Вибір основного електрообладнання і мережі електропостачання пасажирського вагона

1
.
Характеристика електрообладнання пасажирського вагона

1.1 Система електрозабезпечення пасажирського вагона

Системи електрозабезпечення пасажирських вагонів залежно від розташування джерел електричної енергії та їх використання розподіляються на основні групи: системи автономного та централізованого електрозабезпечення. Застосування тієї чи іншої системи обумовлене споживанням енергії в пасажирських вагонах та швидкістю їх руху. Значення сумарної потужності, яке припадає на один вагон при наявності на ньому різних електричних споживачів, таке: мережа освітлення, електропобутові прилади, ланцюги сигналізації та управління 2,5 – 4 кВт; мережа освітлення, електропобутові прилади, електрокип'ятильник, ланцюги сигналізації та управління; система примусової вентиляції 6,5 – 10 кВт; мережа освітлення, електропобутові прилади, електрокип'ятильник, ланцюги сигналізації та управління; система примусової вентиляції і установка для охолодження повітря 20 – 30 кВт; мережа освітлення, електропобутові прилади, електрокип'ятильник, ланцюги сигналізації та управління, система примусової вентиляції, установка для охолодження повітря та електричне опалення 30 – 50 кВт.

Отже по мірі оснащення пасажирських вагонів різним електрообладнанням значно збільшується потужність електричних споживачів вагона, що потребує відповідного збільшення потужності системи електрозабезпечення.

У пасажирському вагоні із системою автономного електрозабезпечення є власні джерела електричної енергії (генератор і акумуляторна батарея), які забезпечують живлення споживачів електроенергією при русі та на стоянках, генератор приводиться в обертання від осі колісної пари вагона за допомогою спеціального приводу. При русі поїзда обертання передається від колісної пари генератору, який виробляє електричну енергію. У вагонах без кондиціювання повітря потужність генератора звичайно не перевищує 10 кВт, а у вагонах з кондиціюванням вона досягає 20 - 30 кВт.

Існують різні варіанти розглянутої системи з генератором постійного і змінного струмів різної потужності: з генератором постійного струму з паралельним і змішаним збудженням та з індукторним генератором змінного струму і напівпровідниковим випрямлячем.

Якрезервне і аварійне джерело енергії використовується акумуляторна батарея, яка живить основні споживачі вагона при непрацюючому генераторі (при його несправності, на стоянці, а також при невеликій швидкості руху поїзда).

Крім того, акумуляторна батарея сприймає піки навантаження, які виникають при одночасному включенні декількох споживачів великої потужності, пуску електричних двигунів, короткочасних перевантаженнях та ін. Це дозволяє зменшити необхідну потужність генератора, а отже, його габаритні розміри та масу. Основною перевагою системи електрозабезпечення з приводом генератора від осі колісної пари є те, що живлення електричних споживачів у кожному вагоні не залежить від зовнішніх джерел електричної енергії. Внаслідок цього забезпечується висока експлуатаційна маневреність пасажирських вагонів (можливість передачі вагонів з одного поїзда в інший та їх відчеплення від локомотива і від поїзда без порушення нормального електрозабезпечення інших вагонів, легкість переформування поїздів). Автономна система електрозабезпечення забезпечує також резервування електрозабезпечення. У випадку виходу з ладу власного генератора електричну мережу вагона можна підключити до мережі сусіднього вагона.

Проте індивідуальна система має суттєві недоліки. Головні з них: велика маса і недостатня надійність електрообладнання, зумовлена наявністю колекторних електричних машин постійного струму, підвищені експлуатаційні витрати на утримання та ремонт електрообладнання.

Підвищення встановленої потужності електрообладнання від з 3 - 4 кВт до 60 - 70 кВт на сучасних вагонах привело до того, що індивідуальні генератори не в змозі забезпечити електроенергією всіх споживачів вагона. При цьому, поряд з удосконаленням індивідуальної системи електропостачання все ширше починає застосовуватись централізована та Централізована система електропостачання передбачає живлення споживачів електроенергії всіх вагонів поїзда від одного або декількох джерел електроенергії, розташованих у спеціальному вагоні-електростанції або на локомотиві.

