При выборе тягового электродвигателя должно быть также обеспечено соответствие его характеристик динамическим показателям подвижного состава. Характеристики двигателя и значения ускорений должны обеспечить достижение заданных установившихся скоростей и регламентированных скоростей сообщения.
Заданные значения установившейся скорости.
Как отмечалось выше, характеристики электродвигателя должны быть выбраны таким образом, чтобы при мощности двигателя, равной 0,6 номинальной, троллейбус развивал бы скорость 55 км/ч, равную 2,9 скорости выхода на первую безреостатную ступень (при vпуск=19 км/ч), а трамвайный вагон развивал бы скорость 64 км/ч, равную 2,9 vпуск (vпуск=22 км/ч) при 0,5 номинальной мощности. Соответственно вагон метрополитена должен развивать скорость 90 км/ч, равную 3,6 vпуск при мощности 0,6 номинальной.
На рис. 60 представлены некоторые усредненные тяговые характеристики современных электродвигателей с учетом практически принимаемых насыщений и величины воздушного зазора для режима полного и ослабленного поля.
В связи с тем что пуск обычно происходит при усиленном поле, а номинальная мощность, ограниченная нагревом обмотки возбуждения, реализуется при некотором ослаблении поля, которое считается номинальным, на рис. 62 приведены также значения скорости, соответствующие номинальному режиму.
Характеристики построены для электродвигателей последовательного (вагон метрополитена) и смешанного возбуждения
Рис. 60. Усредненные характеристики.
с преобладанием намагничивающей силы последовательной обмотки (троллейбусы и трамвайные вагоны).
Из сопоставления приведенных характеристик видно, что обеспечение скоростей, равных 2,9 vпуск и 3,6 vпуск, связано с необходимостью значительного ослабления поля. Значение магнитного потока на наивысшей тяговой характеристике при пусковом токе должно быть снижено примерно до 60% от величины потока на характеристике наибольшего поля для троллейбусных и до 65% для трамвайных электродвигателей. Для двигателей метрополитена значение магнитного потока должно быть доведено примерно до 55% поля при пуске.
Тем самым при пусковом токе скорость на характеристике наиболее ослабленного поля примерно в 1,6 раза превосходит скорость при наибольшем поле. Столь глубокое ослабление поля связано как с коммутационными ограничениями, так и с ограничениями по числу пусковых ступеней.
Таким образом, основными точками усредненных характеристик тяговых двигателей без компенсационной обмотки являются:
а) точка выхода при пуске на первую безреостатную характеристику при ускорении 1,3 м/сек2; значение скорости в этой точке характеристики (vпуск) составляет 19 км/ч для троллейбуса, 22 км/ч для трамвая и 25 км/ч для метрополитена;
б) точка выхода при пуске на тяговую характеристику при наибольшем ослаблении поля (апуско. п) при скорости 1,6 апуск, т. е. 32 км/ч для троллейбуса, 34 км/ч для трамвая и 45 км/ч для метрополитена;
в) точка, соответствующая установившейся скорости на площадке. Значение этой скорости для троллейбуса составляет 55 км/ч при мощности, равной 0,6 номинальной, для трамвая 64 км/ч при мощности 0,5 номинальной, а для вагонов метрополитена — около 90 км/ч при мощности 0,6 номинальной.
Для пояснения сказанного выше на рис. 61 приведена усредненная характеристика холостого хода с указанием точек, соответствующих пусковому, номинальному и установившемуся режиму скорости.
Отношение скорости на площадке к скорости при выходе на характеристику ослабленного поля (vпуск о.п.) у трамваев и троллейбусов с двигателями без компенсационной обмотки составляет в среднем 1,8, а у вагонов метрополитена типа Е оно достигает 90:45 = 2.
Рис. 61. Усредненная характеристика холостого хода.
Однако установившаяся скорость у трамвайных вагонов реализуется при мощности двигателя 0,5 номинальной, а у троллейбусов при мощности, равной 0,6 номинальной. В связи с этим крутизна характеристики троллейбусных двигателей должна быть больше, чем трамвайных. Еще более крутой должна быть характеристика двигателей для вагонов метрополитена. Для соблюдения этого требования в тяговом двигателе для троллейбусов типа ДК-207 и в тяговом двигателе для вагонов метрополитена типа ДК-108 величина воздушного зазора увеличена до 4,7 м, а в трамвайных двигателях типа ДК-259 и ДК-257 и в двигателях вагона метрополитена типа Д воздушный зазор составляет 3—3,5 мм.
Двигатели с компенсационной обмоткой допускают более глубокое ослабление поля. Применение тяговых двигателей с компенсационной обмоткой позволяет увеличить отношение
уменьшить пусковые токи и потери в пусковых реостатах (см. рис. 62).
