Расчет параметров тягового электродвигателя

Расчет параметров тягового электродвигателя

СОДЕРЖАНИЕ

1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОЗА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ

1.1   Выбор расчетных сил тяги и скорости тепловоза

1.2   Выбор типа электрической передачи и схемы соединения ТЭД

1.3   Определение основных расчетных параметров электрических машин

1.4   Определение основных размеров ТЭД

1.5   Определение главных размеров синхронного генератора

1.6   Определение параметров зубчатой передачи

1.7   Определение габаритных размеров

2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ТЭД

2.1 Выбор типа обмотки

2.2 Расчет числа пазов, параметров обмотки якоря

2.3 Расчет коллекторно-щеточного узла

2.4 Разборка эскиза магнитной цепи

2.5 Расчет магнитных напряжений участков магнитной цепи

2.6 Расчет главных полюсов, коммутации и добавочных полюсов

2.7 Определение к.п.д. при длительном режиме работы

3 РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК  ТЭД, СГ И ТЕПЛОВОЗА

3.1 Внешняя характеристика генератора

3.2 Характеристика намагничивания

3.3 Электромеханические характеристики ТЭД

3.4 Разгонные характеристики ТЭД

3.5. Тяговая характеристика тепловоза

4 РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЭД И СГ

ЛИТЕРАТУРА

  
1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОЗА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ 

1.1 Выбор расчетных сил тяги и скорости тепловоза

       Длительная сила тяги и скорость определяют массу поезда и среднюю техническую скорость локомотива, а в конечном итоге, его производительность, поэтому нахождение оптимальных значений этих величин является одной из важнейших задач.

       Длительная сила тяги тепловоза определяется по формуле:

                                                                                                    (1)

где Nдг. – свободная мощность тепловоза, передаваемая генератору, рассчи-

                 тывается по формуле:

                                                 Nдг. = Ne – Nвсп.,                                                          (2)

      Nвсп. – мощность, расходуемая на привод вспомогательных агрегатов

                  тепловоза, определяется по формуле:

                                              Nвсп. = (0,08…0,15)Ne,                                                  (3)

       Подставляя численные значения, получаем:

Nвсп. = 0,1×2940 = 294 кВт.

       Тогда подставляя численные значения в (2), получаем:

Nдг = 2940 – 294 = 2646 кВт.

       hп – к.п.д. электрической передачи, определяется по формуле:

                                                   hп = hг×hтд×hзп,                                                         (4)

       hг, hтд, hзп – к.п.д. соответственно генератора, тягового электро-

                             двигателей, зубчатой передачи, принимаем hг = 0,95, 

                                           hтд = 0,93, hзп = 0,985.

       Подставляя численные данные, получаем:

hп = 0,95×0,93×0,985 = 0,87.

        uдл – длительная скорость тепловоза,                 uдл = 30 км/ч.

       Тогда подставляя численные значения в (1), получаем:

       Определим коэффициент тяги на расчетном подъеме по следующей формуле:

                                                                                                             (5)

       Подставляя численные значения, получаем:

       Полученный коэффициент тяги входит в рекомендуемый предел значения коэффициента тяги для грузового тепловоза.

1.2 Выбор типа электрической передачи  и схемы соединения ТЭД

       Предельная мощность тепловозного генератора постоянного тока определяется из условий удовлетворительной коммутации критерием Касьянова, который соответствует выражению:

                                                        Рг×nд <=2×106,                                                       (6)

где Рг – мощность генератора, которую можно рассчитать по формуле:

                                                          Рг = Nдг×hд,                                                              (7)

       Подставляя численные значения,  получаем: 

Рг = 2646×0,95 = 2514 кВт.

       Тогда подставляя численные значения в (6), получаем:

2514×1100 = 2765400 > 2×106.

Так как  критерий Касьянова  не выполняется, то выбираем передачу переменно-постоянного тока.

