Исходные данные. 1. Диаметр колеса по кругу катания DK =1250 мм;

2.1 Определение конструктивных постоянных двигателей С_е и С_м

; (1)

, (2)

где р - число пар главных полюсов двигателя;

N - количество проводников якорной обмотки;

а - число пар параллельных ветвей якорной обмотки.

;

2.2 Вычисление силы тока ТЭД на номинальном режиме работы

, А, (3)

где U_ДН, P_ДН, η_ДН - номинальные значения напряжения, мощности и к.п.д. двигателя.

Величину номинального к.п.д. принимаем для тепловоза равной η_ДН = 0,92.

А,

2.3 Расчет магнитного потока возбуждения ТЭД на номинальном
режиме работы

, Вб, (4)

где n_ДН - номинальная частота вращения вала ТЭД, n_ДН =850 об/мин.

Вб.

3. Расчет и построение универсальной магнитной характеристики ТЭД Ф_Д=f(I_В)

3.1 Определение зависимости магнитного потока Ф_д от режимов ра­боты тягового электрического двигателя.

При расчете электромеханических характеристик любого электро­двигателя используют его магнитные характеристики (кривые намагни­чивания), то есть зависимости магнитного потока Ф_д от тока возбуждения I_В и тока якоря I_д. Их обычно представляют в виде графиков Ф_Д=f(I_В) построенных для различных величин тока якоря I_д, и называют нагрузочными характеристиками.

Для локомотивных ТЭД с последовательным возбуждением семей­ство нагрузочных характеристик Ф_д=f(I_В, I_д) можно заменить одной кри­вой Ф_Д=f(I_В), считая I_д = I_В. Однако для определения этой зависимо­сти, которую будем называть универсальной магнитной ха­рактеристикой ТЭД, необходимо провести расчеты его магнитной сис­темы и взаимодействия магнитных полей полюсов и якоря. В данной курсовой работе будем использовать безраз­мерные универсальные магнитные характеристики ТЭД.

Они представляют собой зависимости магнитного потока Ф_д от то­ка возбуждения I_В, выраженные относительно значений Ф_ДН и I_ВН на но­минальном режиме работы ТЭД (табл. 1).

Таблица 1

Безразмерные универсальные магнитные характеристики электровозных и тепловозных тяговых электродвигателей

Определение искомой зави­симости Ф_Д=f(I_В) (в абсолютных величинах) осуществляют по точкам безразмерной характеристики путем пересчета по формулам

Ф_д = (Ф_д / Ф_дн) Ф_дн, Вб;

I_В = (I_В / I_ВН) I_ВН, А

считая, что I_ВН=I_ДН.

Полученные координаты точек универсальной магнитной характе­ристики ТЭД заносим в таблицу 2 и далее строим график Фд=f(I_В) на миллиметровой бумаге (см. рисунок 1).

Таблица 2

Безразмерная универсальная магнитная характеристика тепловозного тягового электродвигателя

4. Расчет и построение кривых намагничивания ТЭД при различных режимах нагрузки и ослабления возбуждения Ф_д=f(I_Д, α)

При выполнении данного этапа заполняем таблицу 3. Значения I_д задаем по точкам универсальной магнит­ной характеристики в диапазоне (0,50-1,50)I_дн. Величины тока возбуждения I_В, соответ­ствующие каждому значению тока I_д, составляют

, А, (5)

где α - коэффициент ослабления возбуждения ТЭД.

Значения коэффициента α на первой (ОП₁) и второй (ОП₂) ступенях ослабления возбуждения принимаем равными и .

Значения магнитного потока Ф_Д для каждого сочетания величин тока якоря I_д и коэффициента α можно приближенно определить по по­строенному ранее графику универсальной магнитной характеристики ТЭД Ф_Д=f(I_В).

Полученные точки с координатами (I_Д,Ф_Д) наносим на миллиметровую бумагу и строим кривые намагничивания двигателя Ф_д=f(I_Д) для режимов возбуждения ПП, ОП₁, и ОП₂ (см. рисунок 2).

Таблица 3

Кривые намагничивания ТЭД при разных режимах возбуждения

5. Определение параметров внешней характеристики тягового генера­тора тепловоза U_Г=f(I_Г)

Взаимосвязь токов и напряжений ТЭД и ТГ в данной курсовой ра­боте можно считать следующей:

; (6)

, (7)

где m - количество тяговых двигателей на тепловозе, равное числу его движущих осей n_ос.

5.1 Расчет мощности ТГ в продолжительном (номинальном) режиме

, Вт, (8)

где U_ГН = 1600 В, и А - напряжение и ток ТГ на номинальном режиме соответственно;

, Вт.

5.2 Определение максимального напряжения ТГ

, В (9)

где k_Г - коэффициент регулирования напряжения ТГ. Значение k_Г выбираем из диапазона 1,4-1,8. Принимаем k_Г=1,4, тогда

, В;

Определение минимального тока ТГ

, А; (10)

, А.

5.3 Определение максимальной силы тока ТГ

, А; (11)

, А;

и соответствующего ей минимального напряжения ТГ

, В; (12)

, В,

5.4 Расчет гиперболического участка внешней характеристики ТГ.

