Глава шестая
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
6-1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Подвижной состав городского электрического транспорта является крупным потребителем электроэнергии. В связи с этим разработка нового тягового электрооборудования для электрифицированного транспорта, обеспечивающего снижение расхода электрической энергии, является важной народнохозяйственной задачей. Поэтому фактор расхода электрической энергии может служить одним из критериев оптимальности при выборе параметров электрооборудования.
В качестве базового показателя, к которому при расчете рекомендуется приводить определяемые параметры тягового электрооборудования, целесообразно принять величину пусковой скорости выхода на безреостатную характеристику полного поля.
Предлагаемая методика расчета основывается на требованиях, предъявляемых к проектируемому подвижному составу, и тщательном анализе характеристик электродвигателей. Исходными данными в расчете являются скорость сообщения на трассе с определенной длиной перегона, максимальная скорость на площадке, ускорение при пуске и замедление при торможении, расчетная нагрузка и масса подвижного состава.
Для определения требуемых зависимостей параметров электрооборудования, получаемых при помощи тяговых расчетов, помимо указанных выше величин, необходимо иметь характеристики двигателей в определенном интервале номинальной частоты вращения (мощности). Известно [Л. 1,5], что форма характеристик двигателя и пусковая скорость выхода на безреостатную характеристику оказывают большое влияние на расход электроэнергии и токовые нагрузки при пуске. Влияние формы характеристик на расход электроэнергии учитывается в расчете использованием характеристик двигателей с различной величиной воздушного зазора. С целью учета влияния пусковой скорости (низко или высоколежащих характеристик) на расход электроэнергии и токовые нагрузки при пуске рекомендуется проводить тяговые расчеты для ряда двигателей, имеющих различную поминальную частоту вращения.
Для практического осуществления расчета оптимальных параметров тягового электрооборудования в табл. 6-1 приведены поминальные данные, масса и момент инерции тяговых двигателей со средним насыщением (17—18 Т) с так называемым «нормальным» воздушным зазором, равным 1% диаметра якоря, и увеличенным в 1,5 раза воздушным зазором. Двигатели рассчитаны применительно к подвижному составу городского электротранспорта с учетом определенного интервала мощности и номинальной частоты вращения.
Таблица 6-1
Номинальные данные электродвигателей
Построение необходимых для тягового расчета характеристик двигателей производится при помощи универсальных характеристик (рис. 6-1 а, б), которые рассчитаны в свою очередь на основе универсальных магнитных характеристик для указанных выше воздушных зазоров с 200, 100, 50 и 33%-ным полем возбуждения в долевых значениях от номинального режима.
Переходя к конкретному подвижному составу и используя номинальные данные и универсальные характеристики двигателей с учетом выбранного передаточного отношения редуктора и диаметра движущего колеса, можно легко построить рабочие характеристики двигателей любого вида городского электротранспорта в широком диапазоне поминальных частот вращения. Характеристика, соответствующая максимальному ослаблению поля возбуждения двигателя, выбирается из условия достижения подвижным составом на площадке заданной максимальной установившейся скорости, когда сила тяги равна сопротивлению движения. Расчет целесообразно вести на один тяговый двигатель.
Расчеты рекомендуется выполнять методом конечных приращений [Л. 11] с последующим построением диаграмм в координатах «скорость-время» и «скорость-путь» и определением удельного расхода электроэнергии и эффективного тока.
Ряд двигателей по мощности, приведенных в табл. 6-1, является универсальным. Для расчета требуемой мощности двигателя конкретного подвижного состава вводится коэффициент запаса, который определяется из соотношения
где Iд — длительный ток; Iдейств — действующее значение тока.
Длительный ток определяется по формуле 
где kв — коэффициент вентиляции; Iп — номинальный ток. Результаты расчета дают возможность построить в зависимости от скорости выхода на безреостатную характеристику комплексный график, который устанавливает взаимосвязь между следующими параметрами электрооборудования: номинальной мощностью, частотой вращения и массой двигателя, величиной пускового тока, коэффициентом ослабления поля и расходом электрической энергии. По наименьшему расходу электроэнергии,
соответствующему определенной пусковой скорости, можно выбрать указанные выше оптимальные параметры тягового электрооборудования и рассчитать наивыгоднейшие характеристики тягового двигателя. Таким образом, на первом этапе проектирования нового подвижного состава, пользуясь комплексным графиком и задаваясь одним каким-либо параметром, можно обоснованно подходить к выбору других тяговых параметров.
Рис. 6-1. Универсальные характеристики тяговых электродвигателей.
a — тяговые двигатели с "нормальным" воздушным зазором;
Возможность выбора электрооборудования с рассчитанными оптимальными параметрами в значительной мере зависит от коммутационной устойчивости тягового электрооборудования. Результаты расчета и опыт эксплуатации показывают, что в тяговых двигателях коммутационная устойчивость на коллекторе определяется главным образом напряжением между коллекторными пластинами в двигательном режиме с глубоким ослаблением поля и в тормозном режиме в области высоких скоростей.
б — тяговые двигатели с увеличенным воздушным зазором.
Построив [Л. 5] зависимость напряжения между коллекторными пластинами в функции скорости выхода на характеристику полного поля для различных двигателей и зная допустимое максимальное межламельное напряжение, можно легко найти граничное значение пусковой скорости выхода на безреостатную характеристику, определяющее по отношению к пусковой скорости зону возможной работы тяговых двигателей.
Рис. 6-2. Зависимость массы и н. с. двигателя от величины воздушного зазора.
Как известно, для улучшения потенциальных условий на коллекторе следует увеличить воздушный зазор двигателя, что повышает сопротивление реакции якоря и требует соответствующего увеличения н. с. катушек возбуждения для достижения заданной максимальной скорости движения. В результате уменьшается искажение главного поля реакцией якоря и снижается напряжение между коллекторными пластинами. В качестве справочного материала в табл. 6-2 приведено значение межламельного напряжения для различных токов якоря указанных выше двигателей с «нормальным» и увеличенным воздушным зазором, работающих в двигательном и тормозном режимах.
Таблица 6-2
Максимальное межламельное напряжение электродвигателей
Увеличение воздушного зазора имеет и отрицательную сторону — растет масса двигателя. Масса и, следовательно, размеры электродвигателя могут стать при его проектировании решающим фактором, ограничивающим возможность выбора оптимального воздушного зазора. Для ответа на этот вопрос на рис. 6-2 приведены зависимости н. с. катушек возбуждения (зависимость) и массы двигателя от величины воздушного зазора.
Графики построены в относительных единицах. За начало отсчета принята масса двигателя с воздушным зазором, равным 1% диаметра якоря. Зависимость 2 относится к случаю одинаковой номинальной частоты вращения двигателей, имеющих различные воздушные зазоры.
Большему зазору соответствуют более крутые скоростные характеристики. Поэтому в ряде случаев целесообразно сравнивать массу двигателей с одинаковой частотой вращения при пусковом токе и несколько большей поминальной скоростью. Этот случай отражен зависимостью 3.
Из этих графиков видно, что с увеличением воздушного зазора в 1,5 раза при сохранении номинальной частоты вращения масса двигателя будет на 5—5,5% больше, а при одинаковой скорости выхода на безреостатную характеристику полного поля она возрастает на 2—2,5%.