Анализ работы системы управления электровозом постоянного тока при разгоне грузового поезда

Расчёт скоростных характеристик электровоза
постоянного тока при реостатном регулировании

табл. 3.1

1
2
3
4
5
6
7

Ток двигателя I ,А
150
310
475
595
715
831

Удельная ЭДС, СvФ, В/(км/ч)
15,6
24,7
29,8
32
33,2
34

Сила тяги эл-за Fкд , кН
122
253
387
485
583
677

Позиция
Напряжение питания Uc В
Сопротивление цепи, отнесённое к двигателю, (Rn’ + rд ), Ом
Скорость движения V, км/ч

1
750
1,58
32,9
10,6
0,02
-6
11,4
16,6

2
750
1,32
35,4
13,8
4,12
-1,1
-5,8
10,2

3
750
1,06
37,9
17,1
8,3
3,7
-0,2
-3,8

4
750
0,82
40,3
20,2
12,2
8,4
5,1
2,3

5
750
0,56
42,7
23,3
16,2
13
10,5
8,4

6
750
0,34
44,8
26,1
19,7
17,1
15,3
13,7

7
750
0,12
47
29
23,3
21,2
20
19,1

8
1500
1,58
81
40,9
25,2
17,5
11,2
5,5

9
1500
1,06
86
47,4
33,4
27,2
22,4
18,2

10
1500
0,56
91
53,7
41,4
36,5
33,1
30,4

11
1500
0,12
95
59,2
48,4
44,6
42,6
41,2

Табл.5.3

Численное значение интервала скорости
Интервал скорости V, км/ч
Vср, км/ч
DUср, км/ч
Fк ср, км/ч
W0, Н/кН
W0 ср, кН
Fк ср= W0 ср, кН
D t, c
t, c
DS, m
S, m

0-10
5
10
470
1,13
47
423
27,6
27,6
38,3
38,3

10-20
15
10
470
1,26
52
418
28,0
55,6
117
155,3

20-21,5
20-Д
20,75
1,5
470
1,4
56
414
4,2
59,8
24
179,3

21,5-30
Д-30
25,75
8,5
525
1,44
60
465
21,3
81,1
152,4
331,7

30-40
35
10
525
1,62
68
457
25,6
106,7
249
580,7

40-44
40-А
42
4
525
1,77
72
453
10,3
117
120,2
701

44-53,5
А-В
48,75
9,5
476
1,9
80
396
28
145
379,2
1080

53,5-69
В-С
61,3
15,5
388
2,3
92
296
61
206
1040
2120

69-83

76
14
272
2,7
112
160
102
308
2155
4273

83-97

90
14
186
3,2
132
54
302
610
7550
11830

Российский Государственный Открытый Технический
Университет Путей Сообщения.

Курсовая работа

по дисциплине «Электрические железные дороги»

на тему «Анализ работы системы управления электровозом постоянного тока при разгоне грузового поезда.»

Задание на курсовую работу

Предлагается выполнить анализ работы системы управления электровозом постоянного тока при разгоне грузового поезда.
Задачей анализа является изучение принципов управления работой тяговых электрических двигателей и технической реализации этих принципов на электровозах
постоянного тока.

Исходные данные

Номинальная мощность на валу тягового двигателя Рдн,
кВт . . . . . . . . . . . . . . . . . 670

Номинальная скорость движения электровоза Vn,
км/ч . . . . . . . . . . . . . 48,4

Руководящий подъём iр, %0 . . . . . . . 11

Номинальное напряжение тягового электрического двигателя (ТЭД) Uдн, В . . . . . . . . . . . . 1500

Номинальный КПД ТЭД hд . . . . . . 0,94

Коэффициент потерь силы тяги в процессе реализации тягового усилия hF . . . . . . . . 0,95

Сопротивление обмоток ТЭД rд, Ом . . . . . 0,12

Напряжение в контактной сети постоянного
тока Uс, В . . . . . . . . . . 3000

Коэффициент 1-й ступени регулирования возбуждения ТЭД
b1, . . . . . . . . . . . . 0,62

Коэффициент 2-й ступени регулирования возбуждения ТЭД
b1, . . . . . . . . . . . 0,40

РАСЧЕТ

Рассчитаем номинальный ток ТЭД Iн, А.

