Разработка и расчет энергосилового оборудования пассажирского вагона

Исходные данные:

Тип вагона — купейный с кондиционированием воздуха, 36 пассажиров;

Система электроснабжения — автономная;

Род тока подвагонной магистрали — постоянный, 3000;

Род тока электрической сети вагона — постоянный;

Номинальное напряжение — 220 В;

Материал проводов подвагонной магистрали — медь;

Отопление — водяное;

Продолжительность солнечного облучения в течение суток — 12 часов;

Количество свежего воздуха подаваемого в на 1 пассажира — 9· 10−3 м3/с;

Температура внутри вагона в летний период — 23 0С;

Температура внутри вагона в зимний период — 21 0С;

Температура снаружи вагона в летний период — 40 0С;

Температура снаружи вагона в зимний период — -42 0С;

Количество тепла, выделяемого одним пассажиром — 120 Дж/с;

Подача насоса отопления — 3,7· 10−3 м3/с;

Подача вентилятора конденсатора — 4,6 м3/с;

Напор насоса отопления — 4,8 м;

Напор вентилятора охладителя — 60· 10−3 м;

Напор вентилятора конденсатора — 11· 10−3 м.

• Введение
• 1. Краткая характеристика электрооборудования пассажирского вагона
• 1.1 Системы электроснабжения вагона
• 1.2 Освещение вагона
• 1.3 Вентиляция и кондиционирование вагона
• 1.4 Отопление вагона
• 1.5 Системы охлаждения воздуха
• 1.6 Расположение электрооборудования на вагоне
• 2. Расчет мощности основных электропотребителей
• 2.1 Расчет системы вентиляции вагона
• 2.2 Расчет системы отопления
• 2.3 Расчет системы охлаждения воздуха в вагоне
• 2.4 Выбор электродвигателей
• 3. Освещение вагонов
• 3.1 Расчет люминесцентного освещения
• 3.2 Расчет осветительной нагрузки
• 3.3 Определение расчетных нагрузок
• 3.4 Определение пиковых токов
• 3.5 Определение мощности источника электроэнергии вагона
• 4. Выбор сечения проводов и жил кабелей
• 5. Выбор защитной и коммутационной аппаратуры
• 5.1 Предохранители
• 5.2 Автоматические выключатели
• 5.3 Контакторы
• Список использованной литературы

В настоящее время широко распространено применение кондиционирования воздуха, электрического отопления, люминесцентного освещения и автоматической вентиляции. Это привело к значительному усложнению электрического оборудования пассажирских вагонов.

Современный пассажирский вагон представляет собой весьма сложный агрегат с разнообразным электрооборудованием, большим числом аппаратов и приборов, значительной длиной распределительных электрических сетей. Общая мощность системы электроснабжения вагона колеблется от 4,5 до 50кВт, напряжение — от 50 В до 3000 В постоянного или однофазного переменного тока. Это сложное электрооборудование должно надежно и безотказно работать, обеспечивая пассажирам безопасность, комфорт и удобства.

Работа вагонного электрооборудования имеет ряд характерных особенностей. Она проходит в условиях вибрации, изменяющейся по величине и времени при изменении скорости движения поезда от 0 до 160км/ч. Часто это оборудование работает в резко переменном температурном режиме, при воздействии атмосферных осадков, пыли, потока воздуха (подвагонное оборудование), конденсата и влаги.

Из-за большой стесненности и ограничения возможности удобного расположения осмотр аппаратуры и машин значительно затруднен; кроме того, вагоны обычно эксплуатируются вдали от ремонтных баз, но в то же время от электрооборудования требуется повышенная надежность и безопасность работы.

На железных дорогах России эксплуатируются пассажирские вагоны, построенные на отечественных и зарубежных заводах.

Хотя принципиально схемы электрооборудования однотипных вагонов этих заводов не отличаются между собой, их конструктивное исполнение и применяемое оборудование различны. Отдельные узлы, машины, аппараты и даже провода изготавливаются по стандартам соответствующих стран и имеют свои особенности.