Приведенные выше усредненные характеристики относятся к
современным троллейбусам, а также к одиночным трамвайным вагонам.
Трамвайные поезда, состоящие из моторного и прицепного вагонов, не могут развивать высоких ускорений по условиям сцепления и практически не имеют на коротких перегонах скоростей выше 40 км/ч. В связи с этим тяговые характеристики двигателей, предназначенных для этих поездов, обеспечивают достижение максимальной скорости на площадке до 50 км/ч.
Рис. 62. Характеристика двигателя ЕКМ. Рис. 63. Характеристика двигателя ДК-258.
На рис. 63 представлена тяговая характеристика двигателя ДК-258, предназначенного для трамвайного поезда КТМ-2.
Весьма важно установить зависимости между весом двигателя, скоростью выхода на автоматическую характеристику, потерями в сопротивлениях и расходом электроэнергии.
Вес G тягового двигателя при данной мощности обратно пропорционален скорости выхода на первую безреостатную характеристику (vпуск). Так как при повышении скорости выхода на характеристику необходимая удельная мощность двигателя возрастает пропорционально корню квадратному роста скорости, то возможное (по тепломощности) изменение веса двигателя обратно пропорционально корн о квадратному изменения скорости выхода на характеристику, т. е.:
Рис. 64. Характеристики двигателей:
а — ДК-257; б — ДК-259; в — ДК-207; г — двигателя вагона «Татра»
Фактический вес двигателя (при равном использовании по тепломощности)
Например, при снижении скорости выхода на 25% вес двигателя возрастает на 10%. Потери в пусковых сопротивлениях возрастают пропорционально квадрату скорости выхода на первую безреостатную тяговую характеристику. При этом растет и удельный расход электроэнергии, особенно при автоматических системах управления, в которых из-за ряда[ трудностей ограничиваются одной группой соединения двигателей.
На некоторых типах троллейбусов и трамваев применяются двигатели с пониженными скоростью вращения и скоростью выхода на характеристику: троллейбусный двигатель ЕКМ-90 «Сименс», двигатель ДК-259 для трамвая РВЗ-6 и др. Применение двигателей с подобной характеристикой позволяет несколько уменьшить число пусковых ступеней.
Для трамвая РВЗ-6 вместо двигателя типа ДК-259, мощностью 43 кВт при 1120 об/мин. весом 460 кг возможно применение двигателя типа ДК-260, мощностью 43 кВт при 1650 об/мин, весом 390 кг. При этом скорость выхода на характеристику возрастет с 17 до 23 км/ч. т. е. на 35%.
При сохранении системы управления расход электроэнергии в случае применения двигателя ДК-260 возрос бы на 30%, а потери в пусковых сопротивлениях более чем на 70%, что нецелесообразно. Подобные соотношения имеют место в вагонах типа Т. У них удельный расход электроэнергии почти на 60% больше, чем у вагонов РВЗ-6 с двигателями ДК-259.
При выборе наиболее целесообразной характеристики тягового двигателя должны быть учтены все вопросы, связанные с весом и габаритами самого двигателя, расходом электроэнергии и весом аппаратуры управления.
На рис. 64 приведены характеристики двигателей типа ДК-257, ДК-259 и ДК-207, установленных на трамвайных вагонах ЛМ-57, РВЗ-6 и троллейбусах ЗИУ-5 и ЗИУ-7, а также двигателей, установленных на трамвайных вагонах «Татра». На характеристике двигателя ДК-257 приведена также тяговая характеристика при ослаблении поля, обеспечивающая достижение динамических показателей в соответствии с ГОСТ 8802—53.
Как видно из сравнения характеристик с данными рис. 60, двигатели для трамвайных вагонов РВЗ-6 и троллейбусов ЗИУ весьма близки по своим динамическим показателям к приведенным выше рекомендациям. На двигателях ДК-257 трамвая ЛМ-57 необходимо несколько повысить динамические показатели путем введения ступени ослабления поля.
На рис. 65 приведены характеристики двигателя типа ДК-108, установленного на вагоне метрополитена типа Е.
Рис. 65. Характеристика двигателя ДК-108.
Обеспечение заданных значений скорости сообщения.
Во всех предыдущих расчетах мы исходили из заданных значений ускорений и установившихся скоростей, регламентированных стандартами ГОСТ 7495 и 8802, а также из технических требований к вагонам метрополитена типа Е.
Этими же стандартами (а также требованиями к значениям установившейся скорости) регламентированы минимальные скорости сообщения трамваев и троллейбусов при расстоянии между остановками 350 м, которые должны быть обеспечены выбором тяговых двигателей с соответствующими характеристиками при надлежащей величине ускорений.
