широкое применение электропередачи постоянного тока обусловлено особенностью ее характеристик, способностью при постоянных значениях момента и частоты вращения на входном валу изменять непрерывно в широком диапазоне момент и частоту на выходном валу, т. е. на осях движущих колесных пар.
Электрическая передача обеспечивает сочленённую работу нескольких секций (по системе многих единиц), управляемых с одного поста.
Характерной особенностью электрических передач, создаваемых в настоящее время, является увеличение их мощности и надежности при снижении удельных масс, габаритных размеров и стоимости механических элементов. В данном курсовом проекте изложен проект электрической передачи переменного тока с двумя ступенями ослабления возбуждения поля тягового генератора грузового тепловоза, конструкционная скорость которого равна 100 км/ч.
1. Определение основных параметров электрической передачи
скоростной магнитный тормозной тепловоз
Расчётная сила тяги определяется из условия реализации для тепловозов
коэффициентов тяги на расчётном подъёме:
Fкр=Pсц yкр (1)
где Pсц - сцепной вес тепловоза, кН;
yкр - коэффициент тяги на расчётном подъёме.
Для тепловозов с электрической передачей расчётная сила тяги принимается
равной длительной:
Fкр=Fк дл или yкр=yк дл. (2)
Таким образом, на расчётном подъёме перегрузочная способность электрических машин не используется, и тепловоз может двигаться в данном режиме неограниченное время.
В ряде случаев, например при разгоне поезда, или при движении по короткому участку с подъемом, превышающим расчетный, тепловоз развивает силу тяги, большую, чем длительную. Реализация такой силы тяги возможна за счет использования перегрузочной способности электрических машин, учитывая, что такие режимы непродолжительны и ограничение по нагреванию, вследствие тепловой инерции не успевает наступить.
Расчетный коэффициент тяги для грузовых тепловозов, в связи с непрерывным увеличением их удельной мощности и соответственно стремлением возить более тяжелые поезда, с достаточно высокими скоростями на расчетном подъеме имеет тенденцию к росту.
Для грузовых тепловозов мощностью более 2250 кВт величина расчётного коэффициента тяги принимается в пределах:
yкр=0,2-0,24.
Принимаем yкр=0,22.
Тогда расчетная сила тяги будет:
Fкр=1,5×0,22 =0,33 МН.
Длительная сила тяги определяется из выражения:
(3)
где Кпр - коэффициент перегрузки по силе тяги на расчетном подъеме,
Кпр =1,05...1,2.
Длительная сила тяги тепловоза будет:
МН
Скорость
тепловоза на расчетном подъеме определяется по формуле:
(4)
где Nдг - мощность дизеля, передаваемая генератору, МВт;
hп - КПД
электрической передачи.
hп=hг hд hз ηву (5)
где hг - КПД тягового генератора при расчетном режиме принимаем 0,96;
hд - КПД тяговых электродвигателей при расчетном режиме принимаем 0,89 [1];
hз - КПД зубчатой передачи тягового редуктора, принимаем 0,99 [1];
ηву - КПД выпрямительной установки принимаем 0,98 [1];
Свободная
мощность дизеля, МВт;
Nдг= Nе - Nвсп (6)
где
Nвсп - мощность, потребляемая вспомогательными
агрегатами тепловоза, МВт.
Nвсп = (0,08¸0,11) Nе (7)
Таким образом,
Nдг= 2,9 - 0,09×2,9 = 2,639 МВт,
hп = 0,96×0,89×0,99·0,98 = 0,84
Мощность
на зажимах тягового генератора (мощность, отдаваемая генератором тяговым
электродвигателям), МВт,
(8)
Подставляя численные значения, получим
Максимальная
мощность тепловозного генератора постоянного тока определяется коммутационными
условиями и зависит от номинальной угловой скорости якоря; она ориентировочно
может быть определена из соотношения
Ргн
nд £ 2×106 кВт×об/мин (9)
где nд - частота вращения коленчатого вала дизеля, об/мин.
Таким образом,
,533·850×103 = 2,153×106 кВт·об/мин.
Так как полученное значение 2,153×106 > 2×106, то из всех видов электрических передач для проектируемого тепловоза выбираем передачу переменно тока.
Мощность
на выходе из выпрямительной установки
(10)
где ηсг - КПД синхронного генератора принимаем 0,96.
Мощность
на зажимах тягового двигателя, МВт,
(11)
где С - число тяговых электродвигателей.
Таким образом
Мощность
на валу тягового электродвигателя, МВт
Pд= Pпд hд (12)
Pд= 0,414×0,89=0,368 МВт.
2. Выбор схемы соединения тяговых электродвигателей
Основными факторами, определяющими выбор схемы соединения двигателей,
являются схема управления их работой, коэффициент регулирования генератора Кг и
максимальная скорость тепловоза при которой еще используется полная мощность
его дизель-генератора V¢max .
Кг = (1,4¸1,6) (13)
Скорость максимального использования мощности современных тепловозов для грузового движения
V¢max= Vmax
откуда
V¢max= 120 км/ч.