На сети российских железных дорог эксплуатируются следующие основные типы пассажирских вагонов:

некупированные (открытые) вагоны Рижского вагоностроительного завода, оборудованные системой электроснабжения ЭВ 10.02;

некупированные (открытые) вагоны Тверского вагоностроительного завода, оборудованные системой электроснабжения ЭВ 10.01;

некупированные вагоны межобластного сообщения;

купированные вагоны без кондиционирования воздуха;

купированные вагоны с кондиционированием воздуха.

Электрические схемы вагонов представляют собою определенные комбинации включения источников электроэнергии с потребителями, которыми являются:

электродвигатели систем вентиляции, кондиционирования, отопления и водоснабжения;

электронагревательные приборы;

сеть освещения;

аппаратура управления указанных групп потребителей.

В вагонах без кондиционирования воздуха обычно имеются электродвигатели для привода вентилятора, циркуляционного насоса отопления, водяного насоса калорифера, компрессора холодильного шкафа, преобразователя люминесцентного освещения, преобразователя для электроснабжения переменным током радиоузла.

На вагонах с кондиционированием воздуха имеются также электродвигатели компрессора и вентилятора конденсатора.

Таким образом, электрооборудование вагона — это достаточно сложная система. Отчетливое представление о работе, и тем более расчете и выборе ее отдельных элементов, возможно только в результате изучения большого объема специальной литературы, как по общетехническим вопросам, так и по специфике выбора и расчета электрооборудования.

электроснабжение пассажирский вагон

1. Краткая характеристика электрооборудования пассажирского вагона

На железных дорогах России большая часть пассажирских вагонов имеет собственные источники электрической энергии: генератор и аккумуляторную батарею. В последние годы в связи с ростом мощности установленного в вагонах электрооборудования более широко стало применяться централизованное электроснабжение.

1.1 Системы электроснабжения вагона

Существующие системы электроснабжения пассажирских вагонов в зависимости от расположения источников электрической энергии и их использования делятся на основные группы: системы автономного и централизованного электроснабжения. Применение той или иной системы обусловлено потреблением энергии в пассажирских вагонах и скоростью их движения. Значения суммарной мощности, приходящейся на один вагон при наличии на нем различных электрических потребителей, следующие:

— сеть освещения, электробытовые приборы, цепи сигнализации и управления 2,5 — 4кВт;

— сеть освещения, электробытовые приборы, электрокипятильник, цепи сигнализации и управления, система принудительной вентиляции 6,5 — 10кВт;

— сеть освещения, электробытовые приборы, электрокипятильник, цепи сигнализации и управления, система принудительной вентиляции и установка для охлаждения воздуха 20 — 30кВт;

— сеть освещения, электробытовые приборы, электрокипятильник, цепи сигнализации и управления, система принудительной вентиляции, установка для охлаждения воздуха и электрическое отопление 30−50кВт.

Следовательно, по мере оснащения пассажирских вагонов различным электрооборудованием значительно возрастает мощность электрических потребителей вагона, что требует соответственного увеличения мощности системы электроснабжения.

В пассажирском вагоне с системой автономного электроснабжения (рис. 1) имеются собственные источники электрической энергии (генератор и аккумуляторная батарея), обеспечивающие питание потребителей электроэнергии при движении и на стоянках, генератор приводится во вращение от оси колесной пары вагона с помощью специального привода.

При движении поезда кинетическая энергия передается от колесной пары генератору, который вырабатывает электрическую энергию. В вагонах без кондиционирования воздуха мощность генератора обычно не превышает 10кВт, а в вагонах с кондиционированием она достигает 20−30кВт.

Рис. 1 Принципиальная схема автономной системы электроснабжения

Существуют различные варианты рассматриваемой системы с генераторами постоянного и переменного токов разной мощности:

— с генератором постоянного тока с параллельным или смешанным возбуждением;

— с индукторным генератором переменного тока и полупроводниковым выпрямителем.

