МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ
Методические указания к практическим и самостоятельным

занятиям, контрольным заданиям, курсовой работе и лабораторным

работам для студентов заочной формы обучения специальностей :

7.092 201 – «Электрические системы и комплексы транспортных средств», 7.092.202 – «Электрический транспорт»,

Харьков – ХНАГХ – 2007
Основы электрической тяги. Методические указания к практическим и самостоятельным занятиям, контрольным заданиям, курсовой работе и лабораторным работам для студентов заочной формы обучения специальностей :

7.092 201 – «Электрические системы и комплексы транспортных средств», 7.092.202 – «Электрический транспорт»,

Составители: П.М. Пушков, В.П. Андрейченко

Рецензент: проф. Карпушин Э.И.

Утверждено кафедрой электрического транспорта

Протокол № 8 от 06.03.2007

Введение
В дисциплине «Основы электрической тяги» рассматриваются общая тео­рия движения поезда, процессы реализации сил тяги и торможения, силы со­противления движению, характеристики тягового и тормозного режимов дви­жения поезда, расчет и построение кривых движения поезда, расход энергии на движение поезда, расчет нагревания тяговых электрических двигателей, во­просы частотно-регулируемого асинхронного тягового привода.

Для студентов, обучающихся по специальности – 7.092.202 – «Электриче­ский транспорт», эта дисциплина является одной из основных специальных дисциплин и служит базой для изучения дисциплин «тяговые сети и тяговые подстанции электрического транспорта», «электрооборудование подвижного состава», «ремонт подвижного состава». Учебным планом для изучения данной дисциплины предусматриваются:

• 
  установочные лекции во время сессий;
  
• 
  самостоятельная работа над учебным материалом согласно рекомендован­ной литературе;
  
• 
  выполнение контрольных заданий, курсовой работы, лабораторных ра­бот;
  
• 
  консультации, подготовка к сдаче экзамена.
  

Курсовая работа предусматривает расчет параметров и построение характе­ристик тяговых электрических двигателей, расчет параметров и харак­теристик режимов пуска и торможения электроподвижного состава заданного типа.

Целью лабораторных работ является приобретение навыков определения удельного основного сопротивления движению подвижного состава при работе двигателей и на выбеге.

Установочные лекции имеют целью разъяснение наиболее трудных тем дисциплины, методики самостоятельной работы студентов с рекомендованной литературой. Для глубокого понимания и закрепления теоретического мате­риала, изученного по рекомендованной литературе, по каждой теме дисцип­лины необходимо ответить на все вопросы для самостоятельной проверки и решить соответствующие задачи контрольных заданий. Своевременному и ка­чественному выполнению контрольных заданий и курсовой работы придается особое значение, так как они являются письменным отчетом студентов о про­деланной самостоятельной работе по изучению учебного материала дисцип­лины. Основная и дополнительная литература по дисциплине приведена в конце настоящих методических указаний.

Методические указания

к изучению теоретической части дисциплины

Введение

Предмет и значение дисциплины в подготовке инженера - электромеха­ника. Краткий исторический обзор развития электрической тяги. Общие сведе­ния об электрическом транспорте.

[1], с. 3-8; [4], с. 4-5; [5], с. 5-10; [6], с. 6-9, 19-29.

Контрольные вопросы

1. 
   Как классифицируется электрический транспорт по назначению, по конст­руктивному исполнению, по системе тока и типу используемых электрических тяговых двигателей?
   
2. 
   Почему электрическая энергия к городскому электротранспорту подво­диться только на постоянном токе?
   
3. 
   Какие значения напряжения контактной сети постоянного тока для ГЭТ приняты в нашей стране и за рубежом и чем они обусловлены?
   
4. 
   Какие типы трамвайных вагонов и троллейбусов эксплуатируются в на­стоящее время в городах Украины?
   

