Сравнительный анализ энергоэффективности пассажирских электровозов с коллекторными и бесколлекторными тяговыми двигателями

Введение…………………………………………………………………...……8
1. Преимущества и недостатки тягового электропривода с коллекторными и бесколлекторными тяговыми двигателями……..................................................11
2. Анализ расхода электроэнергии электровозов с позиционным управлением и с автоведением………………………………………….…………16
3. Анализ энергоэффективности пассажирских электровозов с коллекторными и бесколлекторными тяговыми двигателями…………..………23
3.1 Расчет основного удельного сопротивления движению электровозов ЭП1,ЭП10 и ЧС8……………………………………………………………………26
3.2 Расчет основного удельного сопротивления движению пассажирских вагонов………………………………………………………………………………26
3.3 Расчет сопротивления движению поездов………………………..……..26
3.4 Расчет сопротивления движению поездов от уклона……………..……26
3.5 Полное сопротивление движению при различных уклонах и скоростях движения………………………………………………………………………..…..30
3.6 Построение тяговых характеристик электровозов, характеристик сопротивления движению и определение установившихся скоростей движения……………………………………………………………………………30
3.7. Расчет удельных энергозатрат…………………………………………..41
4. Анализ расхода электроэнергии в пассажирском движении посредством тягового расчета…………………………………………………………...………..55
4.1 Тяговые характеристики электровозов ЭП1, ЭП10 и ЧС8………..……57
4.2 Подготовка профиля и плана пути для тяговых расчетов…………..….60
4.3 Вес состава и его проверка…………………………………………….…60
4.4 Расчет удельных сил, действующих на поезд………………………..…60
4.5 Расчет основного удельного сопротивления движению поезда в режиме тяги и выбега электровоза…………………………………………...…………….60
4.6 Расчет удельных ускоряющих сил………………………...……………..63
4.7 Расчет удельных замедляющих сил при служебном торможении….....63
4.8 Построение кривых времени и скорости………………….…………….64
4.8.1 Построение кривой скорости V(S)..........................................................64
4.8.2 Построение кривой времени…………………………………….……..69
4.9 Определение общего и удельного расхода электроэнергии на тягу
поездов………………………………………………………………….…...…69
5. Сравнительный анализ расхода электроэнергии электровозов с коллекторными и бесколлекторными тяговыми двигателями……………...…..76
6. Экономическая часть………………………………………………………81
6.1 Оценка экономической эффективности от использования бесколлекторного тягового двигателя на электровозе ЭП10……………...…….81
6.2 Определение общего пробега всех электровозов за год………………..82
6.3 Определение числа локомотивов по видам ремонта в депо за год……82
6.4 Определение процента электровозов в деповских видах ремонта….…84
6.5 Расчет экономического эффекта……………………………………..…..85
7. Разработка мероприятий по улучшению условий и охраны труда на рабочем месте работников локомотивных бригад……………………………….89
7.1 Обоснование мероприятий, направленных на обеспечение гигиенической безвредности условий труда ………………………………..……89
7.2 Обоснование мероприятий, направленных на обеспечение эпидемиологической безопасности условий труда за счет внедрения установок обеззараживания воздуха в подвижном составе железнодорожного транспорта…………………………………………………………………………..91
7.3 Определение и анализ распространения биологического загрязнения воздуха рабочей зоны в кабине локомотива……………………………………...92
7.4 Обоснование выбора безопасных ультрафиолетовых излучателей для обеззараживания воздуха рабочей зоны в кабинах локомотива………………...97
Заключение………………………………………………………………....105
Список использованных источников………………………………….……107