Как резервный и аварийный источник энергии используется аккумуляторная батарея, которая питает основные потребители вагона при неработающем генераторе (при его неисправности, а также на стоянке и при малой скорости движения поезда). Кроме того, аккумуляторная батарея воспринимает пики нагрузки, возникающие при одновременном включении нескольких потребителей большой мощности, пуске электрических двигателей, кратковременных перегрузках и др. Это позволяет уменьшить потребную мощность генератора, следовательно, его габаритные размеры и массу.

Основным преимуществом системы электроснабжения с приводом генератора от оси колесной пары является то, что питание электрических потребителей в каждом вагоне не зависит от внешних источников электрической энергии. Вследствие этого обеспечивается высокая эксплуатационная маневренность пассажирских вагонов (возможность передачи вагонов из одного поезда в другой и их отцепки от локомотива и от поезда без нарушения нормального электроснабжения других вагонов, легкость переформирования поездов и т. д.).

Централизованная система электроснабжения предусматривает питание потребителей электроэнергии всех вагонов поезда от одного или нескольких источников электроэнергии, расположенных в специальном вагоне-электростанции или на локомотиве.

На электрифицированных железных дорогах электроэнергия может быть получена непосредственно из контактной сети или от электровоза. При движении поезда по неэлектрифицированным участкам электроэнергию вагоны получают от тепловоза или вагона-электростанции.

Рис. 2 Принципиальная схема централизованной системы электроснабжения с индивидуальным преобразователем

Источник постоянного или однофазного переменного тока напряжением 3000 В на локомотиве или 3000В — напряжение контактной сети электрифицированных железных дорог постоянного тока (рис. 2) Напряжение 3000 В переменного тока также может быть сравнительно просто получено на электровозах переменного тока.

В этой системе электроэнергия передается в вагоны по высоковольтной магистрали. Так как освещение, бытовые приборы, аппараты управления не могут быть высоковольтными, то вагоны оборудуются индивидуальными преобразователями.

С помощью преобразователей, установленных на вагонах, высоковольтный постоянный или однофазный ток преобразуется в трехфазный частотой 50Гц стандартного напряжения. Если после преобразователя установить выпрямительное устройство, то в сеть электрооборудования вагона будет подано напряжение постоянного тока, для питания электропотребителей постоянного тока. Аккумуляторные батареи при этом могут быть выбраны меньшей емкости, так как они обеспечивают электроэнергией потребителей вагона только во время смены локомотива, что происходит не часто и требует не более 10−15 мин.

Наличие на каждом вагоне относительно сложного одного или нескольких преобразователей является недостатком системы.

На локомотивах находятся два источника: постоянного или переменного тока напряжением 3000 В и трехфазного переменного тока частотой 50Гц стандартного напряжения.

Электроэнергия передается в вагон по двум подвагонным магистралям — высоковольтной для питания приборов отопления и низковольтной — для питания остального оборудования. Недостатком системы является наличие двух подвагонных магистралей.

Централизованная система электроснабжения пассажирских вагонов более экономична, чем индивидуальная.

Наибольшее распространение на наших железных дорогах получила система первого исполнения.

Смешанная система электроснабжения находит в настоящее время все большее применение. При этом пассажирский вагон имеет как высоковольтную магистраль, так и индивидуальный генератор. Энергоемкое электрооборудование — приборы электроотопления — получают питание от магистрали, остальное низковольтное электрооборудование — от генератора.

Смешанная система электроснабжения наиболее целесообразна при использовании на вагоне электроводяного отопления.

1.2 Освещение вагона

Для освещения вагонов применяются как лампы накаливания, так и люминесцентные лампы.

По сравнению с лампами накаливания применение люминесцентных ламп позволяет обеспечить более высокий уровень освещенности помещений вагона, поскольку люминесцентные лампы имеют большую светоотдачу.

В некоторых наиболее комфортабельных вагонах люминесцентные лампы практически вытеснили лампы накаливания. Примером может служить мягкий вагон типа 23С постройки завода им. Егорова. В вагонах этого типа осветительные приборы и светильники софитов оборудованы специальными люминесцентными лампами.