Динамические показатели и скорость сообщения подвижного состава определяются величиной ускоряющих усилий на всем диапазоне скоростей ВПЛОТЬ ДО Ууст· На рис. 66 приведены значения ускорения трамваев, троллейбусов и вагонов метрополитена в диапазоне скоростей 0— v уст. Эти ускорения обеспечиваются при применении тяговых двигателей современного типа.
На рис. 66 приведены также значения скоростей троллейбусов, трамвайных вагонов и вагонов метрополитена, которые обеспечиваются современными тяговыми двигателями.
Ускоряющие усилия современных двигателей для трамваев и троллейбусов (рис. 66) обеспечивают при длине перегона 350 м и длительности остановки 8 сек расчетную скорость сообщения 26 км/ч.
Эти скорости сообщения были достигнуты при испытании новых типов троллейбусов и трамваев в условиях движения на свободной трассе (ночной период времени). В частности, при испытании троллейбуса ЗИУ-5 была достигнута скорость сообщения 25,7 км/ч.
Следует отметить, что фактическая скорость сообщения наземного транспорта (не автономная трасса) составляет примерно 70% максимальной (расчетной) скорости.
Рис. 66. Динамические показатели:
а — ускорение в зависимости от скорости; б — скорость в зависимости от времени.
После замены старого подвижного состава новым с высокими динамическими показателями скорость сообщения троллейбусов и трамваев при средней длине перегона 350 м может быть доведена до 18—19 км/ч.
Желательно оценить, в какой мере возможно повысить скорость сообщения трамваев и троллейбусов за счет дальнейшего улучшения динамических показателей тяговых двигателей. Рассмотрим предельный случай, когда в течение всего периода движения величина ускорения и замедления равна 1,3 м/сек2. Время прохождения перегона 350 м в этом случае составит 33 сек, что при длительности остановки 8 сек соответствует скорости сообщения 30,5 км/ч. Таким образом, характеристика современных троллейбусных и трамвайных двигателей обеспечивает скорость сообщения, равную 0,85 предельной скорости при реализации предельных ускорений и замедлений за весь период движения. Следует поэтому считать, что динамические показатели современных тяговых двигателей для трамваев и троллейбусов являются достаточно высокими. Увеличение скорости сообщения может быть достигнуто и за счет повышения ускорений при пуске. Повышение ускорения до 1,5—1,6 м/сек может оказаться перспективным для увеличения скорости сообщения наземного городского транспорта.
Для вагонов метрополитена применение современных тяговых двигателей обеспечивает скорость сообщения при длине перегона 2000 м 48—50 км/ч.
На рис. 67 приведена зависимость максимальной (расчетной) скорости сообщения вагонов метрополитена от длины перегона.
Скорость сообщения при длине перегона 400—2000 м составляет соответственно 28—50 км/ч.
При автоматической системе управления и величине ускорения на площадке до выхода на первую безреостатную тяговую характеристику 1,3 м/сек2 значение ускорения на последней тяговой характеристике наибольшего ослабления поля составит
0,8 м/сек2, а с учетом увеличения сопротивления движению при возрастании скорости 0,7 м/сек2.
Для трамваев РВЗ-6 и троллейбусов с двигателями ЕКМ фирмы «Сименс» при отношении 
=2 ускорение на
характеристике наибольшего ослабления поля падает до 0,6 м/сек2.
Рис. 67. Зависимость скорости вагона метрополитена от длины перегона.
Эти значения ускорения соответствуют усилию преодоления подъема соответственно 70 и 60%. При начальном ускорении 1,5 м/сек2 эти значения составят соответственно 80 и 70%.
Таким образом, на этих или еще больших подъемах отсутствует избыточное тяговое усилие и движение подвижного состава на тяговой характеристике при наибольшем ослаблении поля не может осуществляться.
Практически в режиме автоматического пуска на некоторой пусковой ступени ток двигателя не будет падать ниже уставки реле ускорения и дальнейший переход на ступени ослабленного поля будет задержан. Ступень, на которой произошла задержка автоматической системы пуска, зависит от многих обстоятельств: величины уклона, числа ступеней и наклона характеристик, коэффициента возврата реле и др. Однако при подобном режиме движения якорный ток двигателя будет составлять примерно 1,4—1,5 номинального (часового) при незначительном избыточном тяговом усилии, что совершенно недопустимо, особенно при движении на затяжном подъеме.
Для обеспечения нормального режима движения необходимо, чтобы была заранее определена та ступень (характеристика), на которой должно осуществляться движение, и водитель заранее выбрал бы нужную (ездовую) позицию контроллера.
Эта позиция должна быть выбрана таким образом, чтобы ток двигателя составлял не более 1,0—1,1 номинального при избыточном ускорении не менее 0,3 м/сек2. На подъемах свыше 80—90% движение может производиться только на позициях наибольшего поля. При этом необходимо повысить мощность двигателя на единицу веса экипажа.