На електрифікованих залізницях електроенергія може бути отримана безпосередньо з контактної мережі або від електровоза. При русі поїзда не електрифікованими дільницями електроенергію вагони отримують від тепловоза або вагона-електростанції.

Централізоване електрозабезпечення дозволяє виконати систему на змінному струмі напругою 380 В. Електрообладнання змінного струму працює більш надійно, воно легше, менше за габаритами та дешевше, особливо електрообладнання трифазного змінного струму. Акумуляторні батареї можуть бути вибрані меншої ємності, оскільки вони забезпечують електроенергією споживачів вагона тільки на час зміни локомотива, що відбувається не часто і потребує не більше 10 - 15 хв.

Централізована система електрозабезпечення пасажирських вагонів має такі типові схеми:

а) джерело трифазного змінного струму частотою 50 Гц стандартної напруги знаходиться на локомотиві або в спеціальному вагоні-електростанції.

Електроенергія у вагони передається по трифазній вагонній магістралі. Недоліком цієї системи є підвищена витрата міді на прокладку підвагонної магістралі, оскільки номінальна напруга в мережі в цьому випадку відносно невисока (220/380В), що пов'язане із застосуванням стандартного електрообладнання;

б) джерело постійного або однофазного змінного струму напругою 3000 В - напруга контактної мережі електрифікованих залізниць постійного струму. Напруга 3000 В змінного струму також може бути порівняно просто отримана на електровозах змінного струму.

У цій системі електроенергія передається у вагони високовольтною магістраллю. Оскільки освітлення, побутові прилади, апарати управління не можуть бути високовольтними, то вагони обладнуються й індивідуальними перетворювачами.

При допомозі перетворювачів, встановлених на вагонах, високовольтний або однофазний струм перетворюється у трифазний частотою 50 Гц стандартної напруги. Якщо після перетворювача встановити випрямляючий пристрій, то в мережу електрообладнання вагона буде подана напруга постійного струму.

Наявність на кожному вагоні відносно складного одного або декількох перетворювачів є недоліком системи;

в) на локомотивах знаходиться два джерела постійного або змінного струму напругою 3000 В і трифазного змінного струму частотою 50 Гц стандартної напруги.

Електроенергія передається у вагони двома підвагонними магістралями - високовольтною для живлення приладів опалення і низьковольтною - для живлення іншого обладнання. Недоліком системи є наявність двох підвагонних магістралей.

Централізована система електрозабезпечення пасажирських вагонів більш економічна, ніж індивідуальна.

Найбільш розповсюджена на залізницях система першого виконання.

Змішана система електрозабезпечення знаходить у даний час все більше застосування. При цьому пасажирський вагон має як високовольтну магістраль, так і індивідуальний генератор. Енергоємне обладнання - прилади електроопалення - отримують живлення від магістралі, інше низьковольтне електрообладнання - від генератора.

1.2 Освітлення пасажирського вагона

Для освітлення вагонів застосовують як лампи розжарювання, так і люмінесцентні.

Порівняно з лампами розжарювання застосування люмінесцентних ламп дозволяє забезпечити більш високий рівень освітлення приміщення вагона, оскільки вони мають більшу світловіддачу.

У деяких найбільш комфортабельних вагонах люмінесцентні лампи практично витіснили лампи розжарювання.

Досвід експлуатації дозволив намітити найбільш раціональну схему освітлення пасажирських вагонів. Для освітлення службових і пасажирських приміщень (купе, салони, відділення) застосовується люмінесцентне освітлення. Інші приміщення вагона (тамбури, вбиральні, коридори, котельне відділення та інші) освітлюються лампами розжарювання.