Опыт эксплуатации позволил наметить наиболее рациональную схему освещения пассажирских вагонов. Для освещения служебных и пассажирских помещений (купе, салоны, отделения) применяется люминесцентное освещение. Остальные помещения вагона (тамбуры, туалеты, коридоры, котельное отделение и др.) освещаются лампами накаливания.

Лампы накаливания одинаково хорошо работают как на постоянном, так и на переменном токе. Люминесцентные лампы работают более надежно и экономично при питании их переменным током повышенной частоты. По этой причине они питаются от преобразователей. Наибольшее распространение получили электромагнитные преобразователи. На зарубежных вагонах, поставленных к нам по импорту, в светильники встроены полупроводниковые преобразователи.

Наряду с основным освещением помещений вагонов применяется аварийное освещение лампами накаливания, которые располагаются в тех же светильниках, что и лампы основного освещения. При выходе из строя основного освещения автоматически включается аварийное освещение.

Для повышения комфортабельности в вагонах предусмотрено ночное освещение. Оно обеспечивается либо специальными — синими лампами накаливания, встроенными в светильники с люминесцентными лампами или лампами аварийного освещения. В последнем случае две лампы накаливания включаются последовательно. Лампы горят при этом в полнакала, не мешают сну пассажиров и в то же время обеспечивают минимальный уровень освещенности.

В пассажирских вагонах применяется также местное освещение. Это настольные и настенные светильники — софиты. Благодаря местному освещению достигается более равномерное освещение пассажирских помещений, повышается комфорт.

1.3 Вентиляция и кондиционирование вагона

Все цельнометаллические вагоны имеют приточную принудительную вентиляцию. Наружный воздух при этом, прежде чем он будет подан в вагон, очищается от пыли, подогревается или охлаждается в зависимости от времени года. Только естественная вентиляция в настоящее время не применяется, так как она не удовлетворяет требованиям санитарно-гигиенических норм.

Наружный воздух нагнетается в вагон с помощью центробежных вентиляторов, приводимых во вращение электродвигателем. Центробежные вентиляторы при меньшей собственной массе и меньших размерах по сравнению с вентиляторами других типов позволяют получить требуемый напор. Вентиляционный агрегат находится в тамбуре котлового конца вагона между потолком и крышей вагона. Поскольку это помещение имеет такие размеры, что разместить один вентилятор необходимой производительности не представляется возможным, то вентиляционный агрегат, как правило, состоит из двух спаренных центробежных вентиляторов, роторы которых посредством муфт присоединяются к двум концам вала электродвигателя. Чтобы иметь возможность регулировать производительность вентиляторов при двигателях трехфазного переменного тока, последние выбираются многоскоростными.

Рис. 3 Система вентиляции

Ступени вентилятора следующие:

I — эксплуатация в зимний период (малое количество воздуха);

II — эксплуатация в переходный период (среднее количество воздуха);

III — эксплуатация в летний период (большое количество воздуха).

Когда температура приточного воздуха падает ниже плюс 18 °C, термостат в канале приточного воздуха отключает мотор вентилятора и выключатель находится в положении Автоматика.

От вентиляторов воздух по воздуховоду подается в вагон. Воздуховод расположен между крышей и потолком вагона и проходит по всей его длине. В начале воздуховода располагается водяной калорифер, если вагон имеет водяное или электроводяное отопление. В вагонах с кондиционированием воздуха в воздуховоде расположен также воздухоохладитель (или испаритель).

В зависимости от времени года функции вентиляторов изменяются. В зимний период эксплуатации вагона это будут вентиляторы воздухоподогревателя (калорифера), а в летний — вентиляторы воздухоохладителя, если вагон имеет кондиционирование воздуха. В летнее время подогрев воздуха не нужен. И если вагон не имеет системы кондиционирования воздуха, то вентиляторы выполняют функции вентиляторов нагнетательной вентиляции вагона.

Внутри пассажирского вагона во время его движения происходит непрерывное изменение температурно-влажностного режима вследствие воздействия окружающей среды и теплои влаговыделений пассажиров.

Воздействие окружающей среды обусловлено особенностями климата, характеризующегося низкими температурами наружного воздуха в районах Севера и Сибири зимой и высокими температурами в южных районах летом.