Рдн 1000
Iн= Uдн hд , где Рдн — мощность ТЭД
Uдн — напряжение ТЭД
hд — номинальный КПД ТЭД
670000
Iн= 1500*0,94 = 475 , А
Номинальный ток ТЭД равен 475 А.

Для расчёта удельной ЭДС возьмём три значения тока от 150 А до 475 А и три значения от 475 А до 1,75*Iн. Расчеты представим в виде табл. 1.1

1,75*Iн=1,75*475=831 А

CVФ=35,5(1-е ) , где СvФ= Е удельная ЭДС
V
Cv — конструкционная постоянная
Ф — магнитный поток
IВ — ток ТЭД
СvФ=35,5(1-е )=15,56 , В/(км/ч)
Значения, полученные при расчёте, представим в виде таблицы

Ток якоря I, А
Удельная ЭДС, В/(км/ч)

150
15,6

310
24,7

475
29,8

595
32

715
33,2

831
34

Рассчитаем силу тяги ТЭД, соответствующую принятым токам с точностью до целых чисел, результат занесём в

табл. 1.2
Fкд=3,6 СvФнIhF*0,001 , где Fкд — сила тяги электровоза, кН
СvФн — ЭДС, В/(км/ч)
I — ток двигателя, А
hF — коэффициент потерь силы тяги
Fкд= 3,6*15,6*150*0,95*0,001=8 , кН

табл. 1.2

Ток ТЭД, А
Номинальная ЭДС , В/(км/ч)
Сила тяги, кН

150
15,6
8

310
24,7
26,2

475
29,8
48,4

595
32
65

715
33,2
81,2

831
34
96,6

Построим по данным таблицам графики СvФ(I) и Fкд(I)

( приложение 1).

Силовая электрическая цепь электровоза

постоянного тока.

Приведём чертёж схемы силовой цепи электровоза

ш3
ЛК Ш1 Rш1 Rш2
8
1 2 1 2

П1 А Б В М 6 4 2

В Б А
1 3 5

7 3 4 П2
3 4 Rш1 Rш2
Ш2

Ш4

Рассчитаем сопротивление секций реостата с точностью до двух знаков после запятой.

Ra=0,18Rтр ; Rб=0,17Rтр ; Rв=0,15Rтр, где Rтр — сопротивление
троганья, Ом
Uc
Rтр= Iтр -4rд , где Iтр — ток трогания, равен току Iн , А
rд — сопротивление обмоток ТЭД, Ом
Uc — напряжение в контактной сети, В

3000
Rтр= 475 — 4 * 0.12 = 5,84 Ом

Ra=0,18 * 5,84 = 1,05 Ом
Rб = 0,17 * 5,84 = 0,99 Ом
Rв = 0,15 * 5,84 = 0,88 Ом
2.2.2 Рассчитаем сопротивление шунтирующих резисторов RШ1 и RШ2 с точностью до 2-х знаков

b2
RШ2 = 1- b2 * 2 * rв , где RШ — сопротивление
шунтирующих резисторов
b2 — коэффициент возбуждения
rв — сопротивление обмотки
возбуждения, rв= 0,3 * rд, где
rд — сопротивление обмоток
ТЭД, rв =0,036 Ом

0,4
RШ2 = 1 — 0,4 * 2 * 0,036 = 0,6 Ом

0,62
RШ2+ RШ1= 1 -0,62 * 2 * 0,036 = 0,12 Ом
RШ1= 0,12 — 0,6 = 0,6 Ом

2.2.3 Запишем значения в схему.

Приведём таблицу замыкания контакторов.
Запишем в таблицу замыкания контакторов значения сопротивления реостата на каждой позиции.

Семейство скоростных характеристик электровоза и пусковая диаграмма. Электротяговая характеристика электровоза

Рассчитаем сопротивление силовой цепи, Ом , отнесённое к одному двигателю

Rn
Rn’ + rд = m + rд , где Rn’ — сопротивление реостата на
n-ой позиции, отнесённое к ТЭД
rд — сопротивление ТЭД
m — число последовательно
соединёных двигателей.
Rn — сопротивление реостата на
n-ой позиции

Uc’ — Ii(Rn’ + rд )
Vni = СvФi , где СvФi — магнитный поток
на позиции
Uc’ — напряжение
питания ТЭД

Rn’ + 0,12 = 1,46 + 0,12 Ом

750- 150 (1,58)
Vni = 15,6 =32,9 км/ч

Заполним расчётную таблицу.
Начертим семейство скоростных характеристик с 1 по 11 позицию и электротяговую характеристику.