Лампи розжарювання однаково добре експлуатуються як на постійному, так і на змінному струмі. Люмінесцентні лампи експлуатуються більш надійно і економічно при живленні їх змінним струмом підвищеної частоти. З цієї причини вони живляться від перетворювача. На зарубіжних вагонах, поставлених по імпорту, у світильники вмонтовані напівпровідникові перетворювачі.

Поряд з основним освітленням приміщень вагонів застосовується аварійне освітлення лампами розжарювання, які розташовуються в тих же світильниках, що і лампи основного освітлення. При виході з ладу основного освітлення автоматично включається аварійне.

Для підвищення комфортабельності у вагонах передбачено нічне освітлення. Воно забезпечується спеціальними синіми лампами розжарювання, вмонтованими в світильники з люмінесцентними лампами і лампами аварійного освітлення. В останньому випадку дві лампи розжарювання включаються послідовно. Лампи горять при цьому на половину розжарення, не заважають сну пасажирів і в той же час забезпечують мінімальний рівень освітленості.

У пасажирських вагонах застосовується також місцеве освітлення. Це настінні і настільні світильники - софіти. Місцеве освітлення допомагає більш рівномірно освітлювати пасажирські приміщення, підвищує комфорт.

1.3 Вентиляція пасажирського вагона

Усі суцільнометалеві вагони мають припливну примусову вентиляцію. Зовнішнє повітря при цьому перед тим, як буде подано у вагон, очищається від пилу і підігрівається або охолоджується залежно від пори року. Тільки одна природна вентиляція на даний час не застосовується, оскільки вона не задовольняє вимогам санітарно-гігієнічних норм.

Зовнішнє повітря нагнітається у вагон за допомогою відцентрових вентиляторів, які приводяться в обертання електродвигуном. Відцентрові вентилятори при меншій власній масі та менших розмірах порівняно з вентиляторами інших типів дозволяють отримати потрібний напір. Вентиляційний агрегат знаходиться в тамбурі котлового кінця вагона між стелею і дахом вагона. Оскільки це приміщення має невеликі розміри, розмістити один вентилятор необхідної продуктивності не представляється можливим. Вентиляційний агрегат, як правило, складається з двох спарених відцентрових вентиляторів, ротори яких при допомозі муфт приєднуються до двох кінців вала електродвигуна. Для того щоб мати можливість

регулювати продуктивність вентиляторів з двигунами трифазного змінного струму, вони вибираються багатошвидкісними.

Від вентиляторів повітря по повітропроводу подається у вагон. Повітропровід розташований між дахом і стелею вагона і проходить по всій

його довжині. Якщо вагон має водяне або електроводяне опалення, то на початку повітропроводу розташовується водяний калорифер. У вагонах повітроохолоджувач.

Залежно від пори року функції вентиляторів змінюються. В зимовий період в експлуатації вагона це будуть вентилятори повітропідігрівача (калорифера), а в літній - вентилятори повітроохолоджувача, якщо вагон має установку для кондиціювання повітря. Якщо вагон не має системи кондиціювання повітря, то вентилятори виконують функції вентиляторів нагнітальної вентиляції вагона.

1.4 Опалення пасажирського вагона

Опалювальне обладнання вагона призначене для компенсації втрат тепла, які виникають через різницю температур між холодним зовнішнім повітрям і повітрям всередині вагона, а також для підігріву холодного зовнішнього повітря, що подається у вагон системою вентиляції.

Найбільше розповсюдження отримала конвекційно-циркуляційна система опалення вагонів. При цій системі зовнішнє повітря підігрівається калорифером до температури, що дорівнює температурі всередині вагона і подається у вагон підігрітим. Втрати тепла через стінки вагона, на інфільтрацію та інші втрати компенсуються нагрівальними елементами печей, розташованих всередині вагона.

