6-2. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Государственные стандарты па трамвайные вагоны и троллейбусы определяют основные данные для расчета: максимальную скорость движения, скорость сообщения длину перегона и ускорение.
В приведенных ниже результатах расчета масса троллейбуса с нагрузкой принята равной 16 т, трамвайного вагона — 27 т. Ускорение и замедление—1,3 м/с2. Скорость сообщения — 25 км/ч, максимальная скорость па площадке — 55 и 65 км/ч соответственно для троллейбуса и трамвайного вагона. Длина перегона 350 и 500 м. Анализ исходных данных для расчета электрооборудования вагонов метрополитена показал, что скорость сообщения для перегона 1 800 м целесообразно принять равной 44 км/ч, а для перегона 900 м — 33 км/ч, максимальную скорость — 90 км/ч, ускорение и замедление — 1,3 м/с2. Масса вагона метрополитена принята равной 30 т.
Как показывает опыт эксплуатации, для определения расхода электроэнергии величину нагрузки следует принимать равной 6 т, а для расчета мощности двигателя — 12 т.
Рис. 6-3. Параметры тягового электрооборудования вагона метрополитена (перегон 1 800 м). а — тяговые двигатели с "нормальным" воздушным зазором; б — то же с увеличенным воздушным зазором.
Рис. 6-4. Параметры тягового электрооборудования вагона метрополитена (перегон 900 м).
а) Электрооборудование вагонов метрополитена
На рис. 6-3 и 6-4 представлены графики параметров тягового электрооборудования, рассчитанные и построенные по вышеизложенной методике для двигателей с «нормальным» и увеличенным воздушными зазорами при работе вагона метрополитена на перегонах длиной 1 800 и 900 м. Пользуясь этими графиками, можно без выполнения трудоемких расчетов ответить на комплекс технических вопросов и дать сравнительную оценку отдельным параметрам электрооборудования. Задавшись скоростью выхода на безреостатную характеристику (v-вых) и пользуясь рис. 6-3, определяем для указанных выше исходных и принятых в расчете данных требуемые параметры электрооборудования.
Так, анализ кривых (рис. 6-3), построенных для двигателей с «нормальным» воздушным зазором, показывает, что оптимальная скорость выхода на характеристику полного поля при наименьшем расходе электроэнергии (Aуд) равна 22 км/ч, чему соответствует номинальная частота вращения (n) двигателя — 1 600 об/мин; масса (G) двигателя — 570 кг, пусковой ток (Iп)—310 А, а коэффициент ослабления поля возбуждения (β) должен быть доведен до 44%. Как указывалось, для определения мощности (Р) тягового двигателя значение мощности, взятое из графика (73 кВт), необходимо разделить на коэффициент запаса (k3), выражающий отношение длительного тока к действующему (в данном случае k3 равен 1,22).
Наличие на графике зависимостей напряжения между коллекторными пластинами от пусковой скорости в двигательном (ед) и тормозном (ет) режимах определяет допустимую зону эксплуатации двигателя. Опыт эксплуатации и эксперименты показывают, что при толщине межламельной изоляции коллектора 0,8 мм максимальное напряжение между коллекторными пластинами не должно превосходить 37 В.
Увеличение толщины изоляции до 1,2 мм и применение соответствующих щеток позволяет поднять величину напряжения до 40 В. Для вагонов метрополитена в двигательном режиме пограничная скорость выхода на характеристику полного поля близка к оптимальной и равна 22 км/ч. В тормозном режиме при замедлении 1,3 м/с2 кривая межламельного напряжения для рассматриваемого интервала мощностей двигателей лежит значительно выше допустимых значений. В связи с этим при реостатном торможении существующих вагонов метрополитена в зоне высоких скоростей реализуемое замедление ниже 1,3 м/с2.
Оценка параметров электрооборудования, рассчитанных для двигателей с увеличенным зазором (рис. 6-4), показывает, что оптимальная скорость выхода па характеристику полного поля равна 28 км/ч против 22 км/ч для двигателей с «нормальным» зазором. Увеличение воздушного зазора переместило пограничную зону потенциальных ограничений значительно влево. В двигательном режиме надежная работа двигателя обеспечивается со скорости выхода на безреостатную характеристику, равной 18 км/ч. Снижается также кривая межламельного напряжения и в тормозном режиме. Улучшение потенциальных условий на коллекторе связано с уменьшением отношения н. с. реакции якоря и н. с. катушек возбуждения, так как переход на увеличенный зазор, являющийся собственно мерой ослабления поля возбуждения, требует для достижения заданной максимальной скорости меньшего ослабления поля возбуждения. Это отчетливо видно при сравнении графиков коэффициентов ослабления поля возбуждения.