Для этого выбираем 5-7 значений тока ТГ в диапазоне I_Гmin < I_Г < I_Гmax и определяем соответствующие им величины напряже­ния ТГ как U_Г=P_ГН/I_Г, В. Результаты заносим в две верхние строки таблицы 4, которые содержат точки гиперболического участка внешней характеристики ТГ.

В крайние колонки таблицы необходимо внести координаты то­чек, которые ограничивают гиперболический участок, то есть (I_Гmin, U_Гmax) и (I_Гmax, U_Гmin).

5.5 Построение координатной сетки с осями I, U и нанесение на ней точек с координатами (I_Гmin, U_Гmax), (I_ГН, U_ГН) и (I_Гmax, U_Гmin).

Через точку с координатами (I_Гmin, U_Гmax) проводим горизонтальную линию, соответствующую ограничению по напряжению ТГ.

Через точку с координатами (I_Гmax, U_Гmin) проводим вертикальную линию, соответствующую ограничению по току ТГ.

Гиперболический участок внешней характеристики строим по данным верхней части таблицы 4. Полученная кривая проходит через точку продолжительного режима рабо­ты ТГ с координатами (I_ГН, U_ГН) (см. рисунок 3).

6. Расчет и построение электромеханических характеристик тягового двигателя n_Д= f(I_Д) и М_д= f(I_Д)

Построенные внешняя характеристика ТГ U_Г=f(I_Г) и кривые на­магничивания ТЭД Фд=f(I_д) позволяют рассчитать электромеханические характеристики ТЭД тепловоза.

Электромагнитный момент на валу двигателя (вращающий мо­мент без учета механических потерь в двигателе) определяется

М_Э = С_М Ф_Д I_Д, Нм, (13)

где Ф_Д - магнитный поток возбуждения двигателя, Вб;

Электромеханические характеристики отражают изменение меха­нических параметров n_Д и М_Д на валу двигателя в зависимости от силы тока I_Д. Моментная характеристика ТЭД М_Д=f(I_Д) рассчитываем с использованием формулы (13) по соотношению

, Нм, (14)

где М_Д - вращающий момент на валу ТЭД;

η_М - механический к.п.д. двигателя, равный 0,96-0,98. Принимаем η_М = 0,97.

Зависимость между напря­жением U_Д, приложенным к двигателю, и силой тока I_д определяется за­конами Ома и Кирхгофа:

U_Д = E_Д + I_Д R_Д, В, (15)

где E_Д - ЭДС, индуцируемая в якорной обмотке, В;

I_ДR_Д - падение напряжения в электродвигателе при прохождении по нему тока (составляет примерно 0,04 U_Д), В;

R_Д - суммарное сопротивление якорной цепи двигателя, Ом

ЭДС электрического двигателя со сложной якорной об­моткой имеют вид:

Е_Д = С_е Ф_Д n_Д, В; (16)

где n_Д - частота вращения вала якоря, об/мин;

Скоростная характеристика n_Д=f(I_Д) определяется из уравнений (15) и (16), характеризующих состояние электрической цепи ТЭД.

(17)

или, принимая I_дR_д ≈ 0,04 U_Д, формула будет иметь вид

, об/мин;

По данным таблицы 4 выполняем построение искомых графиков ско­ростной n_Д=f(I_Д) и моментной М_Д=f(I_Д) характеристик ТЭД для раз­личных режимов возбуждения (см. рисунок 4).

Таблица 4.

Электромеханические характеристики тягового двигателя тепловоза
(работа при постоянной мощности Р_Д = Р_ДН)

7. Определение электротяговых характеристик тягового привода локомотива V=f(I_Д) и F_КД=f(I_Д)

Электротяговые характеристики F_КД=f(I_Д) и V=f(I_Д) отражают изме­нение механических параметров на ободе колеса. Поэтому они также называются электромеханическими характеристиками ТЭД, отне­сенными к ободу колеса локомотива.

Зависимость силы тяги F_КД на ободе колеса, развиваемой дви­гателем, от тока якоря I_Д можно рассчитать по известной моментной ха­рактеристике М_Д=f(I_Д) и параметрам колесно-моторного блока. При этом взаимная связь величин F_КД и М_Д определяется соотношением

, Н, (18)

где D_K - диаметр колеса локомотива по кругу катания, м;

µ - передаточное число зубчатой передачи колесно-моторного блока;

η₃ - к.п.д. зубчатой передачи, равный η_з = 0,975.

Значения параметров µ и D_K принимаются в соответствии с заданием к курсовой работе, следовательно D_K = 1,050 м; µ = 4,21.

Скоростная характеристика V=f(I_Д), отнесенная к ободу колеса, рассчитывается по электромеханической характеристике n_л=f(I_д) ТЭД с учетом того, что скорость движения локомотива принято выражать в км/ч:

, км/ч (19)

Результаты расчетов заносим в таблицу 5. Полученные электромеханические характеристики ТЭД (см. рисунок 5 приложения), отнесен­ные к ободу колеса, необходимы для построения тяговых характерис­тик локомотивов.

Таблица 5.

Электротяговые характеристики тягового привода тепловоза