Широко використовується система індивідуального водяного опалення. Вагон має котел, який працює на твердому паливі. Вода, нагріта в котлі, по трубах надходить в калорифер і прилади опалення, розташовані у вагоні вздовж бокових його стін. Циркуляція води може бути самопливна, частіше примусова. В останньому випадку для циркуляції води у вагоні знаходиться циркуляційний насос з електродвигуном. Індивідуальна система однаково працює як при русі вагона, так і на стоянках, у тому числі й тривалих, якщо вагон відчеплений. Невисока температура труб та приладів опалення виключає підгоряння пилу, появу неприємного запаху. Висока теплоємність води при припиненні топки котла, наприклад, при його ремонті, забезпечує повільне зниження температури всередині вагона. Система індивідуального водяного опалення проста, безпечна і надійна в роботі.

Недоліком цієї системи є необхідність мати паливо у вагоні. Для періодичного його поповнення необхідна організація баз забезпечення

вагонів паливом на шляху прямування. Маса системи водяного опалення відносно велика. Це заважає зниженню тари всього вагона. Складним завданням є автоматизація цієї системи опалення.

Електроводяне опалення. При цій системі вода в котлі нагрівається високовольтними електронагрівальними елементами, які вмонтовані у водяну сорочку котла. При відсутності джерела електроенергії котел працює на твердому паливі. Електроводяне опалення вагонів універсальне. Вагони з цією системою опалення можуть експлуатуватися як на електрифікованих, так і на не електрифікованих залізницях. На даний час практично всі вагони обладнуються комбінованими котлами, тобто системою електроводяного опалення.

Широке застосування знайшло електричне опалення пасажирських і вантажних вагонів, вагонів приміських електропоїздів.

Порівняно з індивідуальним водяним і електроводяним електричне опалення простіше в обслуговуванні, легко автоматизується, маса приладів електричного опалення менша. При електричному опаленні виключається важка праця провідників вагона, покращуються санітарні умови, звільняється котлове приміщення, зменшується тара вагона.

Прилади електричного опалення, проте, є найбільш енергоємними споживачами вагона, їхня потужність досягає 50 кВт. Тому електрична система опалення застосовується лише при централізованому електрозабезпеченні вагона. При цьому прилади електричного опалення можуть отримувати електроенергію таким чином:

а) на залізницях, електрифікованих на постійному струмі, безпосередньовід контактної мережі через пантограф електровоза;

б) на залізницях, електрифікованих на змінному струмі, від спеціальноїобмотки тягового трансформатора електровоза напругою 3000 В;

в) від генератора, який встановлений на тепловозі;

г) від дизель-генераторів, які встановлені в спеціальному вагоні - електростанції.

Суттєвим недоліком електричного опалення є підвищена електробезпека. Високовольтні електричні печі розподіляються по всіх приміщеннях вагона, і доступ до них пасажирів не виключений.

1.5 Системи кондиціювання повітря пасажирського вагона

Значна частина сучасних пасажирських вагонів має систему кондиціювання повітря. Кондиціювання повітря - це комплекс заходів, які включають вентиляцію опалення вагона, підігрів подаваємого у вагон повітря в літню пору експлуатації. У ряді випадків проводиться додаткове осушення або зволоження повітря. Мета цих заходів - створення всередині вагона заданого мікроклімату.

Для охолодження повітря у вагонах застосовують компресорні холодильні установки з електроприводом, холодоагентом, в яких є хладон.

Холодильна установка складається з компресора, конденсатора, випарника, терморегулюючого вентиля, вентиляторів конденсатора та випарника.

Повітря вентилятором системи вентиляції вагона подається в повітропровід. Між вентилятором і повітропроводом розташовані випарник (повітроохолоджувач), краплевідділювач та калорифер (водяний при водяному і електричний при електричному опаленні вагона).

Близько 75 % повітря, яке надійшло в повітропровід, забирається із вагона через рециркуляційний канал, забірна решітка якого знаходиться в системі коридору. Інша частина повітря - зовнішнє повітря.

