Расчет тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей и электровозов

, или в процентах  100% (7.2)

Отсюда  (7.3)

Частота ЭДС, которая индуцируется вращающимся магнитным полем  статора в обмотке ротора, зависит  от скольжения и определяется по формуле

, (7.4)

где f₁ – частота напряжения питающей сети

2.2 Принцип действия  синхронного генератора

Постоянный магнитный  поток, создаваемый током в обмотке  возбуждения ротора, замыкается через  сердечник ротора, воздушный зазор  и сердечник статора. При вращении ротора каким-либо приводом с некоторой  частотой n с этой же частотой будет вращаться и магнитное поле ротора. Пересекая проводники трехфазной статорной обмотки, это поле индуцирует в ней трехфазную ЭДС, изменяющуюся с частотой:

, (7.7)

где р – число пар полюсов ротора

При подключении к обмотке  статора трехфазной нагрузки проходящий по обмотке статора ток создает  вращающееся магнитное поле статора, частота вращения которого определяется по формуле (7.1). Число пар полюсов  ротора и число пар полюсов  статорной обмотки одинаково, поэтому  из сравнения формул (7.1) и (7.7) видно, что n₀ = n, т.е. частота вращения поля статора равна частоте вращения ротора. Поэтому машина называется синхронной.

2.3 Трансформаторы

Назначение и  устройство. Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение – понижающих.

Принцип действия. Принцип действия трансформатора, основанный на явлении взаимоиндукции, рассмотрим на примере однофазного двухобмоточного трансформатора (рис. 6.3). Если на первичную обмотку с числом витков W₁ подать переменное напряжение u₁, то протекающий по обмотке переменный ток i₁ создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, пронизывающий обе обмотки трансформатора и индуцирующий в них переменные ЭДС е₁ и е₂. Если ко вторичной обмотке подключить нагрузку, то под действием ЭДС е₂ в цепи вторичной обмотки будет протекать переменный ток i₂. Отношение ЭДС, равное отношению числу витков первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации трансформатора:

(6.1)

Пренебрегая незначительными  падениями напряжения в обмотках, отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений:

(6.2)

Следовательно, у повышающих трансформаторов k<1, а у понижающих трансформаторов k>1.

Преобразование энергии  в трансформаторах происходит с  незначительными потерями, и подводимая к трансформатору полная мощность приблизительно равна отдаваемой полной мощности . Откуда , т.е.

(6.3)

Следовательно, по обмотке  ВН протекает ток примерно в k раз меньший, чем по обмотке НН.

Учитывая это, обмотку  ВН, имеющую большее число витков, выполняют проводом меньшего сечения, чем обмотку НН

3. Создание силы  тяги локомотива

В локомотивах образование  движущей силы (силы тяги) происходит вследствие взаимодействия колесных пар с рельсами за счет вращающего момента, создаваемого тяговым двигателем (рис.3.1). К колесной паре 1 приложен вращающий момент М_к, который передается от двигателя 2 через зубчатый редуктор, состоящий из шестерни 3 и зубчатого колеса 4. Шестерня 3 закреплена на валу ТЭД, а зубчатое колесо 4 - на оси колесной пары.

Вращающий момент на колесной паре равен

М_к=М_д^.μ^.η_з, Н^.м, (3.1)

где М_д - момент на валу двигателя, Н^.м;

μ - передаточное число зубчатой передачи;

η_з - коэффициент полезного действия зубчатой передачи.

Момент М_к обычно представляют в виде пары сил F₁ и F₂ с плечом D_к/2, одна из которых (F₁) приложена к ободу колеса в точке касания с рельсом (точка А), а другая (F₂) - к оси колесной пары. Поскольку силы F₁ и F₂, действующие на колесную пару, равны по величине и противоположно направлены, то они уравновешивают друг друга и не вызывают поступательного движения колес.

Очевидно, что поступательное движение колесной пары будет возможно в том случае, если скомпенсировать  действие силы F₁ какой-либо дополнительной силой и нарушить тем самым баланс сил F₁ и F₂. Подобная ситуация возникает, когда колесная пара (далее для сокращения - колесо) контактирует с рельсом и прижата к нему силой тяжести G_т.

Рис.3.1. Образование силы тяги. 1 - колесная пара; 2 - тяговый электродвигатель; 3 - шестерня; 4 - большое зубчатое колесо

Сила тяжести G_т, приходящаяся на одну ось локомотива, приложена к колесу и через точку контакта А действует на рельс (рис.6.1). Реакция рельса на колесо G_р по III закону Ньютона равна значению силы тяжести G_т по модулю и противоположна ей по направлению. Указанные силы, действующие на колесо в вертикальной плоскости, уравновешивают друг друга.

