Ш Р,,о,кВт

где Tjoo -LKПД \ электродвигателя в длительном режиме, выбираемый по графику;(рис. 184).

По найденным значениям соаоо, М«, и /оо на основании универсальных характеристик тягового электродвигателя (си. рис. 183) строят его действительные электромеханические характеристики.

Характеристику силы тяги автономного локомотива с электрической передачей строят по электромеханическим характеристикам тяговых электродвигателей. Задаваясь угловой скоростью электродвигателя щ, по электромеханическим характеристикам находят соответствующий этой скорости момент М. Затем по известным соа и Л1 определяют скорость движения

V = l,8D„co2/«Mx

Рис. 184. Зависимость КПД тягового электродвигателя от мощности при длительном режиме

(75)

и силу тяги локомотива

(76)

Определив таким образом значения у и F„ для каждого режима работы электродвигателей, строят характеристику силы fяги F„ (у) в зоне ограничения по мощности дизеля.

Пример. Рассчитать основные параметры электрической передачи переменно-постоянного тока и -построить характеристики тяговых электрических машин.

Исходные данные: номинальная мощность дизеля Pes = 2940 кВт; угловая скорость вала дизеля (йн= 104,5 рад/с; скорость тепловоза в длительном режиме t»oo = 50 км.ч; конструкционная скорость тепловоза t»jj = 160 км/ч; число тяговых электродвигателей п = 6; диаметр ведущих колес локомотива Dk= 1,05 м; коэффициент свободной мощности дизеля Рс0.94.

Принимаем параллельное соединение тяговых электродвигателей, максимальное напряжение генератора на выходе звена постоянного тока f/rmax = 750 В, максимальную угловую скорость вала электродвигателя щ цях. = 228 рад/с и минимальный коэффициент возбуждения электродвигателя «в mm = 0,38.

Передаточное число по формуле (64)

«мх = (1,8-1,05-228)/160 = 2,7.

Мощность генератора в длительном режиме на выходе звена постоянного .тока по формуле (61)

гоо = 2960.0,94-0,96 = 2660 кВт.

Мощность тягового электродвигателя в длительном режиме по формуле (63) 1оо = 2660/6 = 444 кВт.

Относительная максимальная угловая скорость вала электродвигателя по формуле (70)

«>2тах/<»2оо = Voo = 160/50.0 = 3,2.

Угловая скорость вала электродвигателя и вращающий момент в длительном режиме по формулам (73) и (74)

<»2оо =«2тах/3.2 = 71 рад/с; 444 ООО 0,92

71.0

= 5750 Н-м.

Приведенный к ободу колес КПД электродвигателя определяем по графику (рис. 184). При Pj = 444 кВт получаем = 0,92.

Минимальную относительную силу тока генератора /mm = 0,69, при которой используется полная мощность дизеля max = 3,2, ав mm = 0,38), находим по графикам (см. рис. 182). Для этого значения силы тока по графику находим максимальное относительное значение напряжения генератора t/rmax = 1,45.

Длительное выпрямленное значение напряжения и силы тока генератора по (юрмулам (71) и (72) соответственно равны

t/.„=-m = 517B;

/гоо =

1.45

2660-10» 517

= 5140 А.

Сила тока электродвигателя в длительном режиме 00 = оо/« = 5140/6 = 855 А.

Масса генератора и электродвигателя по формулам (66) и (67) составляюх /Пр = 0,165-1.45 ff; = 6100 кг;

104,5

= 3350 кг.

Действительную внешнюю характеристику генератора с учетом звена постоянного тока получаем при пересчете безразмерной характеристики (см. рис. 182) по формулам

и, = и,и,; /,= 7Лоо-

В результате расчета получаем следующие значения.

7р... f/p . . .

/р, А . . f/p, В . .

Действительные электромеханические характеристики электродвигателя получаем при пересчете универсальных характеристик (см. рис. 183) по формулам

созйрдароо; М=ММ; I = IU.

Результаты расчета электромеханических характеристик электродвигателя и тяговой характеристики тепловоза для различных значений коэффициента «в сведены в табл. 36. Скорость движения тепловоза рассчитана по формуле (75). а сила тяги по формуле (76) при КПД зубчатой передачи т]мх = 0,98.

Результаты расчета тяговой характеристики тепловоза с электрической передачей постоянного тока

§ 50. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОКОМОТИВА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В электрической передаче переменного тока в качестве тягового используют асинхронный короткозамкнутый электродвигатель (АД). Угловая скорость ротора асинхронного электродвигателя

(1-S),

(77)

где fi - частота питающего АД напряжения; р - число пар полюсов АД; s - скольжение.

Из выражения (77) видно, что для плавного регулирования угловой скорости АД в широких пределах необходимо в таких же пределах регулировать частоту тока питающей сети.

При частотном управлении АД необходимо регулировать не только частоту, но и амплитуду напряжения статора. Соотношение между частотой и напряжением, подаваемым на статор АД при частотном управлении, называют законом частотного управления АД. Наиболее общий закон частотного управления для идеализированного АД (активное сопротивление обмотки статора rj = = О, магнитная цепь не насыщена, охлаждение принудительное), позволяющий обеспечить оптимальный режим его работы при синусоидальной форме напряжения, записывают в виде

(78)

где у = UlV - относительный параметр напряжения; а = = /i/fiH - относительный параметр частоты; р, = М1М - относительный параметр момента вращения; U, f, М - текущее значение соответственно напряжения, частоты, момента; U„, /iH. -Лн - номинальное значение соответственно напряжения, частоты, момента.

Учитывая падения напряжения в обмотках статора, формулу (78) можно представить в виде:

при постоянном моменте нагрузки

£i/fi = const; (79)

при постоянной мощности

£j /; = const. (80)

Здесь El = Сх/хФ - ЭДС электродвигателя; Ф - магнитный поток; Cj - машинная постоянная.