       Схема соединения электродвигателей выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимые тяговые свойства тепловоза. На выбор электрической схемы соединений ТЭД оказывает влияние максимальная скорость тепловоза  , при которой должна использоваться полная мощность силовой установки. Скорость максимального использования мощности для грузовых  тепловозов принимается  . При выборе схемы соединения ТЭД необходимо последовательно исследовать возможность применения различных вариантов в порядке возрастания их сложности. Критерием применимости той или иной схемы является величина скорости полного использования мощности силовой установки тепловоза. Если схема обеспечивает достижение тепловозом скорости , равной или большой заданной, то она может быть применена. В противном случае необходимо исследовать следующий по сложности вариант. Таким образом, задача сводиться в определении скорости .

       Для начала рассчитаем постоянную схему соединений ТЭД с ослаблением поля:

       Максимальную скорость полного использования мощности тепловоза в этом случаем, определим по формуле:

                                                                                                     (8)

где a - коэффициент  ослабления возбуждения;

К2г.дл – коэффициент регулирования генератора;

 Кгоп – степень насыщения магнитной системы электродвигателей при

            длительном режиме по сравнению с режимом ослабленного поля

            при скорости  .

       Задаваясь коэффициентом ослабления a = 0,28 и выбирая две ступени ослабления,  определяем коэффициент Кг.дл =1,4.

       Степень насыщения определяем с помощью кривой намагничивания:

Кгоп = АС/АЕ=1,8.

       Тогда подставляя численные данные в (8), получаем:

       Так как скорость  , то, следовательно, эта схема соединения ТЭД нам подходит. Значит, мы выбираем схему соединения ТЭД с ослабленным полем.

1.3 Определение основных расчетных параметров электрических машин 

       Максимальное напряжение тепловозного генератора принимаем следующим: Uг.max = 800 В.

       Максимальному напряжению генератора соответствует минимальный ток генератора, при котором еще полностью используется мощность дизеля, определяется по формуле:

                                                                                                     (9)

где Р’г – мощность генератора при минимальном токе Iг.min:

                                                        Р’г = Nдг×h’г,                                                       (10)

     Тогда

Р’г = 2646×0,97 кВт.                                                   

       Тогда минимальный ток генератора будет:

       Напряжение и ток при длительном режиме работы тепловоза:

                                                                                                            (11)

                                                                                                      (12)

где Рг.дл  = Nдг×h’г = 2646×0,95 = 2514 кВт.

       Тогда подставляя численные данные в (11) и (12), получаем:

       Максимальный пусковой  ток принимают, исходя из перегрузочной способности электрических машин, равным

                                                 Iг.max = (1,3…1,5)×Iг.дл.                                              (13)

       Тогда подставляя численные значения, получаем:

Iг.max = 1,4×4400 = 6160 А.

       Минимальное напряжение генератора определяется по формуле:

                                                                                                     (14)

где Р’’г – мощность генератора при максимальном токе:

Р’’г = Nдг×h’’г = 2646×0,94 = 2487 кВт.

       Тогда подставляя численные значения, получаем:

       Максимально допустимый ток по условию коммутации рассчитывается по следующей формуле:

Iг.ком » 2×Iг.дл = 2×4400 = 8800 А.

       Так как у меня в курсовом проекте 8 параллельно соединенных ТЭД, то:

Uд = Uг;  Iд = Iг/8.

       Длительная мощность электродвигателя определятся по формуле:

                                                  Рд.дл = Uд.дл×Iд.дл×10 –3.                                               (15)

       Подставляя численные значения, получаем:

Рд.дл = 571×550×10 –3 = 314 кВт.

1.4 Определение основных размеров  тягового электродвигателя

       Основные размеры электрических машин можно определить из выражения:

                                                                              (16)

где Dа – диаметр якоря;

       ℓа – длина сердечника якоря;

       Рр – расчетная мощность;

       at - расчетный коэффициент полюсного перекрытия, принимаем  at = 0,6;

       Кв – коэффициент формы паза;

     Коб – обмоточный коэффициент обмотки статора;

        А – линейная нагрузка якоря, принимаем А= 375 А/см;

       Вd - магнитная индукция в воздушном зазоре,                Вd = 0,98 Тл;

     wр – расчетная частота вращения.