В горизонтальной плоскости  к ободу колеса приложена сила F₁, которая, как и сила тяжести G_т, через точку контакта А действует на рельс (сила F₁ направлена вдоль поверхности рельсов, поэтому в случае их ненадежного крепления имеет место явление, известное как "угон пути"). Реакция рельса F_р по III закону Ньютона равна силе F₁ по модулю и противоположна ей по направлению. Поэтому силы F₁ и F_р, действующие на колесо в точке А, уравновешивают друг друга. Сила F₂ остается неуравновешенной, что вызывает качение колеса и его поступательное движение относительно рельса.

Следовательно, движущей силой (силой тяги) колесной пары является сила F₂, развиваемая тяговым двигателем. Для удобства расчета ее значений, на практике в качестве силы тяги условились считать силу реакции рельса F_р, равную по величине силам F₁ и F₂ [11]. При этом значения сил определяют, рассматривая равенство моментов

F_р^.D_к/2=M_к,

из которого следует, что F₂ = F_р = 2^. М_к/D_к = 2^. М_д^.μ^.η_з/D_к, Н.

Отметим, что данное уравнение  было использовано при построении электротяговых характеристик локомотивов для  расчета силы тяги ТЭД на ободе  колеса F_кд

Поскольку сила F_р действует по касательной к колесу, ее называют касательной силой тяги. Для локомотива в целом касательную силу тяги F_к можно определить как

F_к = n_ос^.F_р = m^.F_кд, Н, (3.2)

где n_ос - число движущих осей локомотива;

m - количество тяговых электродвигателей на локомотиве.

Таким образом, качение колесной пары по рельсу происходит, если к ней  приложена пара сил F₁ и F₂ (вращающий момент от тягового двигателя) и сила F₁ уравновешена реакцией рельса F_р. Сформулируем особенности силы F_р как касательной силы тяги:

сила F_р, будучи силой реакции, возникает только под действием силы F₁, равна ей по модулю и поэтому пропорциональна величине вращающего момента ТЭД М_д;

реакция F_р, будучи по природе силой трения, возникает при наличии контакта колеса с рельсом и силы, прижимающей их друг к другу (силы тяжести); уровень силы F_р не может превосходить некоторой максимальной величины, которую называют силой сцепления колес с рельсами F_сц.

Итак, касательная сила тяги - это сила реакции рельса на колесо, возникающая под действием внешнего вращающего момента и ограниченная силой сцепления колеса с рельсом.

При увеличении вращающего момента на колесе М_к касательная сила тяги F_р, равная силе тяги ТЭД F_кд, возрастает вплоть до уровня, соответствующего силе сцепления F_сц (зона I на рис.3.2). Дальнейшее повышение момента М_к (зона II) приводит к нарушению условия качения колеса F₁=F_р. Сила F₁, равная F_кд, не уравновешивается силой F_р, равной F_сц. В результате происходит срыв сцепления и начинается боксование, то есть проскальзывание колеса относительно поверхности рельса, при котором частота вращения якоря ТЭД n_д резко увеличивается.

Зависимость касательной  силы тяги F_р от силы тяги ТЭД F_кд и силы сцепления колеса с рельсом F_сц

Рис.3.2.
	- касательная сила тяги  Fр; - сила тяги, развиваемая  ТЭД, Fкд=F1 ; - сила сцепления колеса  с рельсом Fсц

Боксование приводит к интенсивному износу рабочих поверхностей колеса и рельса, разрушению вращающихся деталей якоря ТЭД под действием центробежных сил, возникновению кругового огня на коллекторе ТЭД и другим опасным явлениям. Чтобы не допускать их, установлены технические условия устойчивого движения локомотива, которые описываются неравенством [11]

F_кmax ψ_о^.P_сц, (3.3)

где F_кmax - максимально допустимая касательная сила тяги локомотива;

ψ_о - потенциальный (максимальный) коэффициент сцепления;

P_сц - сцепной вес локомотива (вес, приходящийся на движущие колесные пары и участвующий в создании силы тяги).

P_сц = 9,81^.n_ос^.2П, кН, (3.4)

где 2П - осевая нагрузка локомотива, т (исходные данные).