Рідкий фреон надходить у випарник (повітроохолоджувач), кипить при температурі - 30°С і відбирає тепло від продуваємого вентилятором повітря. Випарник представляє собою батарею, конструктивно виконану із ребристих мідних або стальних оцинкованих труб. Повітря, яке подається у вагон, охолоджується. Пари фреону відсмоктуються компресором, який приводиться в обертання електродвигуном, стискуються і нагнітаються в конденсатор. Тут вони конденсуються за рахунок охолодження їх повітрям, яке продувається через батарею конденсатора вентилятором. Рідкий фреон збирається в рейдері і по трубопроводу надходить у фільтро-сушильний апарат. Далі він направляється в повітроохолоджувач через дросельне обладнання, яке зменшує тиск фреону до тиску випаровування. Далі цикл роботи холодильної установки повторюється.

У повітроохолоджувачі разом з охолодженням відбувається і осушування повітря за рахунок конденсації парів вологи, які утримуються в теплому повітрі, при його контакті з холодними трубами та ребрами. Потраплянню крапель води в повітропровід запобігає краплевідділювач.

Повітроохолоджувач, як сказано вище, розміщується в повітропроводі в проміжку між дахом і стелею котлового кінця вагона Компресорний і конденсаторний агрегати розміщаються під вагоном. Усі агрегати функціонально зв'язані в загальну систему, режим якої задається, як правило, вручну. Керування холодильною системою в заданому режимі здійснюється системою автоматики і контролюється за допомогою датчиків температури, які встановлені в різних частинах вагона.

2
.
Визначення потужності основних споживачів електроенергії пасажирського вагона

2.1 Визначення потужності і вибір електродвигуна

У пасажирських вагонах застосовується велика кількість різних механізмів з електричним приводом. У вагонах без кондиціювання повітря використовують електродвигуни для приводу вентиляторів, циркуляційних насосів опалення, водяного насоса калорифера, компресора холодильної шафи, перетворювачів для люмінесцентного освітлення та електропостачання змінним струмом радіовузла. У вагонах з кондиціюванням повітря використовуються також електродвигуни компресора і вентилятора конденсатора.

Потужність електродвигуна (кВт) для приводу вентилятора системи вентиляції вагона визначається з формули:

, (2.1)

де – коефіцієнт запасу потужності (приймається = 1,15…1,5);

– розрахункова подача (продуктивність) вентилятора, м3
/с;

– сумарний напір вентилятора, м;

–
К.К.Д. вентилятора (приймається
= 0,6… 0,8).

Продуктивність вентилятора не задана, її слід визначити.

Продуктивність вентилятора системи вентиляції вагона (м3
/с) в літній період:

, (2.2)

де – розрахункова норма подачі зовнішнього повітря на одного пасажира в літній період м3
/с;

– коефіцієнт рециркуляції вентиляційного повітря (= 0,25);

– розрахункове число пасажирів у вагоні.

м3
/с,

кВт.

Вибираємо електродвигун (за потужністю):

двигун 2ПН112L,технічні характеристики приведені в таблиці 2.1

номінальний струм знаходимо за формулою:

, (2.3)

А
.

Потужність електродвигуна для вентилятора конденсатора установки кондиціювання повітря визначається з формули:

; (2.4)

де – К.К.Д. вентилятора конденсатора (приймається =
0,4…0,5 ),

кВт.

Вибираємо електродвигун (за потужністю):

двигун 2ПН112L,технічні характеристики приведені в таблиці 2.1

номінальний струм знаходимо за формулою 2.3:

А
.

При водяному опаленні визначаємо потужність електродвигуна циркуляційного насоса системи опалення:

(2.5)

де – К.К.Д. насоса (приймається =
0,4…0,6 ),

– коефіцієнт запасу потужності (приймається = 1,1…1,3),

кВт.

Вибираємо електродвигун (за потужністю):

двигун 2ПН90L,технічні характеристики приведені в таблиці 2.1

номінальний струм знаходимо за формулою 2.3:

А
.

Визначаємо потужність електродвигуна компресора установки кондиціювання повітря.Розрахункова потужність (кВт) електродвигуна компресора визначається за формулою:

, (2.6)

де –
коефіцієнт, який враховує частковий характер роботи компресора (для електродвигуна компресора пасажирського вагона приймається=0,35… 0,5);

– загальний (повний) тепловий потік, який повинен бути відведенийповітроохолоджувачем, Вт.

