При номинальном напряжении

 

Номинальным называется режим работы, на который тяговый электродвигатель рассчитан заводом-изготовителем. Этот режим характеризуется номинальными значениями мощности , скорости , напряжения на двигателе , тока  и коэффициента регулирования возбуждения . Для тяговых электродвигателей электровозов переменного тока номинальным является режим нормального возбуждения = = 0,96.

2.2.1. Номинальный (часовой) ток тягового двигателя, А:

,                                   (2.1)

где  – КПД тягового двигателя на его валу в номинальном режиме. Для тяговых электродвигателей мощностью 700–800 кВт = 0,93...0,94.

 

2.2.2. Ток возбуждения тягового двигателя в номинальном режиме, А:

.                                          (2.2)

2.2.3. Сила тяги двигателя в номинальном режиме, кН:

,                                     (2.3)

где  – КПД движущего механизма с зубчатой передачей в номинальном режиме.

 

2.2.4. Сопротивление обмоток тягового двигателя в номинальном режиме, Ом:

,                                       (2.4)

где  – относительное падение напряжения на обмотках тягового двигателя в номинальном режиме, определяемое по эмпирической формуле:

,                               (2.5)

Для тяговых двигателей мощностью свыше 500 кВт  принимается равным 0,04.

Сопротивление отдельных обмоток компенсированного электродвигателя:

якоря = 0,4 ;

дополнительных полюсов = 0,1 ;

главных полюсов = 0,25 ;

компенсационной = 0,25 .

Сопротивление обмоток тягового двигателя при нормальном возбуждении, Ом:

.                                      (2.6)

2.2.5. Магнитный поток двигателя в номинальном режиме при нормальном возбуждении, В/м/с:

.                 (2.7)

2.2.6. Расчет характеристик тягового двигателя для номинального напряжения и нормального возбуждения

В предварительных расчетах удобно пользоваться относительными характеристиками тяговых двигателей, у которых ток , скорость  и сила тяги  выражены в долях от значений этих величин при номинальном (часовом) режиме.

В табл. 2.1 приведены относительные характеристики тяговых двигателей пульсирующего тока с коэффициентом насыщения магнитной цепи 1,85. Эти значения являются средними для современных тяговых двигателей.

Значения  получают путем умножения относительных величин , ,  на соответствующие номинальные значения .

 

Таблица 2.1

 

Характеристики двигателя для номинального режима работы (β₀ = 0,96)

 

Ток двигателя, А		0,2	0,5	0,8	1,0	1,3	1,6	1,9
Скорость движения, км/ч		2,06	1,4	1,1	1,0	0,92	0,85	0,8
Сила тяги, кН		0,06	0,37	0,75	1,0	1,41	1,81	2,21

 

По данным табл. 2.1 строят графики скоростной V(I) и электротяговой F(I) характеристик (рис. 2.2).

В дальнейшем скорость при номинальном напряжении обозначена .

 

2.2.7. Максимальный пусковой ток двигателя  ограничивается сцеплением колес с рельсами или допустимой перегрузкой по току, А.

 

,

(2.8)

,

 

где  – коэффициент эксплуатационной перегрузки;

 – наибольшая величина тока, допустимого по условиям сцепления, которая определяется по кривой (рис. 2.2) для силы тяги, равной, кН:

g,                                        (2.9)

где g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

 

 

Рис. 2.2

 

 

В выражении (2.9) Ψ_к – расчетный коэффициент сцепления, определяемый по эмпирической формуле:

,                            (2.10),

где 1,04 – коэффициент тяги электровоза, учитывающий наличие у электровозов специальных наклонных штанг для передачи тягового усилия с тележки на раму кузова;

 – коэффициенты, полученные в результате обработки опытных данных. Для электровозов серии ВЛ80 a = 0,28, b = 4, c = 50, d = 6, e = 0,0006.

Расчет тока тягового электродвигателя , допустимого по условиям сцепления, сводят в табл. 2.2.

Зависимость  (V) и значение тока I_max = k_пэ·I_н  наносят на график V(I) (рис. 2.2).

 

Таблица 2.2

 

Зависимость (V)

V, км/ч	0	10	- - - - - - - - - - -	Vmax = 2Vн
Ψк			- - - - - - - - - - -
Fсц, кН			- - - - - - - - - - -
, А			- - - - - - - - - - -

 

 

Сглаживающий реактор

 

Индуктивность сглаживающего реактора (L1, L2, L3 на рис. 2.1) определяется из условия обеспечения заданной пульсации выпрямленного тока в цепи тяговых двигателей. Коэффициент пульсации выпрямленного тока , равный отношению амплитуды пульсации к среднему значению выпрямленного тока, обычно принимается в пределах от 0,20 до 0,25. При больших значениях  ухудшается коммутация тяговых двигателей, а реализация меньших значений  требует существенного увеличения габаритов реактора.