Расчёт и построение характеристик ТЭД при
регулировке возбуждения .

3.2.1 Рассчитаем Fкд; Fк ; V при b1 и b2, заполним таблицу 3.2

Fкд = 3,6 | CVФ |b IдhF * 0,0001 , где Fкд — сила тяги ТЭД, кН
| CVФ |b — ЭДС при
ступени регулирования
hF — коэффициент потерь
силы тяги = 0,95
Fк = Fкд * 8 , где 8 — число ТЭД

Uc’ — Irд
V = | CVФ |b , где Uc’- напряжение питания
ТЭД

табл. 3.2

Ток ТЭД, А
310
475
595
715
831

Коэффициент регулировки b=0,62

Ток возбуждения Iв , А
192
295
369
443
515

Удельная ЭДС | CVФ |b,В/км/ч
18,4
24,1
26,9
29,2
30,7

Сила тяги ТЭД Fкд, кН
19,5
39,2
55
71
87

Сила тяги эл-за Fк ,кН
156
313
438
568
696

Скорость движения км/ч
80,3
60,8
54,1
50
47

Коэффициент регулировки b=0,4

Ток возбуждения Iв , А
124
190
238
286
332

Удельная ЭДС | CVФ |b,В/км/ч
14
18,4
21,2
23,6
25,5

Сила тяги ТЭД Fкд, кН
15
30
43
58
72

Сила тяги эл-за Fк ,кН
119
240
345
462
580

Скорость движения км/ч
106
80,2
69
62
57,2

| CVФ |b возьмём из рис. 1
Fкд, = 3,6 *18,4 *192 * 0,95 * 0,0001 = 12,1 кН
Fк = 12,1 * 8 = 96,8 кН
1500 — 192(0,12)
V = 18,4 = 80,3 км/ч

3.3 Построение пусковой диаграммы электровоза
постоянного тока.

3.3.1 На рис. 2 построим пусковую диаграмму электровоза
постоянного тока, при условии что ток переключения
Iп = Iн = 475 А.

Рассчитаем средний ток ТЭД на последовательном соединении Iср1 и на параллельном соединении Iср2, А.

Iср1 = 1,15 Iн=1,15* 475 = 546 А
Iср2 = 1,25 Iн=1,25 * 475 = 594 А
Токи Iср1 и Iср2 показаны на графике рис. 2 вертикальными
линиями. Графически определим скорость движения на безреостатных позициях ( 7; 11; 12; 13 ), результаты занесём в таблицу 3.3

таблица 3.3

Средний ток , А
546
594

позиция
7
11
12
13

Скорость V, км/ч
22
44
54
69

Сила тяги ТЭД Fкд, кН
58
65
55
43

Сила тяги эл-за Fк ,кН
470
525
440
345

Расчёт массы поезда.

4.1 Выберем и обоснуем , исходя из полного использования силы тяги электровоза, расчётное значение силы тяги Fкр и соответсвующую ей расчётную скорость Vр. Из табл. 3.3 выберем наибольшее значение Fкр потому, что наибольшая сила , реализуемая электровозом, необходима для преодоления сил сопротивления движению W , кН, которая складывается из основного сопротивления W0 , кН и сопротивления движению от кривых и подъёмов Wд , кН . Силе тяги Fк = 525 кН соответствует скорость 44 кмч.

Рассчитаем основное удельное сопротивление движению w0р , кН.

2
w0р = 1,08 + 0,01Vр+ 1,52 * 0,0001 * (Vр ) , где Vр — расчётная
скорость движения

w0р = 1,08 + 0,01 * 44 + 1,52 * 0,0001 * ( 44 * 44 ) = 1,8 кН

Рассчитаем массу поезда с округлением до 50 т.

Fкр
М = (w0р + i ) * 9,81 * 0,0001 , где М — масса поезда
i — руководящий подъём
Fкр — расчётная сила тяги

М = 4200 т

Анализ работы системы управления

электровозом при разгоне.