Загальний (повний) тепловий потік складається із шести теплових потоків:

а) тепловий потік, який надходить через поверхню кузова вагона, Вт

, (2.7)

де =
270,5 м2
;

–розрахункова температура зовнішнього повітря влітку, °С; – розрахункова температура усередині вагона влітку, °С;

–
середній коефіцієнт теплопередачі поверхні вагона,

;

Вт,

б) тепловий потік від інфільтрації для літнього періоду експлуатації, Вт:

, (2.8)

Вт,

в) тепловий потік, принесений зовнішнім повітрям при вентиляції вагона:

, (2.9)

де – розрахункова норма подачі зовнішнього повітря на одного пасажира в літній період, м3
/с.

– теплоємність повітря,

,

Вт,

г) тепловий потік за рахунок сонячної радіації, Вт

, (2.10)

де –розрахункова поверхня кузова вагона, яка опромінюється сонцем, м2
,(приймається = (0,3…0,4) );

– розрахункова (максимальна) температура поверхні кузова вагона(приймається = 50 °С);

–тривалість сонячного опромінювання вагона протягом доби, год.;

Вт,

д) тепловий потік, що виділяється пасажирами вагона, Вт,

, (2.11)

де – потужність теплового потоку, що виділяється одним пасажиром, Вт,

Вт,

е) тепловий потік від роботи електродвигунів, які розташовані усередині вагона, освітлювальних та інших електроприладів, Вт

Вт,

Загальний (повний) тепловий потік у вагон:

(2.12)

Вт,

кВт.

Вибираємо електродвигун (за потужністю):

двигун 2ПН160L,технічні характеристики приведені в таблиці 2.1

номінальний струм знаходимо за формулою 2.3:

А
.

Таблиця 2.1 – Технічні характеристики електродвигунів

2.2 Визначення потужності електричних пристроїв опалення

Для розрахункового режиму роботи опалювальних пристроїв пасажирського вагона береться зимовий період експлуатації.

На пасажирських вагонах застосовуються в основному системи індивідуального водяного опалення з водонагрівним котлом, на твердому

паливі і системи водяного опалення з комбінованим електровугільним котлом.

У пасажирських вагонах з кондиціюванням повітря поряд з основною водяною системою опалення з комбінованим електровугільним котлом використовується і електрична, як допоміжна при низьких зовнішніх температурах в перехідні періоди року (весна, осінь).

При конвекційно-циркуляційній системі опалення потужність нагрівальних елементів (кВт) калорифера визначається з формули

; (2.13)

де – об'єм зовнішнього повітря, яке подається в вагон, м3
/с;

-
розрахункова норма подачі зовнішнього повітря на одного пасажира в літній період, м3
/с;

– теплоємність повітря;

– температура повітря усередині вагона в розрахунковий (зимовий)період, °С;

–
температура зовнішнього повітря в зимовий період, °С.

У нашому випадку, при водяному опаленні, розраховуємо потужність нагрівальних елементів калорифера:

кВт.

Так, як система опалення водяна потужність нагрівальних елементів не розраховуємо.

2.3 Визначення потужності освітлювального навантаження

Для визначення потужності освітлювального навантаження використовується метод питомої встановленої потужності на одиницю площі. Цей метод достатньо простий, має необхідну точність і знайшов широке застосування на практиці. Цей метод передбачає спочатку визначення потужності освітлювального навантаження для кожного приміщення вагона окремо, а потім сумарну для всього вагона. Окремо визначається потужність ламп люмінесцентного освітлення і потужність ламп розжарювання. Це необхідно для визначення потужності перетворювача люмінесцентного освітлення, а також для вибору дротів, захисних і комутаційних апаратів.

Потужність освітлювального навантаження для кожного з приміщень вагона обирають за формулою, Вт: