Системы управления электроподвижным составом

 

                 

 

По данным табл. 1.4 следует  построить характеристики V=f(I) и F_КД = f(I) при ослабленных полях ОП-1, ОП-2, ОП-3 – рис. 1.1.

 

 

1.2.4. Расчет  ограничения максимального тока  двигателя по сцеплению колес  с рельсами

 

Расчет ограничения  максимального тока двигателя по сцеплению ведут на основе расчета кривой ограничения максимальной силы тяги двигателя по сцеплению F_{КД МАКС} по формуле

 

F_{КД МАКС} = y _К · 2П,                                       (2.7)

 

где 2П – нагрузка на ось колесной пары, кН; y _К – расчетный коэффициент сцепления для грузовых электровозов переменного тока, для электровозов ВЛ80Р и ВЛ85 с плавным регулированием напряжения двигателя [2]

 

4,3

y _К = 0,3 + –––––––– – 0,0006 V.

50 + 6 V

Для рассчитанных значений F_{КД МАКС} по характеристике F_КД = f(I) находят соответствующие значения токов двигателя I_МАКС.

Результаты расчетов записывают в табл. 1.5. Величины I_МАКС для соответствующих значений V образуют зависимость I_МАКС=f(V) – кривую ограничения максимального тока по сцеплению колес с рельсами. Полученную кривую I_МАКС=f(V) наносят на характеристики двигателя V=f(I) и F_КД=f(I).

 

Таблица 1.5 - Расчет ограничения  максимального тока двигателя по сцеплению

 

V, км/ч	0	10	20	30	40	50	60	70
y К	0.386	0.333	0.313	0.301	0.291	0.282	0.274	0.267
FКД МАКС , кН	96,5	83.25	78,25	75,25	72,75	70,5	68,5	66,75
IМАКС,  А	1680	1475	1400	1550	1315	1275	1250	1215

 

 

1.2.5. Расчет  нагрузочной характеристики тягового  двигателя С_VФ = f (I_В)

 

Нагрузочную характеристику (кривую намагничивания) тягового двигателя в расчетах более удобно представлять в виде зависимости С_VФ от тока возбуждения I_В.

 

ЭДС определяют из выражения 

 

Е = С_V∙Ф · V,                                                (1.8)

 

отсюда

 

С_VФ = Е / V,                                              (1.9)

 

где Е – ЭДС двигателя, В; V –  скорость движения поезда, км/ч.

 

Произведение конструктивной постоянной С_V на магнитный поток Ф называется удельной ЭДС.

 

Значение С_VФ_Н в номинальном режиме получают из уравнения

 

U_ДН = С_VФ_Н · V_Н+I_Н S r_Д ,                                  (1.10)

 

отсюда

U_ДН – I_Н S r_Д

C_VФ_Н = ——––————,                                        (1.11)

V_Н

     875 – 1112∙0,024

                                        C_VФ_Н = ——––———— = 16,31 в∙с/м                                            

52

 

 

 

Зависимость С_VФ = f (I_В) определяется конструктивными особенностями тяговых двигателей электровозов. Для определения С_VФ используется аналитическая зависимость [3], достаточно точно описывающая вид кривой намагничивания тяговых двигателей последовательного возбуждения грузовых электровозов

 

 С_VФ=1,2 С_VФ_Н (1-е^{-1,8Iв/Iвн}),                                        (1.12)

 

где I_ВН – ток возбуждения двигателя в номинальном режиме.

 

При нормальном возбуждении (полное поле) ток двигателя I и ток  возбуждения I_В связаны соотношением

 

I_В = b₀ · I.                                                      (1.13)

 

Из формулы (2.12) получают

 

 

 

 С_VФ/С_VФ_Н =1,2 (1-е^{-1,8Iв/Iвн}),                                      (1.14)

 

Точки зависимости, рассчитанные по формуле (1.14), приведены в табл. 1.6.