Сравнение зависимостей расхода электроэнергии для двигателей с разными зазорами (перегон 900 м) показывает, что в зоне пусковых скоростей, начиная со скорости 24 км/ч, по расходу электроэнергии более благоприятными становятся характеристики двигателей с меньшим коэффициентом насыщения, т. е. в оптимальной зоне более экономичными являются двигатели с большим воздушным зазором.
6) Электрооборудование троллейбусов
Расчетные зависимости, построенные для троллейбусного электрооборудования (рис. 6-5), позволяют сделать вывод о том, что наивыгоднейшая скорость выхода на безреостатную характеристику полного поля, соответствующая наименьшему расходу электроэнергии двигателей с «нормальным» воздушным зазором, равна 17 км/ч. При этом тяговый двигатель можно охарактеризовать следующими данными: мощность — 105 кВт, номинальная частота вращения — 1 200 об/мин, масса — 760 кг, коэффициент ослабления поля 43%, расход электроэнергии — 120 Вт · ч/т · км.
Рис. 6-5. Параметры тягового электрооборудования троллейбуса (перегон 350 м).
а — тяговые двигатели с «нормальным» воздушным зазором; б — тяговые двигатели с увеличенным воздушным зазором.
Кривая межламельного напряжения на коллекторе показывает, что троллейбусные двигатели с насыщением в железе, равным 17—18 Т, и «нормальным» воздушным зазором не обеспечивают эксплуатацию этого вида транспорта в оптимальной зоне. Для заданных условий движения допустимая зона эксплуатации возможна лишь при скорости выхода на безреостатную характеристику полного поля не менее 28 км/ч, что увеличивает расход электроэнергии с 120 до 150 Вт-ч/т-км.
Анализ зависимостей, построенных для двигателей с увеличенным зазором, показал, что для троллейбусов более выгодными по форме являются характеристики двигателей с увеличенным зазором. Точка пересечения кривых расхода электроэнергии двигателей с различными зазорами соответствует скорости 15,5 км/ч и лежит левее оптимальной зоны.
Применительно к троллейбусу двигатели с увеличенным зазором являются более выгодными также по месту нахождения оптимальной зоны. Так, для малого воздушного зазора оптимальная скорость выхода на безреостатную характеристику равна 17 км/ч.
Для большего зазора оптимальная скорость выхода увеличивается до 18,5 км/ч, а пограничная пусковая скорость по условиям коммутации уменьшилась с 28 до 18,5 км/ч.
в) Электрооборудование трамвайных вагонов
Для двигателей с «нормальным» воздушным зазором оптимальная скорость выхода на характеристику полного поля равна 13,5 км/ч (рис. 6-6). При работе на перегоне 350 м мощность двигателя — 40 кВт, номинальная частота вращения — 920 об/мин, коэффициент ослабления поля возбуждения — 55%, пусковой ток — 192 А.
У трамвайных двигателей, имеющих сравнительно низкое номинальное напряжение (275 В), потенциальные ограничения в двигательном режиме отсутствуют. В тормозном режиме в области высоких скоростей эти двигатели позволяют реализовать замедление, близкое к 1,3 м/с2.
Рис. 6-6. Параметры тягового электрооборудования трамвайного вагона (перегон 350 м).
а— тяговые двигатели с «нормальным» воздушным зазором; б — тяговые двигатели с увеличенным воздушным зазором.
Анализ зависимостей, построенных для двигателей с «нормальным» и увеличенным зазорами, показывает, что в отличие от двигателей вагонов метрополитена и троллейбусов для трамвайных вагонов при оптимальной скорости выхода на безреостатную характеристику более экономичными являются двигатели с малым воздушным зазором.
Построенные выше графики параметров электрооборудования дают возможность получить исходные данные для расчета тяговых двигателей с оптимальными характеристиками: номинальную частоту вращения, номинальную мощность, коэффициент ослабления поля возбуждения, скорость выхода на безреостатную характеристику полного поля при пуске и пусковой ток.