 

2.3.1. Индуктивное сопротивление цепи выпрямленного тока в номинальном режиме и при частоте , Ом:

,                           (2.11)

где  – число ветвей параллельно включенных двигателей, питающихся от одного выпрямительно-инверторного преобразователя.

 

2.3.2. Индуктивное сопротивление реактора для номинального режима работы принимается равным, Ом:

.                                       (2.12)

Принято, что индуктивное сопротивление обмоток тягового двигателя составляет около 5% от индуктивного сопротивления  цепи выпрямленного тока.

 

2.3.3. Индуктивность реактора в номинальном режиме, Гн:

.                                    (2.13)

2.3.4. Сопротивление реактора постоянному току, Ом:

,                                      (2.14)

где  – добротность реактора, которую в предварительных расчетах при частоте 100 Гц принимают равной 280.

 

2.3.5. Сопротивление реактора постоянному току, приведенное к одной параллельной ветви тяговых двигателей, Ом:

.                                       (2.15)

2.3.6. Масса реактора, кг:

,                                  (2.16)

где  кг/Дж при медной обмотке и  кг/Дж – при алюминиевой.

Масса реактора, полученная после его конструктивной разработки, отличается от предварительного значения, определенного по формуле (2.16), не более чем на 20 %.

 

 

Тяговый трансформатор

 

Вследствие значительной массы тяговый трансформатор нагревается медленнее, чем тяговые электродвигатели. Поэтому кратковременные перегрузки тяговых двигателей не оказывают заметного влияния на установившуюся температуру обмоток трансформатора. Номинальную мощность тяговой обмотки электровозного трансформатора принимают равной суммарной номинальной мощности тяговых двигателей.

Работа трансформатора в цепях выпрямителей и инверторов характеризуется значительным отличием формы токов и напряжений от синусоиды. Активные материалы (медь и сталь) таких трансформаторов используются хуже, чем при синусоидальной форме токов и напряжений. Для учета этой специфики используют показатель, называемый типовой мощностью. Типовой мощностью однофазного трансформатора называют полусумму произведений напряжений холостого хода всех обмоток трансформатора на среднеквадратичные токи соответствующих обмоток при номинальной нагрузке.

При расчете типовой мощности обычно пренебрегают током холостого хода трансформатора, а также потерями в трансформаторе и выпрямителях.

Основные параметры трансформатора рассчитывают в следующем порядке.

2.4.1. Мощность тяговой обмотки трансформатора, кВА:

,                        (2.17)

где  – номинальная мощность тягового двигателя;

 – число тяговых двигателей на одной секции электровоза;

 – коэффициент типовой мощности трансформатора, то есть отношение типовой мощности к номинальной выпрямленной мощности;

– отношение суммарной номинальной мощности тяговых двигателей к номинальной мощности тяговой обмотки трансформатора (для электровозов );

 – КПД двигателя в номинальном режиме;

 – напряжение короткого замыкания трансформатора в долях от номинального.

При регулировании на стороне низшего напряжения и мостовой схеме выпрямления ,  = 1,11.

 

2.4.2. Мощность обмотки собственных нужд S_сн, кВА,принимают равной 5,0–6,0% от мощности тяговой обмотки.

 

2.4.3. Мощность обмотки для питания цепей возбуждения двигателей при нулевой схеме выпрямления с выводом от средней точки обмотки, кВА:

,

где U_в – действующее значение напряжения между крайним выводом обмотки и средней точкой;

 – действующее значение тока обмотки.

 

Расчет напряжения U_в приведен в п. 2.4.11.

 

2.4.4. Типовая мощность трансформатора при номинальной нагрузке всех обмоток, кВА:

 

S_тр = S_тяг + S_сн + S_ов.                                    (2.18)

2.4.5. Масса трансформатора, кг:

.

2.4.6. Реактивное сопротивление обмоток трансформатора в номинальном режиме (на четвертой зоне регулирования при минимальных углах отпирания тиристоров), приведенное к вторичной обмотке ко всем параллельным ветвям ТЭД, Ом:

,                 (2.19)

где  – коэффициент выпрямления, равный отношению среднего выпрямленного напряжения к действующему значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора. При однофазном двухполупериодном выпрямлении .

 

2.4.7. Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к вторичной обмотке, в номинальном режиме рассчитывают по активному падению напряжения, составляющему обычно 1,5–2% от номинального напряжения, Ом:

.                  (2.20)

2.4.8. Сопротивление обмоток тягового трансформатора различно на разных зонах регулирования, так как изменяется число витков вторичной обмотки, включенных в цепь тяговых двигателей. Для расчета характеристик преобразовательной установки и электровоза необходимо определить сопротивление обмоток трансформатора для 1...4 зон регулирования. Для этого можно использовать относительное сопротивление обмоток трансформатора (табл. 2.3).

 

Таблица 2.3