Расчетные тяговые характеристики э.п.с. постоянного тока можно построить по электромеханическим характеристикам тяговых электродвигателей или колесно-моторных блоков.
В качестве примера на рис. 42 приведены электромеханические характеристики тягового электродвигателя ТЛ-2К электровоза ВЛ10у. Каждой схеме соединения двигателей ТЛ-2К соответствуют определенные характеристики
Методика построения расчетных тяговых характеристик электровозов и электропоездов постоянного тока по электромеханическим характеристикам двигателей подробно изложена в разделе 2.6 применительно к тепловозам с электрической передачей.
Касательная сила тяги FK э.п.с. постоянного тока, Н:
где т — число тяговых электродвигателей с учетом схемы соединения; Fкд — касательная сила тяги на ободе колес колесной пары, Н, определяется по формуле (2.35).
Рис. 42. Электромеханические характеристики тягового электродвигателя ТЛ-2К электровоза ВЛ10У
Касательная мощность э.п.с. постоянного тока, кВт:
где V — скорость движения, км/ч; определяется по формуле (2.34).
На рис. 43 приведены расчетные тяговые характеристики FK=f(V) (рис. 43, а) и кривая изменения касательной мощности восьмиосного грузового электровоза постоянного тока от скорости движения (рис. 43, б).
Рис. 43. Расчетные характеристики электровоза постоянного тока: а — тяговые характеристики; б — кривая изменения касательной мощности
Как видим на рис. 43, электровоз имеет три схемы соединения тяговых электродвигателей, на каждой из которых предусмотрено, кроме полного магнитного потока (ПП), четыре ступени ослабления магнитного потока двигателей (ОП1, ОП2, ОП3, ОП4).
На тяговой характеристике электровоза постоянного тока показаны ограничивающие линии тяговых возможностей локомотива: а-b — по силе сцепления колес с рельсами; b-c-d — по наибольшим значениям тока тяговых двигателей (по условиям нормальной коммутации); d-e — наибольшим допустимым скоростям движения.
Так как разгон электровоза постоянного тока осуществляется с применением пусковых резисторов, при переходе с одной реостатной позиции на другую (их число достигает 37) возникают броски тока, а следовательно, резкое увеличение силы тяги в диапазоне от FK min до FK max. Диапазон изменения силы тяги при работе электровоза на пусковых резисторах показан на рис. 43 штриховыми линиями α'-b' и а"-b". Линия а-b соответствует расчетному значению силы тяги, ограниченной по сцеплению, которая определяется по эмпирическим формулам, приведенным в ПТР [10] для определенных серий локомотивов.
Бросками тока тяговых двигателей, а следовательно, касательной силы тяги, создаваемой колесами электровоза, сопровождаются также переключения ступеней ослабления магнитного потока двигателей ПП-ОП1-ОП2-ОП3-ОП4 (см. рис. 43, а).
При выполнении тяговых расчетов принято не учитывать эти изменения силы тяги при переключении схем соединения тяговых двигателей и ступеней ослабления магнитного потока. Практические расчеты проводят используя параметры жирно выделенной линии a-b-c-d-e на тяговых характеристиках локомотива, соответствующей средним расчетным значениям изменения касательной силы тяги электровоза от скорости.
На тяговых характеристиках электроподвижного состава выделяют три основных режима работы локомотива: расчетный, часовой и длительный.
Расчетный режим и, соответственно, расчетная скорость Vp и касательная сила тяги F электровоза постоянного тока обычно соответствуют точке перехода с ограничения силы тяги по сцеплению на ограничение по току коммутации двигателей (точка «b» на рис. 43, а). По расчетному режиму работу электровоза определяют весовые нормы поездов и проводят основные тягово-энергетические расчеты по определению скорости движения и времени хода поезда по перегону и расходу электроэнергии на тягу поездов. При работе электровоза в часовом режиме (V4, FK4) обеспечивается эксплуатационная надежность его силового оборудования при движении локомотива по наиболее трудному элементу профиля с критическим (расчетным) весом состава в течение часа. Длительный режим работы электровоза (V, F) соответствует по значению расчетному режиму тепловоза с электрической передачей. Часовой и длительный режимы работы электровоза на его тяговой характеристике соответствуют параллельному соединению двигателей и ступени ослабления магнитного потока ОПЗ.