Частота тока ротора АД пропорциональна его абсолютному скольжению

fa = (wi - щ) /р2п,

где coi - угловая скорость магнитного поля статора. В теории частотно-управляемого электропривода частоту тока ротора и абсолютное скольжение оценивают по относительному параметру

Р = (cOi - C02)/(0i„ = faZ/iH.

Относительное скольжение ротора S = (coi - сог)/®! = flfi = р/а. Угловая скорость ротора 0)2 = 0)iH (а - Р)-

При аналитических расчетах характеристик частотно-управляемого АД относительный параметр р играет такую же роль, как и относительное скольжение s при постоянной частоте питающего напряжения.

При электрической передаче любого типа для поддержания постоянной мощности дизеля напряжение генератора в рабочей зоне примерно должно быть обратно пропорционально току нагрузки. Поскольку напряжение, приложенное к АД, изменяется по тому же закону, что и напряжение генератора, то для каждой зоны внешней характеристики генератора выбирают оптимальный закон частотного управления АД.

Первоначальный разгон поезда целесообразно проводить при постоянной силе тяги и постоянном моменте АД. Поэтому в зоне ограничения тока генератора управление АД отвечает формуле (79). В зоне ограничения по мощности дизеля мощность, подводимая к АД, Pi я=! const. В этой зоне регулирование АД осуществляют по зависимости (80).

11* 323

Выпрямитель звена достоянного тока обладает односторонней проводимостью. Обмен реактивной энергией между генератором и АД отсутствует. Поэтому выпрямленный ток генератора определяется активной составляющей тока нагрузки (АД). При этом, если регулирование АД в зоне ограничения силы тока генератора отвечает формуле (79), а в зоне ограничения по мощности дизеля формуле (80), то практически соблюдается равенство

/</ = Ф.

(81)

где Id = /d d«,; Ф = Ф/Фоо, Id и /</оо - текущее и длительное значения выпрямленного тока генератора; Ф и Фе - текущее и длительное значения магнитного потока АД.

Как указывалось вьше (§ 48), масса и размеры генератора зависят от коэффициента регулирования напряжения генератора. В электропередаче постоянного и переменно-постоянного тока при прочих равных условиях fep понижается при уменьшении коэффициента возбуждения ав электродвигателей. В электропередаче переменного тока с АД значение обусловлено характеристиками и регулировочными свойствами АД и принятым законом частотного управления. В результате расчета установлено, что если управление АД отвечает формуле (81), то для поддержания постоянной мощности дизеля во всем диапазоне изменения силы тяги и скорости движения тепловоза требуемый коэффициент регулирования напряжения = 1,9-4-2,5.

Для уменьшения коэффициента применяют двухзонное регулирование АД при Pi const. Первая зона соответствует изменению напряжения генератора от И до /тах- Вторая зона соответствует условию

d = dmax = const; d = dmln = const.

При возрастании частоты /i (скорости движения) это условие может быть выполнено только путем увеличения абсолютного скольжения АД. Увеличение частоты при постоянном напряжении приводит к уменьшению магнитного потока двигателя, поэтому такой режим работы АД аналогичен ослаблению магнитного потока электродвигателя постоянного тока.

Момент, который развивает АД в режиме И- = const, /i = = var, уменьшается примерно обратно пропорционально квадрату частоты (скорости движения тепловоза). В то же время сила тяги (момента АД), соответствующая требуемой тяговой характеристике тепловоза, уменьшается примерно обратно пропорционально скорости движения (чатоты). Это приводит к уменьЩе-нию перегрузочной способности АД. Таким образом, при заданном диапазоне изменения скорости движения локомотива уменьшение коэффициента ограничено снижением перегрузочной способности АД.

S Л/пах

Рис. 185. Графики зависимости krf («гаах) при kn = const: /, 2, 3, 4, 5 - кривые, соответствующие Лц, равному 1,5; 1,4; 1,3; 1,2 и 1.1

Перегрузочную способность АД оценивают коэффициентом ka, который равен отношению критического крутящего момента Мкр к его текущему значению М. В расчетах принимают *nmin =1,204-1,25. На рис. 185 приведены графики зависимости =

= f (ttmax) При ka = COnst ДЛЯ теПЛО-

возных АД (где - требуемый коэффициент регулирования напряжения генератора; аах - требуемое наибольшее значение коэффициента регулирования частоты). При этом

max

При построении внешней характеристики генератора в зоне ограничения по напряжению необходимо знать требуемую величину draax = г- Ее определяют следующим образом.

1. Находят активную мощность, потребляемую АД в длительном режиме,

= (82)

где Pdoo - длительная мощность генератора на выходе звена постоянного тока; - КПД инвертора, ц„ » 0,97.

2. Определяют передаточное число «„х по формуле (63) и угловую скорость ротора АД в длительном режиме по формуле (77).

3. Определяют частоту тока АД. В длительном режиме

Лес =ро)2со/2я(1 -s), (83)

где S = 0,0254-0,040.

Для тепловозных АД рекомендовано принимать число пар полюсов р = 3. Дальнейшее увеличение числа пар полюсов приводит к возрастанию частоты тока fi при той же угловой скорости соа, вследствие чего уменьшается коэффициент мощности и растут потери в стали АД.

В режиме наибольшей скорости движения локомотива

А max = flccf к/f со. (84)

4. Вычисляют максимальное значение относительного параметра частоты

araax==/lmax l=o. (8)

5. По графикам («щах), приведенным на рис. 185, для принятого значения Vmm находят коэффициент kj. при а - «„ах-Очевидно, что найденное значение коэффициента регулирования