Статические и динамические нагрузки тяговых электроприводов

Тяговый электрический привод, как и любая совокупность элементов, взаимодействующая с окружающей средой, подвергается воздействию и внешних, и внутренних силовых факторов — сил (нагрузок) и моментов.

Нагрузки, действующие на тяговый электропривод подвижного состава, главным образом на механическую его часть, подразделяют на статические и динамические. Поскольку назначение тягового привода заключается в создании и передаче крутящего момента с вала тягового двигателя на колесо, основным силовым фактором будет крутящий момент, нагружающий все элементы привода от тягового двигателя до колеса. Развиваемый тяговым двигателем момент реализуется на ведущем колесе в виде тягового усилия, преодолевающего силы сопротивления движению транспортного средства. Силы сопротивления движению W зависят от различных факторов и при прямолинейном горизонтальном движении в удельной форме (отнесенные к единице веса подвижного состава) могут быть определены в соответствии с известными положениями теории электрической тяги по формуле [7].

где а, b к с — эмпирические коэффициенты, имеющие свои значения для различных видов подвижного состава;

v_nc — скорость движения подвижного состава.

При равномерном движении тяговое усилие компенсируется силами сопротивления движению, которые можно считать статическими.

Вместе с тем статические нагрузки зависят от такого фактора, как вес транспортного средства, который определяется наполняемостью кузова подвижного состава. Кроме того, в некоторых случаях эмпирические коэффициенты в формуле для определения величины сопротивления движению также будут функцией веса подвижного состава.

В зависимости от длины перегона период движения по нему транспортного средства разбивается на несколько интервалов, отражающих характер этого движения:

• • пуск, в процессе которого тяговый электрический двигатель, набирая обороты, разгоняется до скорости выхода на автоматическую характеристику (для машин постоянного тока — это скорость выхода на характеристику максимального ослабления поля, для машин переменного тока — это скорость выхода на характеристику номинальной или максимальной частоты источника питания);
• • движение под током, в процессе которого происходит дальнейшее увеличение скорости движения до момента равенства сил тяги и сопротивления движению, после чего подвижной состав движется равномерно;
• • выбег, при котором тяговый двигатель не создает крутящего момента, а движение становится замедленным под действием сил сопротивления движению;
• • торможение, при котором скорость движения транспортного средства снижается под действием тормозного момента, создаваемого тяговым двигателем, переходящим в режим электрического торможения.

Крутящие моменты во всех этих режимах движения за исключением равномерного характеризуются непостоянством как величины, так и направления и поэтому являются динамическими.

Поскольку движение транспортного средства по горизонтальному прямолинейному участку скорее исключение, чем правило, воздействие на него внешних силовых факторов в виде дополнительных сил сопротивления движению при прохождении кривых, подъемов, уклонов, туннелей, неровностей пути, стрелочных переводов также следует отнести к динамическим. Величина этих сил зависит от скорости движения, веса подвижного состава, радиуса кривой в поворотах и может быть рассчитана по соответствующим формулам.

К динамическим внешним силовым факторам следует отнести и крутящий момент, создаваемый тяговым электродвигателем. Объясняется это тем, что в процессе пуска величина его непостоянна. Требования обеспечивать минимальный комфорт на подвижном составе пассажирского транспорта, а также соблюдать плавность хода и исключать возникновение ударных нагрузок в элементах механической части тягового привода повлекли за собой ограничения по величинам ускорений в режимах пуска и торможения и скорости их нарастания, особенно на начальной стадии пуска. Гак, в частности, при пуске величина ускорения подвижного состава городского электрического транспорта не должна превышать величины [я_ПУСК] < 1,5 м/с*, а скорость нарастания ускорения [ a'_ltyCK ] < 2 м/с³.

Применительно к тяговым электрическим приводам на постоянном токе это можно проиллюстрировать пусковой диаграммой, р_ис 2 j Пусковая показанной на рис. 2.7. диаграмма Пусковой ток тягового двигателя, как правило, выбирается в пределах 1,8…2 от величины тока длительного режима работы /_Пуск~ ~ (1,8…2)/оо. При этом по характеристике силы тяги на ободе колеса в функции тока двигателя F,(/) проверяется соблюдение требования по 01раничению величины пускового ускорения:

где /япс — масса подвижного состава;

у — коэффициент вращающихся масс подвижного состава;

— электромагнитная сила двигателя, приведенная к ободу колеса;

AF — потери усилия на ободе колеса, обусловленные наличием в элементах привода элекгрических, магнитных и механических потерь.

Остановимся более подробно на понятии «масса подвижного состава». При разгоне подвижного состава тяговый электропривод потребляет электрическую энергию, расходуемую в том числе и на накопление механической энергии транспортным средством. Последняя в свою очередь определяется физической массой /я_ф поступательно движущихся элементов поезда и энергией, накапливаемой во вращающихся частях его оборудования (якоре тягового двигателя, соединительных валах и муфтах, зубчатых колесах редуктора и т. д.). Для учета составляющей энергии, расходуемой на приведение во вращение элементов тягового привода, следует воспользоваться известным из теории электрической тяги положением, согласно которому вся механическая энергия накапливается в некой приведенной массе поезда /и_Пс, совершающей только поступательное движение, а величина ее определяется по выражению.

где Щффизическая масса поезда;

т_экв- эквивалентная масса, обусловленная наличием вращающихся частей в поступательно движущемся поезде.

Величина эквивалентной массы может быть определена на основе закона сохранения энергии при условии поступательного движения ее со скоростью, равной скорости поступательного движения транспортного средства v_n

Как показала практика эксплуатации подвижного состава, величина /я_Экв не превышает 12… 14% от /и_ф, и поэтому в целях упрощения расчетов ее наличие учитывается коэффициентом вращающихся масс, принимаемым обычно в пределах у = 0,12…0,14.

В случае превышения расчетного значения ускорения над допустимым необходимо уменьшить пусковой ток.

Для электроподвижного состава железных дорог величины ускорений и скорости их нарастания гораздо меньше, что вызвано стремлением к предотвращению возникновения ударных нагрузок в сцепных устройствах и потери сцепления колес локомотива с рельсом.

На начальной стадии пуска в соответствии с диаграммой происходит нарастание пускового тока от некоторого минимального значения /тр, называемого током трогания, до пускового. При определении величины этого тока необходимо руководствоваться следующими соображениями:

• • нарастание ускорения подвижного состава при броске тока в цепи тягового двигателя от 0 до /_тр не должно превысить указанного выше предельного значения;
• • ударные нагрузки в элементах механической передачи (особенно в зубчатом зацеплении), связанные с выборкой люфтов в момент трогания, не должны превысить значений, вызывающих выход их из строя.

Как правило, на практике значение тока трогания может быть определено из соотношения /_тр < (0,2…0,25)/_ПЧСк;

Внутренние силовые факторы (как статические, так и динамические) возникают непосредственно в самих элементах привода и характеризуются потерями энергии, передаваемой от двигателя колесу. Определение их численных значений, как правило, не вызывает затруднений, поскольку один из основных параметров каждого из них — это КПД.