Климат Черноморского побережья Кавказа характеризуется высокими температурами летом при относительной влажности воздуха 70%. Климат районов Средней Азии сухой и жаркий.

Поддержание на определенном уровне температуры и скорости передвижения воздуха, обеспечивающих оптимальные санитарно-гигиенические (комфортные) условия для пассажиров, достигается применением установок для кондиционирования. Такие установки объединяют устройства для подачи очищенного от пыли воздуха, перемещаемого с определенной скоростью в зоне нахождения пассажиров, приборы для подогрева воздуха в холодное время года и охлаждения его в жаркое время, а также устройства для удаления из вагона части использованного воздуха.

Комфортными считаются условия, при которых осуществляется нормальная терморегуляция организма, т. е. имеет место соответствие между количеством тепла, выделенным организмом, и охлаждающей способностью среды. Создание комфортных условий достигается сочетанием в определенных пределах температуры, влажности и скорости перемещения воздуха в зоне нахождения пассажиров.

Комфортное кондиционирование — это создание и автоматическое поддержание в закрытых помещениях, средствах транспорта температуры, относительной влажности, чистоты состава, скорости движения воздуха, наиболее благоприятных для самочувствия людей.

Государственным стандартом установлены следующие параметры воздуха в вагонах с кондиционированием воздуха: температура летом 22−25С; зимой 18−22С; относительная влажность 30−60%; допускаемая неравномерность температуры по длине вагона — на одном уровне по высоте — не более 30С; наибольшая скорость движения воздуха в зонах пребывания пассажиров 0,25 м/с; наименьшее количество подаваемого в вагон наружного воздуха на одного пассажира (по числу спальных мест) летом 25 м3/ч, наибольшее допустимое содержание пыли 1 мг/м3; наибольшее допустимое содержание углекислого газа 0,1% по объему.

Необходимо, чтобы температура подаваемого в вагон воздуха была не ниже 20С в зимний период и не выше 14С в летний.

Необходимый воздухообмен в вагоне обеспечивает система вентиляции. Вентиляция создает требуемую подвижность воздуха в зоне пребывания пассажиров, очищает воздух от пыли и прочих механических примесей, охлаждает вместе с холодильной установкой пассажирские помещения, а при калориферном (воздушном) отоплении отапливает вагон.

В вагонах, имеющих систему охлаждения воздуха, применяется механическая приточная система вентиляции с использованием рециркуляции воздуха. При такой системе вентиляции воздух в вагон подается с помощью вентиляционного агрегата, приводимого в действие электродвигателем, а удаляется естественным путем через дефлекторы, неплотности, открытые двери и окна. Рециркуляция воздуха заключается в использовании части воздуха из помещения вагона и применяется для уменьшения мощности холодильных установок летом и обеспечения нормальной работы электрических калориферов (воздухонагревателей) в холодное время года. Соотношение объемов рециркуляционного и свежего воздуха обычно принимается 3:1.

1.4 Отопление вагона

Отопительные устройства вагона предназначены для компенсации потерь тепла, возникающих из-за разницы температур между холодным наружным воздухом и воздухом внутри вагона, а также для подогрева подаваемого в вагон системой вентиляции холодного наружного воздуха.

Очень широко применяется система индивидуального водяного отопления вагонов. Вагон имеет котел, который работает на твердом топливе. Вода, нагретая в котле, по трубам поступает в калорифер и трубы топления, расположенные в вагоне вдоль боковых его стен. Циркуляция воды может быть естественной, чаще принудительной. Для принудительного перемещения воды по трубам вагона имеется циркуляционный насос с электродвигателем. Индивидуальная система одинаково работает как при движении вагона, так и на стоянках, в том числе и длительных, когда вагон отцеплен. Невысокая температура труб и приборов отопления исключает подгорание пыли, появления неприятного запаха. Высокая теплоемкость воды при прекращении топки котла, например, при его ремонте обеспечивает медленное снижение температуры внутри вагона. Система индивидуального водяного отопления проста, безопасна и надежна в работе.

