=Курсовая работа= Расчет тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей и электровозов

[Admin]

Расчет тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей и электровозов

Курсовая работа

Скачать

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 Рдн , 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 Uдн , В – 480
Количество проводников якорной обмотки – 630
Диаметр колеса , мм – 1050
Число осей nос , - 6
Осевая нагрузка 2П , т – 23
Конструкционная скорость Vк , 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.



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).
Действие 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=0о,180о), а наименьший - когда через площадь, ограниченную витком, проходит наибольший магнитный поток (α=90о,270о).
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.
В проводниках витка, движущихся в магнитном поле с постоянной окружной скоростью V, наводится ЭДС, переменная как по величине, так и по направлению (рис.2.2):

е=B.V.L.cosα, В, (2.3)

где α - угол между направлениями линий магнитного поля и плоскости витка.
При α=0о,180о проводники I и II движутся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля; в этом положении витка разность потенциалов на его концах А и Б, то есть ЭДС, максимальна. При α=90о,270о проводники I и II перемещаются вдоль силовых линий поля, поэтому ЭДС в витке равна нулю.
В момент прохождения углов α=90о,270о изменяются направления движения проводников I и II относительно линий магнитного поля. Поэтому, в соответствии с правилом правой руки, изменяется направление ЭДС в витке и, следовательно, полярность его концов А и Б (см. рис.2.2).

Рис.2.2. Электродвижущая сила в витке, вращающемся в магнитном поле


Таким образом, в витке с током, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электродвижущая сила. Одновременно на проводники витка действуют электромагнитные силы. Эти процессы являются основой функционирования электрических машин, то есть устройств для взаимного преобразования электрической и механической энергий.
Неразрывная связь электромагнитных явлений, вызванных взаимодействием магнитных полей полюсов и витка с током, обусловливает свойство обратимости электрических машин постоянного тока. Оно заключается в том, что любая машина может работать как генератором, так и двигателем и может переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот. Указанное свойство широко используется на локомотивах. Например, на тепловозах тяговый генератор работает в режиме двигателя (стартера) при запуске дизеля, а тяговый двигатель - в режиме генератора при электродинамическом торможении [2].
В связи с наличием у электрических машин постоянного тока свойства обратимости, принцип действия машины более подробно рассмотрим на примере электродвигателя.
Принцип действия и общее устройство электродвигателя постоянного тока
Электродвигатель - это электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую. Если двигатель получает питание напряжением постоянной полярности, то он называется двигателем постоянного тока.
Простейшая схема такого двигателя приведена на рис.2.3, где в двухполюсной магнитной системе расположена обмотка якоря (показаны два последовательно соединенных элементарных проводника, образующих виток, концы которого подключены к двум пластинам коллектора К1 и К2). Подвод напряжения к коллектору осуществляется щетками Щ1 и Щ2.



Рис.2.3. Схема простейшего электродвигателя постоянного тока


Непрерывное взаимодействие магнитного поля, создаваемого полюсами С и Ю, и магнитного поля якоря, возникающего при протекании по его обмотке тока Iд, обусловливает возникновение электромагнитных сил F1, F2 и вращающего момента на валу якоря. Одновременно в якорной обмотке индуцируется ЭДС, которая направлена, в соответствии с правилом правой руки, навстречу подводимому к двигателю напряжению (эту ЭДС иногда называют противо-ЭДС двигателя).
Таким образом, подводимое к электродвигателю напряжение стремится создать ток в обмотке якоря, чему препятствует индуцируемая ЭДС. Поэтому величина тока Iд в обмотке якоря работающего электродвигателя будет определяться не подводимым к ней напряжением Uд, а разностью между напряжением и наведенной в обмотке якоря ЭДС Ед:



6. Электроподвижной состав.

6.1 Электровоз постоянного тока ВЛ10

Электровоз ВЛ10 предназначен для работы с грузовыми поездами на магистральных железных дорогах РФ, электрифицированных на постоянном токе с напряжением в контактной сети 3000 В.
Все оборудование электровозов рассчитано на надежную работу при напряжении в контактной сети от 2200 до 4000 В. Изменение температуры окружающего воздуха вне кузова допускается от —50 до +40 °С при влажности воздуха 90%, замеренной при температуре +27 °С. Высота над уровнем моря не более 1200 м. Электровоз ВЛ 10 и состоит из двух сочлененных между собой автосцепкой СА-3 секций. На электровозах ВЛ10 выпуска до 1975 г. каждая секция опиралась на две двухосные несочлененные тележки через упругие опоры. На электровозах ВЛ10 выпуска с 1975 г. секции кузова на тележках опираются с помощью люлечного подвешивания, которое в значительной, степени улучшает горизонтальную динамику электровоза.
Сварные рамы тележек обладают повышенной надежностью, в процессе изготовления их подвергают тщательному контролю с применением современной аппаратуры. Тележки оборудованы бесчелюстными буксами с роликовыми подшипниками повышенной долговечности, Перемещение букс относительно рамы происходит за счет деформации сдвига резинометаллических блоков. Рессорное подвешивание обеспечивает эффективное смягчение вертикальных толчков при прохождении электровозом неровностей пути.
На электровозах ВЛ10 установлено по восемь тяговых двигателей. Тяговые электродвигатели имеют последовательное возбуждение, опорно-осевое подвешивание, принудительную вентиляцию и мощность при часовом режиме по 670 кВт. Электродвигатели обладают надежностью и высоким к. п. д. Вращающий момент от тягового двигателя на колесные пары передается двусторонней одноступенчатой цилиндрической косозубой передачей.
Для регулирования частоты вращения тяговых двигателей предусмотрены три вида их соединения: последовательное (С), последовательно-параллельное (СП) и параллельное (П). Кроме того, на всех этих соединениях предусмотрена работа тяговых электродвигателей при ослабленном возбуждении с коэффициентом возбуждения 0,75; 0,55; 0,43; 0,36. Электрические цепи электровоза получают питание от контактного провода через токоприемники, обеспечивающие надежный токосъем при любых скоростях движения электровоза.