Построим тяговые характеристики для 7; 11; 12; 13 позиции на рис. 2
Рассчитаем и построим характеристики основного сопротивления движения для скоростей 0,25; 50; 75; 100 км/ч, результаты занесём в таблицу 5.1

W0 = w0 ґ М ґ9,81 ґ 0,001
W0 = 1,08 * 4200 * 9,81 * 0,001 = 44,5 кН

табл. 5.1

Скорость движения V, км/ч
0,25
50
75
100

Основное удельное сопротивление движению w0 , н/(кН)
1,08
1,96
2,69
3,6

Основное сопротивление движению W0 , кН
44,5
81
111
148

Построим по данным таблицы кривую на рис.2

Графически определим конечную скорость разгона поезда. Пересечение графиков W0 (V) и Fк (V) для 13-ой позиции даст численное значение конечной скорости разгона поезда Vк км/ч. Vк=97 км/ч.

Заполним таблицу расчёта времени и пути разгона поезда таблица 5.3 .

Построим графики скорости и времени в период разгона поезда на рис. 3 .
Вывод
Время разщгона изменяется пропорционально при увеличении или уменьшении среднего значения пусковой силы тяги. Во сколько раз увеличится сила тяги, во столько раз уменьшится время разгона поезда и наоборот.
При разгоне сила тяги больше силы сопротивления движению и вследствии этого поезд разгоняется — движение с положительным ускорением. На подъёме возрастает сила сопротивления движению и при равенстве её силе тяги электровоза ускорение будет равно нулю — наступит установившееся движение. Когда сила сопротивления будет больше силы тяги, то поезд начнёт замедляться ( ускорение будет отрицательным). Из-за этого на подъёме время разгона увеличится, а на спуске уменьшится.

Управление электровозом при разгоне поезда.

Определим графически максимально возможный ток переключения по пусковой диаграмме ( рис.2 ) при параллельном соединение двигателей. Для работы уже выбран максимальный ток переключения, равный 475 А. При выборе большего тока на 11-й позиции произойдет бросок тока больше значения максимально допустимого в 831 А, что, в свою очередь, вызовет срабатывание аппаратов защиты.
При возможном увеличении тока переключения увеличатся средние токи для последовательного и параллельного соединения ТЭД, возрастёт сила тяги электровоза и его скорость. Графики V (S), t (S) на рис.3 будут достигать своих максимальных значении на меньшем расстоянии пройденного пути.

Рациональное ведение поезда — достижение максимальных скоростей за более короткое время, путём реализации максимальной силы тяги на безреостатных позициях при наличии максимальной массы поезда, рассчитанной по руковолящему подъёму. Технико- экономический эффект — снижение себистоимости перевозок грузов, экономия электроэнергии, эффективная эксплуатация ЭПС и вагонов.

Литература

Конспект лекций.
Задание на курсовую работу с методическими указаниями.
Правила тяговых расчётов.
Введение в теорию движения поезда и принцыпы управления электроподвижным составом.
Теория электрической тяги.

1.03.97 года

Таблица замыкания контакторов электровоза постоянного тока
Табл. 2.1

Позиция
Контакторы
Регулируемые параметры

ЛК
М
П1
П2
1
2
3
4
5
6
7
8
Ш1
Ш2
Ш3
Ш4
Uc’,В
R,Ом
b

1
+
+
—
—
—
—
—
—
—
—
+
+
—
—
—
—
750
5,84
1,0

2
+
+
—
—
+
—
—
—
—
—
+
+
—
—
—
—
750
4,79
1,0

3
+
+
—
—
+
+
—
—
—
—
+
+
—
—
—
—
750
3,74
1,0

4
+
+
—
—
+
+
+
—
—
—
+
+
—
—
—
—
750
2,75
1,0

5
+
+
—
—
+
+
+
+
—
—
+
+
—
—
—
—
750
1,76
1,0

6
+
+
—
—
+
+
+
+
+
—
+
+
—
—
—
—
750
0,88
1,0

7
+
+
—
—
+
+
+
+
+
+
+
+
—
—
—
—
750
0
1,0

8
+
—
+
+
—
—
—
—
+
+
—
—
—
—
—
—
1500
2,92
1,0

9
+
—
+
+
+
+
—
—
+
+
—
—
—
—
—
—
1500
1,87
1,0

10
+
—
+
+
+
+
+
+
+
+
—
—
—
—
—
—
1500
0,88
1,0

11
+
—
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
—
—
—
—
1500
0
1,0

12
+
—
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
—
—
1500
0,12
0,62

13
+
—
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1500
0,6
0,4