Недостатком этой системы является необходимость иметь топливо на вагоне. Для периодического его пополнения требуется организация баз снабжения вагонов топливом в пути следования. Масса системы водяного отопления относительно большая. Это мешает снижению тары всего вагона. Весьма сложной задачей является автоматизация этой системы отопления.

Электроводяное отопление. При этой системе вода в котле нагревается высоковольтными электронагревательными элементами, вмонтированными в водяную рубашку котла. При отсутствии источника электроэнергии котел работает на твердом топливе.

Электроводяное отопление вагонов весьма универсально. Вагоны с этой системой отопления могут эксплуатироваться как на электрифицированных, так и не электрифицированных железных дорогах. В настоящее время практически все вагоны оборудуются комбинированными котлами, т. е. системой электроводяного отопления.

1.5 Системы охлаждения воздуха

Для охлаждения воздуха на вагонах применяют компрессорные холодильные установки с электроприводом, хладагентом в которых являются фреон или хладон.

Холодильная установка состоит из компрессора, конденсатора, испарителя, терморегулирующего вентиля, вентиляторов конденсатора и испарителя.

Воздух вентилятором системы вентиляции вагона подается в воздуховод. Между вентилятором и воздуховодом расположены испаритель (воздухоохладитель), каплеотделитель и калорифер (водяной при водяном и электрический при электрическом отоплении вагона).

Около 75% воздуха, поступающего в воздуховод, забирается из вагона через рециркуляционный канал, заборная решетка которого находится в потолке коридора. Остальная часть воздуха — наружный воздух.

Жидкий фреон поступает в испаритель (воздухоохладитель) (ИВ), кипит при температуре — 30 °C и отбирает тепло от продуваемого вентилятором воздуха. ИВ представляет собой батарею, выполненную из ребристых медных или стальных оцинкованных труб. Воздух, подаваемый в вагон, охлаждается. Пары фреона отсасываются компрессором, приводимым во вращение электродвигателем, сжимаются (до 12−15 кгс/см3) и нагнетаются в конденсатор.

Здесь они конденсируются за счет охлаждения их воздухом, продуваемым через батарею конденсатора вентилятором. Жидкий фреон собирается в ресивере и по трубопроводу поступает в фильтросушильный аппарат. Далее он направляется в воздухоохладитель через дросселирующее устройство, которое понижает давление фреона до давления испарения. Затем цикл работы холодильной установки повторяется.

В воздухоохладителе вместе с охлаждением происходит и осушение воздуха за счет конденсации паров влаги, содержащихся в теплом воздухе, при его контакте с холодными трубами и ребрами. Попадание капель воды в воздуховод предотвращается каплеотделителем.

Воздухоохладитель, как указывалось выше, располагается в воздуховоде в пространстве между крышей и потолком котлового конца вагона. Компрессорный и конденсаторный агрегаты размещаются под вагоном. Все агрегаты функционально связаны в общую систему, режим которой задается, как правило, вручную. Управление же холодильной системой в заданном режиме осуществляется системой автоматики и контролируются с помощью датчиков температуры, которые устанавливаются в различных частях вагона.

1.6 Расположение электрооборудования на вагоне

Электрооборудование вагонов стремятся располагать так, чтобы создать пассажирам необходимые комфортные условия, облегчить труд обслуживающего персонала, обеспечить пожарную безопасность и электробезопасность во всех режимах работы электрооборудования.

По месту расположения электрооборудование вагонов разделяется на внутри вагонное и подвагонное. При этом исполнение электрооборудования, определяемое способом защиты от внешних климатических и механических воздействий, выбирается в соответствии с местом его установки,

К внутри вагонному электрооборудованию относятся устройства освещения, вентиляции вагона, отопления, электробытовые приборы (электрокипятильник, водоохладитель питьевой воды, пылесос и т. д.).

Управление электрооборудованием вагона осуществляется с панели распределительного шкафа, размещенного в служебном отделении вагона. Источники электрической энергии (генератор, аккумуляторная батарея), преобразователь для люминесцентного освещения, электродвигатели компрессора и вентилятора конденсатора холодильной установки, часть коммутационно-защитной аппаратуры, высоковольтная поездная магистраль напряжением 3000 В с междувагонными высоковольтными соединениями и другие размешаются под вагоном.