Раздел 1. Теоретические основы движения поезда
Тема 1. Механика движения поезда

Уравнение движения поезда. Определение коэффициента инерции вращающихся частей. Общий анализ основных режимов движения поезда. По­нятие о тяговых и тормозных характеристиках. Коэффициент жесткости. Кри­вые движения поезда и их свойства.

[1], с. 9-24; [4], с. 6-15; [5], с. 11-21; [6], с. 55-62; [7], с. 170-178.

Контрольные вопросы

1. 
   Что представляет собой приведенная масса поезда?
   
2. 
   Что учитывает коэффициент инерции вращающихся частей поезда? От чего зависит его величина?
   
3. 
   Каковы значения коэффициента инерции вращающихся частей трамвай­ных вагонов и троллейбусов?
   
4. 
   Напишите уравнение движения поезда в двух видах (формах).
   
5. 
   Чем обусловлена необходимость введения в уравнение движения поезда переводных коэффициентов? Каковы их значения?
   
6. 
   Назовите основные режимы движения поезда и силы, действующие на по­езд в этих режимах.
   
7. 
   Что называют кривыми движения поезда?
   
8. 
   При каких условиях в режимах тяги, выбега и торможения поезд дви­жется с установившейся (постоянной) скоростью?
   
9. 
   Чему соответствует площадь под кривой движения V(t)?
   

Тема 2. Реализация сил тяги и торможения

Образование силы тяги и торможения, её ограничение по условиям сцепле­ния. Физические процессы образования силы сцепления. Коэффициент сцепления, его расчетные значения. Влияние расхождения электромеханических характеристик тяговых двигателей, типа провода, жесткости характеристик на реализацию силы сцепления. Мероприятия по повышению сцепления.

[1], с. 25-38; [4], с. 16-35, 40-41; [5], с. 21-36; [6], с. 62-70; [7], с. 4-14.

Контрольные вопросы

1. 
   Объясните процесс возникновения силы сцепления отдельного колеса при действии на его движущего и тормозного момента.
   
2. 
   Каковы условия нормального (без скольжения) качения колеса в режимах тяги и торможения?
   
3. 
   Каково условие нормальной (без буксования) реализации силы тяги поезда?
   
4. 
   Каково условие нормальной (без юза) реализации силы торможения поезда?
   
5. 
   Какова природа силы сцепления?
   
6. 
   Что называют сцепным и тормозным весом поезда?
   
7. 
   Что называют расчетным коэффициентом сцепления? Каковы его значения для ПС ГЭТ?
   

Тема 3. Силы сопротивления движению поезда

Природа и классификация сил сопротивления движению. Основное сопротивление движению. Дополнительное сопротивление движению. Мероприятия по уменьшению сопротивления движению. Методы определения основного сопротивления движению.

[1], с. 39-51; [4], с. 42-55; [5], с. 37-54; [6], с. 71-94; [7], с. 122-135.

Контрольные вопросы

1. 
   Что представляют собой полное, основное и дополнительное сопротивления движению поезда? От чего они зависят и чем обусловлены?
   
2. 
   Чем обусловлена разница в расчетных значениях основного сопротивления движению в режиме тяги (электрического торможения) и в режиме выбега (механического торможения)?
   
3. 
   В каком случае сила сопротивления движению может быть направлена по направлению движения поезда?
   
4. 
   Назовите эксплуатационные и конструктивные мероприятия по уменьшению сопротивлению движению.
   
5. 
   Что означает крутизна уклона, выраженная в тысячных долях (промиллях)?
   
6. 
   Чему численно равно удельное сопротивление движению от уклона?
   
7. 
   Как рассчитывают удельное сопротивление движению в кривых участках пути?
   

Раздел 2. Характеристики тягового и тормозного

режимов движения поезда
Тема 4. Характеристики тяговых двигателей постоянного тока.

Уравнения напряжений, моментов, мощностей. Электромеханические и тяговые (механические) характеристики двигателей различных систем возбуждения, отнесенные к валу двигателя и к ободу движущего колеса.