 

 

 

 

Таблица 1.6 - Универсальная  нагрузочная характеристика

 

IВ/IВН	0,25	0,5	0,75	1,0	1,25	1,5	1,75
СVФ/СVФН	0,435	0,712	0,889	1,0	1,07	1,12	1,15

 

Значение С_VФ и I_В нагрузочной характеристики С_VФ=f(I_В) получают путем умножения относительных величин С_VФ/С_VФ_Н и I_В/I_ВН на соответствующие номинальные значения С_VФ_Н и I_ВН. Расчеты записываем в табл. 1.7.

 

Таблица 1.7 - Нагрузочные характеристики тягового двигателя С_VФ= f (I_В) в номинальном режиме при I = I_Н

 

	267	534	801	1068	1335	1602	1869
	7,095	11,613	14,5	16,31	17,452	18,267	18,756

 

По данным табл.1.7. строим нагрузочную  характеристику С_VФ=f(I_В) (рис.1.2).

 

 

Рисунок 1.2 – Нагрузочная характеристика двигателя в номинальном режиме.

 

6. Расчет силы тяги тягового двигателя F_КД1 при трогании на первой позиции электровоза.

 

Для построения пусковой диаграммы  по ступеням регулирования (позициям) на скоростных характеристиках электровоза  V=f(I) в дальнейших расчётах необходимо знать допустимое значение силы тяги двигателя при трогании на первой позиции F_КД1. Этой силе тяги должно соответствовать ускорение одиночного электровоза на площадке не более 0,4 м/с². Ограничение важно соблюдать при выполнении манёвров, когда электровоз нужно передвинуть на небольшое расстояние. Опустив преобразования, получим выражение для силы тяги двигателя электровоза на первой позиции:

 

 

,                       (1.15)

 

где  2П – нагрузка на ось колесной пары;

(1+g) – коэффициент инерции вращающихся частей, (1+g)=1,25;

dV/dt – ускорение одиночного электровоза на площадке, dV/dt≤0,4 м/с²;

w¢₀ – удельное основное сопротивление движению электровоза при скорости 10 км/ч, w¢₀=2.

 

кН.

По рисунку 1 определяем ток двигателя при трогании на первой позиции I_тр1= А.

Желательно чтобы I_тр1 был не более 0,3×I_н=0,3×1112= 333,6 А

 

 

1.3 Обоснование  системы регулирования напряжения  тяговых двигателей электровоза.

Современные электровозы  переменного тока в нашей стране имеют в основном ступенчатое  и плавное регулирование напряжения коллекторных тяговых двигателей на стороне низкого напряжения тягового трансформатора. В обоих видах регулирования применяются статические (полупроводниковые) преобразователи на неуправляемых (ступенчатое регулирование) и управляемых (плавное регулирование) силовых вентилях. Исходя из исходных данных нужно дать характеристику с плавным регулированием.

Трансформаторы и преобразовательные установки с использованием управляемых  полупроводниковых вентилей - тиристоров специально спроектированы для этих электровозов. С помощью преобразовательной установки на тяговом режиме без переключения силовых цепей осуществляется выпрямление тока и плавное регулирование напряжения на зажимах тяговых электродвигателей, что улучшает тяговые свойства электровоза, а на тормозном режиме постоянный ток, вырабатываемый тяговыми электродвигателями, преобразуется в установке в переменный частотой 50 Гц. Этот ток питает тяговые обмотки трансформатора, первичная обмотка которого становится вторичной и возвращает электрическую энергию в контактную сеть для других потребителей.

 

1.4 Схема силовых цепей  электровоза с плавным регулированием  напряжения

Схема силовых цепей электровоза  с плавным регулированием напряжения аналогична схеме электровоза ВЛ80^Р [9,10]. Назначение и принцип действия показанных на схеме устройств электрического оборудования, работу электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения, а также принцип действия защиты силовых цепей нужно изучить, например, по руководству по эксплуатации электровоза ВЛ80^Р [10]. Ниже даны основные сведения о силовой схеме электровоза при работе в режиме тяги и рекуперативного торможения.

Режим тяги. В режиме тяги регулирование скорости движения поезда осуществляется за счет изменения напряжения на тяговых двигателях I–IV, а также за счет регулирования их возбуждения.