Схемы силовых цепей электровозов
а) электровоз постоянного тока б) электровоз переменного тока

6.2 Электровоз переменного тока ВЛ80

Электровоз ВЛ80 предназначен для эксплуатации на магистральных железных дорогах РФ, электрифицированных на однофазном токе промышленной (50 Гц) частоты с номинальным напряжением 25 к В.
Оборудование электровоза рассчитано на работу при напряжении в контактной сети от 19 до 29 кВ, изменении температуры окружающего воздуха от — 50 до + 40 °С, влажности воздуха до 90 % при температуре 293 К (+ 20 °С) и высоте над уровнем моря не более 1200 м. Электровоз состоит из двух однотипных секций, оборудован электрическим реостатным тормозом и системой, позволяющей управлять двумя электровозами по системе многих единиц.
В состав поставки электровоза входят: комплекты инструментов, принадлежностей и запасных частей, предназначенных для использования при техническом обслуживании н текущих ремонтах;
комплект технической документации, предназначенной для использования при эксплуатации, техническом обслуживании и текущих ремонтах.

6.3 Электропоезд ЭР2

Электропоезд ЭР2 предназначен для перевозки пассажиров на пригородных участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе с номинальным напряжением в контактной сети 3 300 в.
За основную поездную единицу принят 10-вагонный электропоезд, состоящий из двух головных, пяти моторных и трех промежуточных прицепных вагонов. По условиям эксплуатации допускается формирование поезда из восьми, шести или четырех вагонов , а также из двенадцати.
Управление поездом осуществляется из кабины машиниста, имеющейся в каждом головном вагоне. На электропоезде ЭР2 предусмотрен реостатный пуск тяговых двигателей с переключением их в процессе пуска с последовательного на параллельное соединение, двухступенчатое ослабление поля на каждом из двух соединений шунтированием обмоток возбуждения активным и индуктивным сопротивлениями и реверсирование хода поезда, а также защита тяговых двигателей от перегрузок, коротких замыканий, боксования и перенапряжений.
Система управления двигателями—групповая, косвенная. Основным аппаратом управления является силовой контроллер с пневматическим приводом, имеющий одностороннее вращение. Этот контроллер имеет 18 позиций.


Схема силовых цепей моторного вагона


7. Вывод

В ходе выполнения курсовой работы я изучил физические процессы, происходящие в колесно-моторном блоке (КМБ) тепловоза при преобразовании электрической энергии в механическую, и создании силы тяги. На основании рассчитанных параметров тягового электродвигателя (ТЭД) построил тяговую характеристику тепловоза с нанесением на ней ограничений по конструктивным параметрам и условиям сцепления колеса с рельсом.


8. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Зорохович А.Е., Крылов С.С. Основы электротехники для локомотивных бригад: Учебник для техн.школ. - М.:Транспорт,1987.-414 с.
2. Дробинский В.А., Егунов П.М. Как устроен и работает тепловоз. - М.:Транспорт,1980. - 367 с.
3. Сидоров Н.И. Как устроен и работает электровоз. - М.: Транспорт,1980. - 223 с.
4. Луков Н.М., Стрекопытов В.В., Рудая К.И. Передачи мощности тепловозов: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. Н.М.Лукова - М.:Транспорт,1987. - 279 с.
5. Тепловозы: Основы теории и конструкция: Учеб. для техникумов / В.Д.Кузьмич, И.П.Бородулин, Э.А.Пахомов и др.; Под ред. В.Д.Кузьмича.- М.:Транспорт,1991.-352 с.
6. Электрические железные дороги: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / В.А.Кисляков, А.В.Плакс, В.Н.Пупынин и др.; Под ред. А.В.Плакса и В.Н.Пупынина. - М.:Транспорт,1993. - 280 с.
7. Бирюков И.В., Беляев А.И., Рыбников Е.К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог.-М.:Транспорт,1986. - 256 с.
8. Бородин А.П. Электрическое оборудование тепловозов: Учебник для средних ПТУ. - М.:Транспорт,1988. - 287 с.
9. Вилькевич Б.И. Автоматическое управление электрической передачей и электрические схемы тепловозов. - М.:Транспорт,1987. - 272 с.
10. Теория электрической тяги / В.Е.Розенфельд, И.П.Исаев, Н.Н.Сидоров, М.И.Озеров; Под ред. И.П.Исаева. - М.: Транспорт,1995.-294 с.
11. Подвижной состав и тяга поездов: Учебник / Третьяков А.П., Деев В.В., Перова А.А. и др.; Под ред. В.В.Деева, Н.А.Фуфрянского. - М.:Транспорт,1979. - 368 с.
12. Режимы работы магистральных электровозов / О.А.Некрасов, А.Л.Лисицын, Л.А.Мугинштейн, В.И.Рахманинов; Под ред. О.А.Некрасова. - М.:Транспорт,1983. - 231 с.
13. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - M.:Транспорт, 1985. - 287 с.