[1], с. 52-65; [4], с. 67-77; [5], с. 55-73; [6], с. 95-97, 110-122; [7], с. 15-31.

Контрольные вопросы

1. 
   Нарисуйте энергетическую диаграмму (диаграмму электромеханического преобразования энергии) двигателя последовательного возбуждения и объясните её.
   
2. 
   Напишите формулы ЭДС и вращающего момента, уравнения напряжений для цепи якоря двигателя и уравнения моментов в установившемся и переходном режимах.
   
3. 
   Что называют электромеханическими характеристиками на валу тягового двигателя и от чего зависит их вид (форма)?
   
4. 
   Что называют электромеханическими характеристиками на ободе движущегося колеса и от каких конструктивных параметров подвижного состава они зависят?
   
5. 
   Чем обусловлено наличие в кривой КПД двигателя максимума? При каких режимах работы КПД двигателя равен нулю?
   
6. 
   Какие виды потерь мощности имеют место в двигателе постоянного тока и от чего они зависят?
   
7. 
   Каким образом при расчете электромеханических характеристик двигателя определяют сумму его механических и магнитных потерь?
   
8. 
   Каким образом определяют потери в механической передаче тягового электропривода?
   
9. 
   Каким образом при расчете электромеханических характеристик двигателя определяют значение магнитного потока возбуждения?
   
10. 
    Что представляют собой основные и дополнительные магнитные потери тягового двигателя? Как учитывают дополнительные магнитные потери при нагрузке двигателя?
    
11. 
    Двигатели каких систем возбуждения могут автоматически переходить в генераторный режим работы (в режим рекуперативного торможения) и почему?
    
12. 
    Двигатели каких систем возбуждения имеют «мягкие» тяговые характеристики и какие – «жесткие»?
    
13. 
    Чем обусловлено различие в степени жесткости тяговых характеристик двигателей последовательного и параллельного (независимого) возбуждения?
    
14. 
    Почему ограничивается минимальная нагрузка двигателя последовательного возбуждения?
    

Тема 5. Регулирование скорости подвижного состава

Способы регулирования скорости. Регулирование скорости изменением напряжения, подведенного к якорям тяговых двигателей, и величины магнитного потока. Характеристики двигателей при изменении напряжения и магнитного потока. Регулировочные свойства тяговых двигателей.

[1], с.66-80; [4], с. 77-86; [5], с. 101-113; [6], с.34-38; [7], с. 41-52.

Контрольные вопросы

1. 
   Назовите способы регулирования скорости тяговых двигателей постоянного тока.
   
2. 
   Назовите способы изменения напряжения на зажимах тягового двигателя при заданном напряжении контактной сети.
   
3. 
   Назовите способы регулирования магнитного потока тяговых двигателей различных систем возбуждения.
   
4. 
   Что называют коэффициентом регулирования возбуждения?
   
5. 
   Какова зависимость скорости и силы тяги от напряжения у тяговых двигателей последовательного и смешанного возбуждения?
   
6. 
   Как влияет на КПД тяговых двигателей понижение напряжения и ослабление магнитного потока?
   
7. 
   Почему при неизменных условиях движения и ослаблении магнитного потока возбуждения двига­телей скорость возрастает, а при усилении потока скорость снижается?
   
8. 
   Соответствует ли значение коэффициента регулирования возбуждения степени ослабления магнитного потока?
   
9. 
   Каково назначение индуктивного шунта?
   
10. 
    Чем определяется допустимая степень ослабления магнитного потока тяговых двигателей ПС ГЭТ?
    
11. 
    Какова методика приближенного перестроения характеристик тягового двигателя последовательного возбуждения V(I), F_к(I), F_к(V), соответствующих полному возбуждению, на ослабленное возбуждение?
    
12. 
    Какова методика пересчета характеристик тягового двигателя последовательного возбуждения V(I), F_к(I), F_к(V), при изменении подведенного напряжения и при введении в цепь якоря резистора?
    
13. 
    Как протекает процесс изменения скорости двигателей последовательного и смешанного возбуждения при изменении подведенного напряжения?
    
14. 
    Как протекает процесс изменения скорости при уменьшении МДС возбуждения тягового двигателя последовательного возбуждения?
    

Тема 6. Сравнение тяговых двигателей постоянного тока различных систем возбуждения

Требования, предъявляемые к тяговым двигателям условиями работы на ЭПС. Электрическая и механическая устойчивость. Распределение нагрузки между тяговыми двигателями. Влияние колебаний напряже­ния в контактной сети на работу тяговых двигателей. Регулирование скорости, рекуперация, саморегулирование мощности тягового двигателя. Использование мощности тягового двигателя. Сравнительный анализ особенностей тяговых двигателей с различными системами возбуждения.

[1], с.81-102; [4], с.87-98; [5], с.73-85; [6], с.95-105; [7], с.31-35

Контрольные вопросы

1. 
   Перечислите основные требования, предъявляемые к тяговым двигателям условиями эксплуатации подвижного состава на линии.
   
2. 
   Назовите условия электрической и механической устойчивости работы тягового двигателя.
   
3. 
   Двигатели каких систем возбуждения электрически и механически устойчивы во всем диапазоне нагрузок и скоростей?
   
4. 
   Какие двигатели электрически и механически неустойчивы?
   
5. 
   Назовите основные причины несовпадения характеристик однотипных тяговых двигателей.
   
6. 
   Каковы предельные значения расхождения характеристик однотипных тяговых двигателей, установленные ГОСТом 2582-81?
   
7. 
   К чему приводит различие в характеристиках тяговых двигателей при их последовательном и параллельном соединении?
   
8. 
   От чего зависит степень неравномерности распределения нагрузок при параллельном и последовательном соединении тяговых двигателей?
   
9. 
   При каком электрическом соединении тяговых двигателей последствия боксования колесной пары особенно опасны?
   
10. 
    Какие двигатели (более или менее быстроходные) нагружаются больше при параллельном или при последовательном соединении?
    
11. 
    Какое условие следует соблюдать для обеспечения одинаковой скорости движения всех колесных пар моторного трамвайного вагона?
    
12. 
    Двигатели каких систем возбуждения наименее и наиболее чувстви-
    

тельны к колебаниям напряже­ния в контактной сети?

13. 
    Какие двигатели наиболее приемлемы для ЭПС постоянного то ка с контакторно-реостатным управлением?
    

Тема 7. Пуск поезда

Процесс пуска поезда. Плавный реостатный пуск. Ступенчатый реостатный пуск. Расчет общего пускового сопротивления для одновременного пуска нескольких двигателей. Безреостатный пуск поезда.

[1], с.104-129; [4], с.101-110; [5], с.89-101, 114-120; [6], с.38-45, 130-142;

[7], с.52-69.

Контрольные вопросы

1. 
   Каковы требования к пуску поезда?
   
2. 
   Нарисуйте и объясните диаграмму плавного реостатного пуска поезда.
   
3. 
   Нарисуйте и объясните диаграммы изменения напряжения, ЭДС и распределения мощностей во время реостатного пуска одного тягового двигателя с неизменным пусковым током.
   
4. 
   Что называют коэффициентом пуска поезда?
   
5. 
   Каким образом можно уменьшить потери энергии в пусковых реостатах?
   
6. 
   Что представляют собой коэффициенты неравномерности пуска по току, по силе тяги, по ускорению? В каком соотношении они находятся?
   
7. 
   Как выбирают максимальный пусковой ток?
   
8. 
   Объясните методику расчета и построения диаграммы ступенчатого реостатного пуска поезда.
   

Тема 8. Механическое торможение поезда

Классификация систем торможения. Колесно-колодочный, барабанный, дисковый тормоза. Расчет тормозной силы. Коэффициент трения. Ограничение силы нажатия колодок по сцеплению. Электромагнитные рельсовые тормоза. Движение поезда при механическом торможении.

[1], с.130-142; [4], с.56-66; [5], с.121-132; [6], с.45-49, 153-160; [7], с.138-151.

Контрольные вопросы

1. 
   Какие системы механического торможения применяют на подвижном составе городского электротранспорта?
   
2. 
   Почему на современных трамвайных вагонах не применяют колесно-колодочный тормоз?
   
3. 
   Почему на трамвайных вагонах тормозной барабан устанавливают на валу двигателя или на входном валу редуктора?
   
4. 
   От чего и каким образом зависит значение коэффициента трения тормозных колодок?
   
5. 
   Что называют тормозным коэффициентом подвижного состава?
   
6. 
   Что называют коэффициентом нажатия тормозных колодок?
   
7. 
   Напишите формулу расчета удельной тормозной силы поезда.
   
8. 
   Чем ограничивается сила нажатия тормозных колодок?
   
9. 
   Какие типы приводов механических тормозов применяют на подвижном составе ГЭТ?
   
10. 
    Какой вид имеют тормозные характеристики механических тормозов?
    
11. 
    Каково условие устойчивости движения поезда при механическом торможении на спуске?
    
12. 
    Объясните устройство и принцип действия рельсового тормоза.
    

Тема 9. Электрическое торможение поезда

Принцип электрического торможения. Электрическое торможение ЭПС постоянного тока с контакторно-реостатным управлением. Реостатное торможение при тяговых машинах последовательного и смешанного возбуждения. Рекуперативное торможение. Электрическое торможение ЭПС постоянного тока с импульсным управлением.

[1], с. 143-184; [4], с. 110-138, 148-156; [5], с. 132-155; [6], с.49-54, 160-169; [7], с. 151-169.

Контрольные вопросы

1. 
   Тяговые машины каких систем возбуждения пригодны для рекуперативного торможения при реостатно-контакторном и импульсном управлении подвижного состава?
   
2. 
   Каково условие устойчивой работы на сеть с постоянным напряжением генераторов постоянного тока?
   
3. 
   Благодаря какому свойству электрических машин возможно электрическое торможение?
   
4. 
   Каковы преимущества электрического торможения по сравнению с механическим торможением?
   
5. 
   Какие недостатки присущи электрическому торможению?
   
6. 
   Назовите условия перехода тягового двигателя последовательного возбуждения в режим реостатного торможения?
   
7. 
   Назовите условие электрической устойчивости реостатного торможения.
   
8. 
   Как влияет величина тормозного сопротивления и скорости на процесс самовозбуждения генератора?
   
9. 
   Назовите способы ускорения процесса самовозбуждения машины при реостатном торможении.
   
10. 
    Какие ограничения налагают на тормозные характеристики при реостатном торможении?
    
11. 
    Объясните методику расчета тормозных сопротивлений.
    
12. 
    Исходя из каких соображений выбирают пределы колебаний тока и средний тормозной ток при реостатном торможении с целью остановки поезда?
    
13. 
    Нарисуйте схемы включения тяговых двигателей последовательного и смешанного возбуждения при реостатном торможении.
    
14. 
    Каким образом обеспечивают устойчивую работу и равномерное распределение нагрузок между двигателями при реостатном торможении?
    

Раздел 3. Тяговые расчеты
Тема 10. Расчет и построение кривых движения

Методы интегрирования уравнения движения. Спрямление профиля пути. Графо-аналитический и графический способы расчета и построения кривых движения. Тормозные задачи. Построение кривых потребления поездом тока. Влияние изменений напряжения в тяговой сети на движение поезда.

[2], с. 3-31; [4], с.213-229; [5], с. 156-178; [6], с.170-200; [7], с. 183-206.

Контрольные вопросы

1. 
   Каков порядок (последовательность) спрямления профиля?
   
2. 
   Чем обусловлено ограничение длин элементов профиля, включенных в спрямляемую группу (участок)?
   