       Для тягового электродвигателя Рр = Рдл   и wр = wд.дл , а частота вращения двигателя в свою очередь определяется по следующей формуле:

                                                                                               (17)

где uа.max – максимально допустимая окружная скорость якоря, принимаем

                    uа.max = 70 км/ч;

         Dа – диаметр якоря двигателя, принимаем Dа = 0,56 м.

       Подставляя это в выражение (16) и учитывая, что для машин постоянного тока Кв×Коб = 1, получаем:

                                                                        (18)

       Подставляя численные значения, получаем:

       Выразим от сюда ℓа = 0,44 м.

1.5 Определение главных размеров синхронного генератора

       Расчетная электромагнитная мощность определяется по следующей формуле:

                                                                                              (19)

где Ке – коэффициент зависящий от заданного cos j и от индуктивного

              сопротивления рассеяния.

       Подставляя выражение (19)  в формулу (16) и учитывая, что wг.р = wг.max, получим:

                                                       (20)

       При расчете принимаем  at = 0,72; Кв = 1,11; Коб = 0,972; Вdmax = 0,98 Тл; А = 600 А/см; cosj = 1,06.

       Тогда подставляя численные значения, получаем:

       Принимаем, что диаметр якоря генератора равен: 1,2 м, тогда выразив из (20) получаем, что длина якоря равна: 0,53 м.

1.6 Определение  параметров зубчатой передачи

     На современных тепловозах в основном применяется индивидуальный привод колесных пар, при котором каждая движущая ось через зубчатый редуктор связана со своим отдельным ТЭД.

       Так как конструкционная скорость тепловоза равна 115 км/ч, то принимаем опорно-рамную подвеску ТЭД.

       Передаточное отношение зубчатой передачи определим по формуле:

                                                                                              (21)

где w - частота вращения оси колесной пары.

       Подставляя численные значения, получаем:

       Полученное передаточное отношение проверяем на возможность размещения зубчатой передачи.

       Максимально возможное по условиям размещения передаточное отношение определяется по формуле:

                                                                                                             (22)

       Минимальное число зубьев малой шестерни определяется по формуле:

                                                                                                            (23)

где dz.min – минимальный диаметр делительной окружности шестерни;

           m – модуль зубчатой передачи.

       Крутящий момент определяется по формуле:

                                                                                                  (24)

где wд.дл – частота вращения двигателя в длительном режиме, определяется

                 по следующей формуле:

       Тогда подставляя численные значения, получаем:

       По значению крутящего момента определяем: dz.min = 160 мм и m = 10.

       Тогда подставляя численные значения в (23), получаем:

       Максимально возможный диаметр делительной окружности зубчатого колеса определяется по формуле:

                                                      Dz.max = D – 2(b – b1),                                          (25)

где b – расстояние между нижней точкой поверхности кожуха зубчатой

             передачи и головки рельса, принимаем 150 мм;

      b1 – минимальное расстояние между делительной окружностью зубчатого

             колеса и нижней поверхностью кожуха, принимаем 17 мм.

       Тогда подставляя численные значения, получаем:

Dz.max = 1,25 – 2(0,15 – 0,017) = 0,915 м.

       Максимально возможное число зубьев большого колеса определяется по следующей формуле:

                                                                                                           (26)

       Подставляя численные значения, получаем:

       Тогда подставляя численные данные в (22), получаем, что:

      Так как m < mmax , то окончательно принимаем передаточное отношение зубчатой передачи m = 5,75, а Z = 100 и  z = 17.

       Централь передачи определяется по следующей формуле:

                                                                                                      (27)

       Подставляя численные значения, получаем:

1.7  Определение  габаритных размеров

       Длина тягового электродвигателя ограничивается расстоянием между внутренними гранями колесных пар, которое для железных дорог равно 1,44 м. Однако здесь же необходимо разместить зубчатую передачу, предусмотреть необходимые технологические зазоры.

       Ширина (диаметр) остова ТЭД связана с диаметром якоря соотношением:

                                                               BD = KD ×Da,                                                (28)

где КD – коэффициент пропорциональности, принимаем 1,5.

Тогда подставляя численные значения, получаем:

BD = 1,5×0,56 = 0,84 м.