Касательная мощность Рк электровоза постоянного тока изменяется ступенчато (см. рис. 43, б). Разгон электровоза в диапазоне скоростей 0-V2 производится при сериесном (последовательном) соединении тяговых двигателей и применении пусковых резисторов, в которых поглощается значительная часть мощности электрической энергии, поступаемая из контактной сети. При скорости К, постепенно происходят автоматические переключения ступеней ослабления магнитного потока; из-за жесткости электромеханических характеристик тяговых электродвигателей происходит недоиспользование их мощности, поэтому касательная мощность Νκ электровоза на участке V1-V2 несколько падает. При увеличении скорости электровоза производятся дальнейшие переключения схем соединения двигателей: вначале на сериесно-параллельное «СП» ( V2- V3), затем на параллельное «П» (V3-VK). Падение касательной мощности в диапазонах скоростей V2-V3 и V4-VK объясняется жесткостью характеристик двигателей. Практически все характерные скорости электровоза постоянного тока попадают на диапазон V3- VK, который считается рабочим (оптимальным) режимом их работы. Именно в рабочем диапазоне устанавливаются расчетная мощность и мощности часового и длительного режимов работы электровоза и реализуется установленная мощность тяговых электродвигателей.
При выполнении тяговых расчетов для сравнения тяговых параметров электровозов постоянного тока и тепловозов целесообразно использовать скорость Vт и касательную силу тяги FK длительного режима электровоза и расчетные параметры тепловоза.
Опытные тяговые характеристики электроподвижного состава постоянного тока получают в результате тягово-энергетических и тягово-эксплуатационных испытаний.
В качестве примера на рис. 44 приведены опытные тяговые характеристики двенадцатиосного двухсекционного грузового электровоза ВЛ15 с электродвигателями ТЛ-3 мощностью в длительном режиме работы 700 кВт каждый. На электровозе ВЛ15 применяют три схемы соединения двигателей (С-СП-П) и четыре ступени ослабления магнитного потока (ОП1-ОП2-ОП3-ОП4), а также полное возбуждение (МП) на каждой из схем соединения двигателей ТЛ-3. Каждой из ступеней ослабления магнитного потока соответствует своя тяговая характеристика электровоза.
Рис. 44. Тяговые характеристики грузового электровоза ВЛ15 с электродвигателями ТЛ-3
Сила тяги часового режима электровоза ВЛ15, соответствующая параллельному соединению двигателей и ступени ОП3, равна F=675 кН, скорость — V4=46,0 км/ч; сила тяги длительного режима FK = 620 кН, скорость — = 47,0 км/ч. Мощность на валах тяговых электродвигателей ВЛ15 часового режима 9000 кВт, длительного — 8400 кВт.
На графиках FK =f(V) электровоза ВЛ15, представленных на рис. 44, отмечены следующие ограничения тяговых характеристик
локомотива: кривая а-b — по сцеплению колес с рельсами (расчетная зависимость); кривая b-c-d — по току коммутации тяговых электродвигателей; d-e — по максимальной скорости движения. На кривой b-c-d также (см. рис. 44) отмечены точки, соответствующие часовому и длительному режимам работы электровоза ВЛ 15.
Разгон электровоза ВЛ 15 осуществляется с применением пусковых резисторов. Переходы с одной реостатной позиции на другую сопровождаются бросками тока двигателей, а следовательно, силы тяги электровоза от FKcц min до Fксц mах (см. рис. 44.). На тяговых характеристиках электровоза ВЛ 15 диапазон этих колебаний величины FK сц ограничен штриховыми линиями а'-в и а"-в".
Переключения схем соединения тяговых электродвигателей ВЛ15 (С-СП-П) и ступеней ослабления (ΠΓΙ-ΟΠ1-ОП2-ОП3-ОП4) также сопровождаются бросками тока и сипы тяги локомотива. В качестве примера на рис. 44 изменения силы тяги при переключениях ступеней на параллельном соединении двигателей показаны штриховыми линиями A-B,E-G,M-T.
При выполнении тяговых расчетов принято не учитывать изменения силы тяги при переключениях схем соединения двигателей и ступеней, а использовать средние значения силы тяги ВЛ 15, выделенные на рис. 44 жирной линией a-b-c-d-e.
На рис. 45 представлена тяговая характеристика электропоезда ЭД4, состоящего из 10 вагонов (5 моторных, 2 головных и 3 прицепных). На электропоезде ЭД4 применено последовательное «С» соединение тяговых электродвигателей ТДЭ235У1, рассчитанных на напряжение 750 В. Реостатный контроллер машиниста электропоезда ЭД4 имеет 20 позиций контроллера (ПК), которым соответствует семейство тяговых характеристик. На первых четырнадцати позициях (ПК1-ПК14) при движении электропоезда машинист последовательно выводит пусковые резисторы, на позициях 15 — 20 автоматически включаются три ступени ослабления магнитного потока (ОШ-ОП2-ОПЗ). На характеристиках FK=f(V) электропоезда ЭД4 также показаны следующие ограничения силы тяги (см. рис. 45): кривая а-b — по сцеплению колес с рельсами; c-d-e-q — по максимальному току двигателей; q-m — по максимальной скорости движения. Коэффициент ослабления магнитного потока а на позиции ПК20 достигает а = 0,2.
Рис. 45. Тяговые характеристики электропоезда ЭД4