Нужно напомнить, что даже при использовании подвижного состава старого типа с весьма небольшим (20—25%) регулированием скорости ослабления поля существовало правило о движении на тяжелых подъемах на характеристике полного поля при токе не выше часового.
Величина допустимого подъема, который можно преодолеть на ступени наибольшего ослабления поля, повышается при увеличении начального ускорения.
Уклон 100% может быть преодолен в режиме наибольшего ослабления поля при остаточном ускорении 0,3 м/сек2, если начальное ускорение составит более 2,2 м/сек2.
Действительно, в этом случае ускорение (j) в режиме наибольшего ослабления поля составит
Однако ускорение 2,2 м/сек2 следует считать чрезмерным из- за неоправданно большой пусковой мощности, повышенных механических усилий и неприятного воздействия на пассажиров (см. рекомендации гл. V).
Эти рекомендации могут несколько меняться в зависимости от протяженности подъема, степени населенности подвижного состава и некоторых других обстоятельств. Зависимости построены применительно к избыточному усилию после выхода на рекомендуемую характеристику, создающему ускорение примерно 0,3 м/сек2 при токе якоря не более 1 —1,1 Iном.
Характеристика тягового двигателя должна быть выбрана таким образом, чтобы при заданной скорости сообщения имел место наименьший расход электроэнергии.
Рис. 68. Расход электроэнергии вагонов метрополитена.
Современные двигатели с крутыми тяговыми характеристиками обеспечили существенную экономию электроэнергии при повышенных скоростях сообщения в сравнении с двигателями старых типов.
На рис. 68 приведены зависимости расхода электроэнергии от скорости сообщения вагонов метрополитена типа Д и Е, подтверждающие это положение.
Аналогичные результаты при равных скоростях сообщения были получены при сравнительных испытаниях троллейбуса ЗИУ-5 с высокими ускоряющими усилиями, обусловленными крутыми тяговыми характеристиками двигателя ДК-207 с увеличенным воздушным зазором и троллейбуса типа МТБ-82 с двигателями старого типа ДК-202.
Таким образом, правильный выбор характеристик тяговых двигателей должен обеспечить:
а) получение необходимых скоростей сообщения в пределах 25 км/ч для трамваев и троллейбусов при длине перегона 350 м и 48—50 км/ч для вагонов метрополитена при длине перегона 2000 м;
б) получение необходимых установившихся скоростей (55 км/ч для троллейбуса, 64 км/ч для вагонов трамвая, 90 км/ч для вагонов метрополитена). Кроме того, отдельными стандартами и техническими условиями регламентированы скорости на подъемах. В частности, для троллейбусов регламентирована скорость 45 км/ч на подъеме 20 °/00;
в) движение на подъемах до 100% для трамвая и до 80% для троллейбуса;
г) минимальный расход электроэнергии при наименьшем объеме пусковых реостатов, наименьшем числе пускорегулирующих аппаратов и наименьшем общем весе тяговых двигателей и аппаратуры.
Приведенные выше рекомендации соответствуют существующему техническому уровню подвижного состава.
Из формулы определения мощности следует, что необходимая удельная мощность двигателя мало зависит от величины максимальной установившейся скорости движения, составляющей примерно 85% конструктивной скорости. Однако это положение верно только в том случае, если повышение максимальной скорости не влечет за собой повышения скорости выхода на автоматическую характеристику. Если отношение
для данного двигателя уже достигло предельных значений из-за механических или коммутационных ограничений, то при увеличении максимальных и конструктивных скоростей одновременно увеличивается и скорость выхода на первую безреостатную ступень тяговой характеристики. В этом случае необходимая максимальная удельная мощность двигателя растет пропорционально росту максимальной установившейся скорости движения.
Следует подчеркнуть, что при оценке двигателя с точки зрения коммутационных ограничений, особенно в режиме динамического торможения, следует исходить не из установившейся скорости движения (при номинальном напряжении и нагрузке), а из максимальной (конструктивной) скорости, с которой может быть начато применение динамического тормоза.
Повышение максимальных скоростей и ускорений сопровождается, таким образом, повышением мощности и веса двигателя, маховой массы якоря и коэффициента вращающихся масс. В связи с этим целесообразно определить оптимальные исходные данные для задания на проектирование подвижного состава, при которых габариты двигателя и маховые массы якоря являются целесообразными, а динамические показатели подвижного состава являются достаточно высокими. По-видимому, ускорение 1,5 м/сек2 и максимальные скорости для троллейбуса 70—75 км/ч, для наземного трамвая 75—80 км/ч, для трамвая неглубокого залегания и вагонов метрополитена 100—110 км/ч и для монорельсовой дороги 150 км/ч станут оптимальными при дальнейшем повышении технического уровня конструкции и технологии производства тяговых двигателей.