       Максимально возможная ширина (диаметр) остова ограничивается величиной централи передачи  и необходимостью размещения полого вала колесной пары, т.е.:        

                                                                                                      (29)

где d0 – диаметр полого вала, принимаем 315 мм.

Тогда подставляя численные значения, получаем:

       Высота остова обычно равна ширине и не должна быть больше:

                                                    HD max = D – 2(a’ - D),                                            (30)

где а’ – расстояние от нижней части станины двигателя до головки рельс,

              принимаем 155 мм;

        D - превышение оси вала электродвигателя над осью колесной пары,

              принимаем 30 мм.

Тогда подставляя численные значения, получаем:

HD max = 1250 – 2(155 – 30) = 1000 мм.

       Максимально возможный диаметр якоря определяется по следующей формуле:

                                                                                               (31)

Подставляя численные значения, получаем:

       Наружный диаметр станины (статора) генератора определяется по формуле:

                                                           Dст = Кст×Dа,                                                    (32)

где Кст – коэффициент пропорциональности, принимаем 1,45.

    Подставляя численные значения, получаем:

Dст = 1,45×1,2 = 1,74 м.

2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ТЭД

2.1 Выбор  типа обмотки

       Тип обмотки якоря определяется в основном величиной тока в параллельной ветви:

                                                ia  = Iд.дл/(2а) <=250 A.                                              (33)

где Iд.дл – ток тягового двигателя в продолжительном режиме, 550 А;

          а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

       Для лучшей   коммутационной  стойкости  ТЭД принимаем петлевую обмотку, тогда а = р = 2.

       Тогда подставляя численные данные в (33), получаем:

ia = 550/(2×2) = 138 А < 250 A.

       Число проводников обмотки определим по формуле:

                                                      Na = p×A×Da/ia,                                                     (34)

где А – линейная нагрузка якоря в продолжительном режиме, 375 А/см;

      Da – диаметр якоря, 53 см.

       Тогда подставляя численные значения, получаем:

Nа = 3,14×374×56/138 = 477.

      Окончательно количество проводников уточним после определения числа пазов и активных проводников в пазу.

2.2 Расчет числа пазов, параметров  обмотки якоря

       Определяем, в зависимости от диаметра якоря, число пазов: Zп = 62.

       Зубцовое деление определим по формуле:

                                                      t1 = p×Da/Zп .                                                        (35)

       Подставляя численные значения, получаем:

t1 = 3,14×0,56/62 = 28 мм.

       Число активных проводников в пазу определим по следующей формуле:

                                                          NZ = Na/Zп.                                                       (36)

       Подставляя численные данные, получаем:

NZ = 477/62 = 7,7.

       Число активных проводников в пазу округляем до четного числа: 8.

       Число коллекторных пластин на паз определим по формуле:

                                                            uк = NZ/2.                                                       (37)

       Тогда подставляя численные значения, получаем:

uк = 8/2 = 4.

       При выборе числа пазов по условиям нагревания обмотки необходимо, чтобы объем тока в пазу:

                                               ia×NZ <=1500…1800 A.                                              (38)

       Подставляя численные значения, получаем:

ia×NZ = 138×8 = 1014 А <1500…1800 А.

       В соответствии с принятыми решениями уточненное число проводников обмотки  и линейной нагрузки будут:

                                                         Na = NZ×Zп                                                         (39)

                                                                                                                                       (40)   

       Тогда подставляя численные значения, получаем:

Na = 8×82 = 496.

       Так как полученное значение А практически не отличается (3,6%) от принятого при определении основных размеров ТЭД, то продолжаем дальнейший расчет.

       Число коллекторных пластин определим по формуле:

                                                                                                          (41)

где wс – число витков в секции, равно 1;

       ZЭ – число элементарных пазов.

       Тогда подставляя численные значения, получаем:

       Проверим величину среднего межламельного напряжения:

                                                                                        (42)

       Подставляя численные данные, получаем:

       При этом необходимо обеспечить выполнения условий симметрии простой петлевой обмотки якоря:

К/а = ЦЧ = 248/2 = 124.