3. 
   Что называют эквивалентным уклоном?
   
4. 
   Какие спуски называют вредными и какие - безвредными?
   
5. 
   Какие составляющие расхода энергии на движение поезда учитывают посредством введения эквивалентного уклона?
   
6. 
   В чем различие среднего и эквивалентного уклонов?
   
7. 
   Какие способы кусочной аппроксимации кривой действующей силы применяют при интегрировании уравнения движения методом конечных приращений?
   
8. 
   Чем отличается графический способ построения кривых движения от расчетно-графического?
   
9. 
   Порядок построения кривых движения на заданном перегоне расчетно-графическим способом.
   
10. 
    Порядок построения кривых движения на заданном перегоне графическим способом.
    
11. 
    Напишите уравнение масштабов при графическом способе построения кривых движения.
    
12. 
    Назовите основные задачи тормозных расчетов.
    

Тема 11. Расход энергии на движение поезда

Энергетическая характеристика движения поезда. Определение расхода энергии по кривым потребляемого поездом тока и графическим способом. Аналитический расчет расхода энергии на движение поезда. Экономия и нормирование расхода электрической энергии.

[2], с. 32-51; [4], с.229-241, 245-252; [5], с. 178-189, 192-196; [6], с.200-245;

[7], с.222-227, 236-238, 265-281, 291-293.

Контрольные вопросы

1. 
   Назовите основные составляющие расхода электрической энергии на движение поезда.
   
2. 
   Назовите способы определения расхода электроэнергии на движение поезда.
   
3. 
   Объясните порядок построения кривых потребления поездом тока.
   
4. 
   Объясните порядок построения графическим способом кривой расхода электроэнергии на движение поезда.
   
5. 
   Назовите основные пути снижения расхода электроэнергии на движение поезда.
   
6. 
   Как влияет скорость движения поезда на расход энергии?
   
7. 
   Как влияет на расход энергии ослабление возбуждения и понижение напряжения на двигателях?
   
8. 
   Какое влияние оказывают на расход электроэнергии величины тормозного замедления, скорости начала торможения, пускового ускорения, продолжительность стоянок на остановочных пунктах?
   

Тема 12. Расчет нагревания электротягового оборудования

Ограничение нагрузок по нагреванию. Нормы на тяговые электрические машины. Особенности расчетов нагревания тяговых двигателей. Теплоемкость, теплоотдача, постоянная времени нагревания. Расчет тепловых процессов в обмотке якоря тягового двигателя. Определение тепловых параметров по кривым нагревания и охлаждения. Определение тепловых характеристик по номинальным данным тяговых двигателей. Определение нагревания тяговых двигателей методом построения кривой нагревания. Проверка мощности тяговых двига­телей способом среднего квадратичного тока.

[2], с. 52-74; [4], с.253-267; [5], с. 196-203; [6], с.245-250; [7], с.241-264.

Контрольные вопросы

1. 
   Какова цель расчета нагревания тяговых двигателей?
   
2. 
   Каковы предельные допускаемые превышения температур частей тяговых электрических машин?
   
3. 
   Какие режимы работы для тяговых двигателей установлены ГОСТ 2582-81 в качестве номинальных?
   
4. 
   Что называют продолжительным и кратковременным номинальными режимами работы тяговых двигателей?
   
5. 
   Какая часть тягового двигателя постоянного тока является наиболее опасной по нагреву?
   
6. 
   Какие упрощения принимают при расчете нагревания тяговых двигателей?
   
7. 
   Напишите уравнение баланса тепловой энергии для однородного твердого тела, эквивалентного по нагреву обмотке якоря тягового двигателя.
   
8. 
   Напишите уравнение нагревания обмотки якоря тягового двигателя.
   
9. 
   Напишите уравнение охлаждения обмотки якоря тягового двигателя.
   
10. 
    Влияет ли теплоемкость на установившееся превышение температуры и на скорость нарастания температуры обмотки якоря?