Расчет тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей и электровозов

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  Р_дн , 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  U_дн , В – 480

Количество проводников  якорной обмотки – 630

Диаметр колеса , мм – 1050

Число осей n_ос , - 6

Осевая нагрузка 2П , т – 23

Конструкционная скорость V_к , 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.

д

КПП

ОР

КП

 

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).

Д

ГГ

ПРА

ТЭД

КП

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).

Д

СГ

ВУ

ПРУ

ТЭД

КП

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

Д

СГ

ВУ

И

ПРА

АД

КП

 

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.

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).

Д  
ействие 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^.cosα

М=F^.D^.cosα, Н^.м, (2.2)

где D - расстояние между сторонами  витка;

α - угол между направлениями  линий магнитного поля и плоскости  витка.

Наибольший вращающий  момент будет иметь место, когда  виток с током пересекает линии  магнитного поля (α=0^о,180^о), а наименьший - когда через площадь, ограниченную витком, проходит наибольший магнитный поток (α=90^о,270^о).

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.