Zп/а = ЦЧ = 62/2 = 31.

2р/а = ЦЧ = 4/2 = 2.

где ЦЧ – целое число.

       Коллекторное деление tк из условий конструктивной и технологической выполнимости коллектора будет:

                                                     tк >= 4…4,5 мм.                                                   (43)

при толщине изоляции между пластинами 0,8 – 1,5 мм. Выбираем tк = 4 мм.

       Принятые величины К и tк позволяют определить диаметр коллектора, который определяется по формуле:

                                                                                                              (44)

       Подставляя численные значения, получаем:

       Принимаем из ряда номинальных значений DК = 425 мм.

       При этом максимальная окружная скорость коллектора должна удовлетворять условию:

                                                                           (45)

где nд.max – максимальная частота вращения двигателя, которая определяется

                   по формуле:

                                                                                                     (46)

где nд.дл – номинальная частота вращения двигателя в продолжительном

                  режиме, 650 об/мин;

       umax – конструкционная скорость тепловоза, 115 км/ч;

       uдл – скорость длительного режима, 30 км/ч.

       Тогда подставляя численные значения, получаем:

       Подставляя численные значения в формулу (45), получаем:

      Кроме этого полученные значения Da и DК должны находиться в соотношении

                                                  DК = 0,75…0,85Da.                                                                             (47)

       Подставляя численные значения, получаем:

DК = 0,76×560 = 425 мм.

       Полученные значения tК и DК окончательно уточним в процессе дальнейшего расчета.

       Предварительно глубину паза определим по следующей формуле:

                                                    hz  = 0,08…0,12t,                                                  (48)

где t - полюсное деление, которое определяется по формуле:

                                                                                                             (49)

       Подставляя численные значения, получаем:

       Тогда подставляя численные значения в формулу (48), получаем:

hz = 0,1×440 = 44 мм.

       Ширину паза определим по следующей формуле:

                                                   bп = 0,35…0,45×t1.                                                  (50)

       Подставляя численные значения, получаем:

bп = 0,4×28 = 11,2 мм.

       Из опыта проектирования ТЭД: hz/bп = 2,5…6 = 44/11,2 = 4.

       Окончательно размеры паза определим после определения размеров меди проводников обмотки, их количеством в пазу и толщиной изоляции.

       Площадь сечения меди проводника обмотки определим по следующей формуле:

                                                                                                                    (51)

где ja – плотность тока в обмотки якоря, определяется по формуле:

                                                                                                                  (52)

где Aja – фактор нагрева, при классе изоляции F Aja = 3000 А2/(см×мм2).

       Подставляя численные данные, получаем:

       Тогда подставляя численные значения в (51), получаем:

       Для ограничения величины добавочных потерь высота каждого проводника в зависимости от частоты перемагничивания сердечника якоря fп = pnд.дл/60 = 2×650/60 = 21,6 Гц  должна быть не более указанного в таблице 1.1   hм = 10,5 мм.

       По полученному значению Sa намечаем размеры проводника по ГОСТ 434-78 по приложению 2  : b = 10 мм, а = 2,24 мм и Sa = 22,04 мм2.

       Выбираем горизонтальное расположение проводников в пазу.

       Расчет размеров паза удобно представить в виде таблицы 1.

Таблица 1 – Расчет размеров паза

Наименование

Материал

Размер, мм

Число слоев

Общий

размер, мм

Проводник

Медь ПММ

10х2,24

1/8

10/17,92

Витковая изоляция

Провод ПЭТВЛСД

0,16/0,16

2/16

0,32/2,56

Корпусная изоляция

Стеклослюдинитовая лента

0,08/0,08

16/32

1,28/2,56

Покровная изоляция

Стеклолента

0,1/0,1

2/4

0,2/0,4

Прокладки на дно, между катушками и под клин

Стеклотекстолит

-/0,35

-/4

-/1,4

Клин

Стеклотекстолит

-/5

-/1

-/5

Зазор на укладку

-

0,25/0,20

-

0,25/0,20

Расшихтовка

-

0,15/-

-

0,15/-

И т о г о

bп/hz = 12,2/30,04