.1 Постоянная схема соединения тяговых электродвигателей без ослабления поля
Если пренебречь падением напряжения в обмотках тягового электродвигателя,
скорость движения тепловоза при постоянной схеме соединения тяговых
электродвигателей без ослабления поля определяется по формуле
V`max=Vp∙Кр2/Кппн max (14)
где Кппн max - степень насыщения магнитной системы электродвигателя при длительном (номинальном) режиме по отношению к режиму максимальной скорости V`max.
Значение Кппн max определяем из универсальной магнитной характеристики [1] следующим образом.
Задаваясь коэффициентом регулирования генератора для Кг токов Iппв min=100% / Кг и Iн=100%, проводят вертикальные линии до пересечения с кривой намагничивания (точки В и С на рисунке 1). Затем из начала координат ведут лучи ОВ и ОС до пересечения с горизонтальной линией АD.
Степень насыщения
Кппн max=tg∙γдл/ tg∙γппmin=AC/AB (15)
Кппн max=100/78=1,282
Тогда, исходя из формулы (12) имеем
V`max=23,864∙1,62/1,282=47,652 км/ч.
2.2 Постоянная схема соединения тяговых электродвигателей с ослаблением поля
Максимальную скорость полного использования мощности тепловоза в этом
случае определяют по формуле
V`max= Vp∙Кр2/(α∙Копн max) (16)
где α - коэффициент ослабления возбуждения;
Копн max - степень насыщения магнитной системы электродвигателя при длительном (номинальном) режиме по отношению к режиму ослабления поля при скорости V`max.
Степень насыщения определяют с помощью кривой намагничивания (см. рисунок
1)
Копн max= tg∙γдл/ tg∙γопmin=AC/AE (17)
Копн max=100/49=2.041.
Минимальный ток возбуждения при ослаблении поля
Iопв min=α∙(100%/Кг) (18)
Iопв min=0,25∙(100/1,6) =15.625%.
Тогда, исходя из формулы (14) имеем
V`max=23.864∙1,62/0,25∙2.041=119.724 км/ч.
На рисунке 1 изображена схема соединения тяговых электродвигателей.
Рисунок - 1 Схема соединения тяговых электродвигателей
Обозначение на рисунке 1: ГС - тяговый синхронный генератор; 1-6 -
тяговые электродвигатели; П1-П6 - силовые контакторы; Ш11-Ш61 и Ш12-Ш62 -
контакторы ослабления возбуждения соответственно первой и второй ступени
В передаче мощности переменно-постоянного тока тяговый синхронный генератор ГС и тяговая выпрямительная установка образуют систему, напряжение которой подводится к тяговым электродвигателям постоянного тока 1-6. Выпрямленное напряжение имеет, кроме постоянной составляющей, спектр высших гармонических, частота и амплитуда которых определяются свойствами этой системы.
Пульсации тока на выходе выпрямительной установки неблагоприятно сказываются на коммутации тяговых электродвигателей и на КПД передачи мощности, поэтому целесообразно, насколько это возможно, уменьшать их амплитуду и увеличивать частоту.
3. Определение основных параметров электрических машин
Максимальное напряжение в силовой цепи принимают ниже установленного
максимума, учитывая возможные перенапряжения в переходных процессах. Для
тепловозов с параллельным соединением тяговых электродвигателей к генератору и
большой мощностью
Uг max = 700 ¸ 750 В (19)
Принимаем максимальное напряжение главного генератора проектируемой передачи Uг max = 725 В.
Определяем напряжение и ток тягового генератора в продолжительном режиме.
Напряжение и ток при длительном режиме
(20)
(21)
где
Р гн - мощность генератора при номинальном (длительном) токе, кВт;
(22)
Таким образом,
Ргн = 2.39·0,96 = 2.533 МВт,
Максимальный
пусковой ток принимают, исходя из перегрузочной способности электрических машин
Iг max =
(1,3¸1,5)Iг н (24)
Принимаем
Iг max = 1,4×5191= 7827 А.
Минимальное
напряжение и ток генератора
(25)
(26)
где
P²г - мощность генератора при максимальном токе, кВт,
P²г = Nдг h²max (27)
P²г = 2639×0,96 = 2533 кВт,
Максимально
допустимый ток по условиям коммутации А,
Iг ком » 2×Iг н (28)
Iг ком = 2×5591=11180 А.
Длительная
мощность, соответствующая номинальному режиму работы электродвигателя, кВт
4. Построение внешней характеристики тягового генератора
Внешняя характеристика генератора Uг = f(Iг) имеет вид гиперболы и строиться по
трем точкам с координатами (Iг.min, Uг.max); (Iг.дл, Uг.дл); (Iг.max, Uг.min). Справа и
сверху она ограничивается отрезками, соответствующими ограничениями по
максимальному току и напряжению генератора. Внешняя характеристика генератора
показана на рисунке 2.
Рисунок 2 - Внешняя характеристика тягового генератора