 

Двигатели I и II получают питание с  выхода первого выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП1) через сглаживающий реактор 55, а двигатели III и IV – с  выхода ВИП2 через сглаживающий реактор 56. На выходы ВИП1 и ВИП2 переменное напряжение поступает соответственно от двух вторичных обмоток (а₁-х₁ и а₂-х₂) тягового трансформатора. Каждая из этих обмоток состоит из трех секций, в которых две (а₁-1, 1-2 в одной и а₂-3, 3-4 в другой обмотках) имеют равное число витков, а значит и равное напряжение, а третья (2-х₁ и 4-х₂) – имеет в два раза большее число витков, чем первые две, т.е. равное сумме витков первых двух секций.

Схемой силовых цепей  предусмотрено плавное 4-х зонное регулирование выпрямленного напряжения как в режиме тяги, так и в режиме рекуперативного торможения. Каждый ВИП состоит из 8 тиристорных плеч. Схему ВИП можно представить как три параллельно соединенные однофазные мостовые схемы 1-4, 3-6, 5-8 с совмещенными смежными плечами (3-4, 5-6).

 

Для 8-плечевой схемы ВИП  действительны все соотношения  обычной однофазной мостовой схемы. На каждой зоне регулирования напряжения работает определенная секция обмотки  и соответствующие ей плечи ВИП. Так, на 1-й зоне работает секция 1-2 с  плечами 3,4,5,6 ВИП1 и секция 3-4 с плечами 3,4,5,6 ВИП2; на 2-й зоне – сумма секций 1-2 и а1-1 с плечами 1,2,3,4,5,6 ВИП1 и сумма секций 3-4 и а2-3 с плечами 1,2,3,4,5,6 ВИП2; на 3-й зоне – сумма секций 2-х1 и 1-2 с плечами 3,4,5,6,7,8 ВИП1 и сумма секций 4-х₂ и 3-4 с плечами 3,4,5,6,7,8 ВИП2; на 4-й зоне – сумма секций 1-х₁ и а₁-1 с плечами 1,2,3,4,7,8 ВИП2. ВИП1 и ВИП2 работают параллельно соответственно каждый на свою группу тяговых двигателей. Пуск электровоза начинается с 1-й зоны. Согласно алгоритму управления ВИП в 1-й зоне регулирование выпрямленного напряжения производится открытием тиристоров плеч 3,5 в момент a ₀ , а плеч 4,6 – в момент, соответствующий регулируемому углу a _Ф. Здесь a ₀ является наименьшим допустимым углом открытия тиристоров в начале каждого полупериода напряжения, равным примерно 100 (иначе a₀ – фаза управляющего импульса). Особенностью 1-й зоны является то, что на тиристоры плеча 5 сигнал управления подается дважды: первый от основного выходного усилителя в момент a ₀, а второй – от дополнительного выходного усилителя в момент a _Ф. Это необходимо с целью обеспечения надежного контура тока в цепи ВИП и тяговых двигателей в начале процесса выпрямления.

Энергия, запасенная в цепи выпрямленного  тока (сглаживающий реактор, тяговые  двигатели) за время коммутации (время перехода тока с одного плеча на другое в начале каждого полупериода), разряжается по нулевому контуру, образованному сглаживающим реактором, тяговыми двигателями и тиристорами плеч 3,4 в одном полупериоде, либо 5,6 в другом полупериоде напряжения. Таким образом, происходит чередование использования тиристоров в качестве нулевых вентилей. На диаграмме напряжения U_1-2 будет нулевая площадка, т.е. со стороны трансформатора на тяговые двигатели в этот момент времени энергия не поступает. Регулирование фазы управляющих импульсов a Ф производится в диапазоне от a_{Ф МАКС} » 1800 до a _{Ф МИН} » a ₀, выпрямленное напряжение в конце 1-й зоны достигает 1/4 U_ДН, во 2-й зоне выпрямленное напряжение увеличивается от 1/4 U_ДН до 1/2 U_ДН за счет изменения фазы открытия тиристоров плеч 1,2 в диапазоне от a _{Ф МАКС} до a _{Ф МИН}. При этом согласно алгоритму управления плечи 3,4,5,6 открываются в момент времени a 0.