Весь текст будет доступен после покупки

Развитие конструкции тяговых двигателей тесно связано с совершенствованием конструкции систем управления ими. Исторически подвижной состав всех видов электрического транспорта строился с коллекторными тяговыми двигателями. Это объясняется, в первую очередь, простотой передачи энергии и управления режимами работы двигателя. Коллекторные двигатели постоянного и пульсирующего тока обладают удобными для использования на транспорте электромеханическими характеристиками.
Однако, к концу 70-х гг. был практически исчерпан резерв повышения мощности коллекторных тяговых двигателей магистральных электровозов. В то же время необходимость повышения веса грузовых поездов с целью увеличения провозной способности электрифицированных железных дорог и скорости пассажирских поездов требовала дальнейшего роста мощности электровозов.
Второй причиной, заставившей искать принципиально новые решения при создании электровозов, была необходимость снижения себестоимости перевозок, и, в первую очередь, за счет снижения трудоемкости обслуживания и ремонта.
Увеличить массу поезда можно было за счет применения кратной тяги с использованием системы многих единиц или за счет увеличения числа тяговых осей электровоза. В соответствии с этим были созданы электровозы, которые могли работать по системе многих единиц (ВЛ80С переменного тока ВЛ11М постоянного тока), и двенадцатиосные электровозы (ВЛ85 переменного тока и ВЛ15 постоянного тока). Однако техническое обслуживание этих электровозов, имеющих коллекторные тяговые двигатели, обходилось дорого и требовало больших затрат ручного, не поддающегося автоматизации труда для обслуживания щеточно-коллекторного узла.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Преимущества и недостатки тягового электропривода с коллекторными и бесколлекторными тяговыми двигателями
В качестве тяговых двигателей на электроподвижном составе в РФ и за рубежом применялись и применяются коллекторные двигатели постоянного или пульсирующего тока. Такие тяговые двигатели (ТД) обладают определенными положительными качествами. Одновременно они имеют и ряд недостатков. Эти недостатки заключаются в сравнительно невысокой надежности коллекторно - щеточного аппарата; ограниченной по условиям коммутации и механической прочности мощностью в отведенных габаритах; высоких расходах на техническое обслуживание в условиях эксплуатации и ремонта; повышенной массе двигателя при сравнительно низких значениях вращающего момента, что ограничивает использование опорно-осевого подвешивания двигателя в условиях жесткого пути; повышенном расходе цветного металла и активных материалов; сравнительно невысокой реализации сцепного массы локомотива.
Устранение указанных недостатков, снятие ограничений по мощности, обеспечение предельно высокого использования сцепления колеса с рельсом могут быть достигнуты переходом на бесколлекторные, в частности, асинхронные тяговые двигатели (АТД).
Сравнительный анализ коллекторных и асинхронных тяговых двигателей для диапазона мощностей от 100 до 1500 кВт, выполненный фирмой ВВС (Швейцария) по ряду показателей, позволил выявить следующее:
- тангенциальная сила, отнесенная к единице площади поверхности ротора, для АТД в 1,5-2 раза больше, чем для коллекторных тяговых двигателей, и достигает 5 Н/см2;
- мощность, отнесенная к единице площади поверхности ротора, для АТД в 2 раза больше и достигает 0,25-0,3 кВт/см2;
- линейная скорость ротора АТД может достигать 80-90 м/с, что превышает допустимые значения линейной скорости для коллекторных машин;
- при сохранении частоты вращения ротора АТД на уровне частоты вращения якоря коллекторного двигателя возможно увеличение момента АТД приблизительно на 50%;
- по удельной мощности АТД в 2-2,5 раза превосходит коллекторные тяговые двигатели, а его КПД на 1,5-2% выше КПД коллекторных.
Поэтому не случайно первое применение асинхронных двигателей для целей тяги относится к 90-м гг. XIX века. Однако отсутствие до последнего времени устройств, обеспечивающих экономичное регулирование режимов работы асинхронных двигателей, не давало возможности для их широкого применения на железнодорожном транспорте в качестве тяговых.
Основным недостатком асинхронных тяговых двигателей (АТД) по сравнению с синхронными (СТД) является то, что они работают с невысоким коэффициентом мощности. Машинная коммутация СТД позволяет снизить массу преобразователей и отмечается как достоинство СТД. Отечественный и зарубежный опыт показал, что целесообразно в конкретных случаях решать вопрос - какой из этих двух бесколлекторных двигателей выгодней применять для тягового электропривода.
Если рассматривать в отдельности только двигатели, то преимущества АТД перед СТД являются очевидными. Сторонники развития этого направления отмечают следующие его достоинства:
1. Простота и надежность конструкции, позволяющей вписать тяговый двигатель увеличенной мощности в заданные габариты. В электрической машине лимитирующим узлом обычно является ротор, на конструкцию которого наложены ограничения, связанные с механической прочностью и отводом тепла. Механическая прочность короткозамкнутого ротора АТД выше по сравнению с СТД, особенно если последний имеет конструкцию с явно выраженными полюсами на роторе.
Масса обмотки ротора СТД примерно в 2-2,5 раза больше, чем масса обмотки ротора АТД. Для АТД ограничение максимальной частоты связано не с прочностью самого ротора, а с допустимой частотой вращения моторно¬якорных подшипников. Масса ротора СТД существенно больше массы ротора АТД за счет тяжелых конструктивных элементов, обеспечивающих требуемую прочность. Поэтому масса СТД при одинаковых внешних радиальном и осевом размерах больше массы АТД.
Тепло, выделяемое в роторе, связано с суммарными ампер-витками. Отвод тепла лучше у асинхронных двигателей, поскольку ротор не требует изоляции.
2 . Более высокий момент АТД при одинаковых габаритах с СТД.
3 . Меньшая на 30-40% трудоемкость производства АТД по сравнению с СТД. Немаловажное обстоятельство - экономия меди на изготовление АТД при одинаковых моменте и мощности.
4 . Наличие щеточного аппарата с кольцами у СТД требует периодического осмотра и ремонта.
Дополнительным импульсом для широкого применения асинхронных тяговых двигателей на магистральном ЭПС явилось создание и освоение промышленного выпуска мощных полностью управляемых тиристоров (GTO - тиристоров). Это позволило практически в два раза уменьшить объем и массу статического преобразователя, упростить силовую схему и систему управления по сравнению с преобразователями на традиционных тиристорах.

Весь текст будет доступен после покупки

1 .Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. - М.: Транспорт, 1983. - 347 с.
2.Феоктистов В.П., Сидорова Н.Н. Система энергетических показателей для электроподвижного состава и их практическое использование при решении задач по энергосбережению.// Тез. докл. науч.-пр. конф. «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте».М., 1988. - C.III-7.
3 .Бакланов А.А. Анализ энергетики электровоза// Тез. докл. VI междунар, науч.-техн. конф. «Проблемы развития локомотивостроения», М., МНИТ, 1996-С.111-112
4 .Сидорова Н.Н., Феоктистов В.П. Энергетические показатели для сравнительной оценки электровозов в эксплуатации.//Тез. докл. 2-й науч.-пр. конф. «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте». Кн.1, МИИТ , М., 1999. -C.IV 13- IV 14.
5 .Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985.- 287 с.

Весь текст будет доступен после покупки