Неравенство (3.3) выражает основной закон локомотивной тяги: для обеспечения устойчивости управляемого движения локомотива окружные усилия на ободах движущих колес, создаваемые тяговыми двигателями, не должны превосходить силу сцепления колес с рельсами.

Коэффициент сцепления, а следовательно и сила сцепления, являются случайными величинами, на которые оказывают влияние многочисленные факторы: качество ремонта и содержания локомотивов, метеорологические условия поездки, текущее состояние пути и др. Для локомотивов одной серии при одинаковой скорости движения разброс возможных значений коэффициента сцепления относительно его среднего значения достигает 50% .

Поэтому для обеспечения  устойчивости локомотивов против боксования устанавливают так называемый расчетный коэффициент сцепления ψ_к, величина которого меньше потенциального ψ_о. При этом сила тяги по сцеплению составляет

F_ксц= ψ_к^.P_сц, кН. (3.5)

Расчетный (нормативный) коэффициент  сцепления локомотива ψ_к определяют экспериментальным путем и задают так, чтобы обеспечить практически приемлемую надежность движения полновесных поездов (поездов расчетной массы) по тяжелым подъемам при плохих условиях сцепления.

4. Назначение и  конструкция тяговых электродвигателей  локомотивов

4.1. Назначение  тяговых электродвигателей

Тяговый электродвигатель (ТЭД) локомотива предназначен для преобразования электрической энергии в механическую, необходимую для вращения колесной пары.

Источником электроэнергии для движения тепловоза - автономного локомотива - служит дизель-генераторная установка (рис.3.1). Механическая энергия вращения коленчатого вала дизеля Д сообщается тяговому генератору ТГ и преобразуется в электрическую. Электрическая энергия от генератора поступает в тяговые электрические двигатели ТЭД, которые кинематически связаны с движущими колесными парами КП и приводят их во вращение.

На неавтономных локомотивах, которыми являются электровозы, для питания тяговых двигателей используется электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях и передаваемая ТЭД по линиям электропередачи через тяговые подстанции и контактную сеть. Будучи подключенным к электростанции, то есть практически неограниченному источнику энергии, электровоз может развивать повышенную мощность, ограниченную только мощностью ТЭД. Поэтому мощность электровоза почти в 2 раза больше, чем тепловоза равной массы.

Рис.4.1. Схема преобразования энергии на тепловозе 

На всех локомотивах привод колесной пары от ТЭД осуществляется через зубчатый редуктор колесно-моторного  блока. Наиболее распространенным в  настоящее время типом подвешивания ТЭД у грузовых тепловозов и электровозов является опорно-осевое подвешивание, при котором ТЭД с одной  стороны опирается на ось колесной пары через моторно-осевые подшипники, а с другой стороны - на раму тележки  через комплект пружин [7]. Неизменное расстояние между центрами вала двигателя  и оси колесной пары называют централью  Ц (рис.4.2).

Так как ТЭД служит для  преобразования электрической энергии  в механическую, то он входит в состав как электрической, так и механической части локомотива.

4.2. Конструкция  основных узлов и элементов  тягового электрического двигателя  тепловоза

ТЭД постоянного тока состоит  из неподвижного статора: остова с расположенными на его внутренней поверхности главными и добавочными полюсами - и вращающегося якоря (ротора). Вал якоря опирается  на подшипниковые узлы, размещенные  в статоре (рис.4.3).

Конструктивно двигатель  образован следующими сборочными единицами: магнитная система (в корпусе  которой также закреплены щеткодержатели со щетками), якорь, подшипниковые щиты с якорными подшипниками, моторно-осевые подшипники и др..

Магнитная система  двигателя состоит из станины (остова), четырех главных и четырех добавочных полюсов.

Остов является магнитопроводом двигателя; он отлит из углеродистой стали и имеет восьмигранную или круглую форму. С торцов остова расположены расточки для подшипниковых щитов. На остове имеются два прилива (носика) для опоры ТЭД на тележку через пружинную подвеску. С противоположной стороны остов имеет расточки под моторно-осевые подшипники. В верхней части остова со стороны коллектора находится вентиляционный люк, через который подводится воздух, охлаждающий обмотки и детали двигателя.

Рис.4.2. Схема колесно-моторного  блока локомотива с опорно-осевым подвешиванием ТЭД

Главный полюс состоит из стального сердечника и катушки, намотанной из шинной меди в два слоя (плашмя). Витки катушки изолированы друг от друга асбестовой электроизоляционной бумагой.