Электрические аппараты, машины и приборы располагают в легкодоступных местах (в шкафах и нишах со съемными крышками, на панелях, в отдельных подвагонных ящиках).

Для электробезопасности обслуживающего персонала и пассажиров электрооборудование надежно закрывается защитными кожухами, крышками или располагается в закрытых распределительных шкафах и ящиках, наружные металлические части которых присоединяются на корпус вагона. Высоковольтные аппараты размещаются в подвагонных ящиках, которые дополнительно запираются специальным ключом отопления. Этим же ключом запираются междувагонные высоковольтные соединения. Высоковольтные нагревательные элементы, расположенные в котле, закрываются металлическим защитным кожухом.

Распределительные шкафы в вагоне монтируются с учетом того, чтобы предотвратить возможность распространения огня, который может возникнуть при коротких замыканиях внутри шкафа. Для этого места установки электрических аппаратов изолированы от конструкций вагона асбестовыми и металлическими листами.

Внутривагонное электрооборудование защищено от непосредственного атмосферного воздействия, однако это электрооборудование также может находиться в неблагоприятных климатических условиях во время длительного отстоя вагона. Подвагонное электрооборудование работает в широком диапазоне температур от -50 до + 40 °C и подвержено атмосферному воздействию (дождь, снег, обледенение, а также пыль и грязь и т. д.). Это усложняет условия работы и обусловливает применение электрооборудования специального исполнения с принятием защитных мер, обеспечивающих его надежную работу.

Электрооборудование, расположенное вне кузова вагона — вагонный генератор, электродвигатели холодильной установки, преобразователь для люминесцентного освещения, междувагонные высоковольтные соединения и т. п. — имеют климатическое исполнение и категорию размещения FT1. Оно рассчитано для эксплуатации как в районах с холодным климатом (обозначение F), так и в районах с сухим и влажным тропическим климатом (обозначение Т). Цифра 1 означает категорию размещения изделия для эксплуатации на открытом воздухе. Выпрямитель, расположенный внутри вагона в распределительном шкафу, имеет климатическое исполнение и категорию размещения FT2.

Электрические машины и аппараты различают по степени защиты оболочки. Шифр степени защиты состоит из четырех знаков: двух неизменных латинских букв IP и следующих за ними двух изменяющихся цифр. Первая цифра обозначает степень защиты персонала от соприкосновения с находящимися под напряжением частями или приближения к ним и от соприкосновения с движущимися частями, расположенными внутри оболочки, а также степень защиты изделия от попадания внутрь твердых посторонних тел. Вторая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания воды. Значения и расшифровка цифр указаны в ГОСТ 14 254–80 (СТ СЭВ 778−77). Чем выше эти цифры, тем более жесткие требования предъявляются к защитным мероприятиям и методам испытаний оборудования.

На вагонах применяются различные исполнения электрических машин и аппаратов по степени защиты оболочки в зависимости от их места расположения. Размещенные внутри вагона электродвигатели охладителя питьевой воды, топливного насоса, термостаты помещений и т. п. выполнены с наименьшей степенью защиты IP23.

Смонтированные в котельном и чердачном помещениях вагона: электродвигатели насоса отопления, вентилятора вагона, а также термостат приточного воздуха, защитный кожух котла и другие, выполнены со степенью защиты IP44, а отдельные аппараты — жидкостные выключатели, реле температуры, электромагнитные вентили — имеют степень защиты IP55.

Установленные под кузовом вагона электродвигатели компрессора и вентилятора конденсатора, синхронный генератор, подвагонный высоковольтный аппаратный ящик, высоковольтные соединительные и холостые розетки и т. п. также выполнены со степенью защиты IP55.

Смонтированный под кузовом вагона электромашинный преобразователь для люминесцентного освещения, новый высоковольтный аппаратный ящик поставки с 1983 г. имеют степень защиты IP65. Температурный щуп системы контроля нагрева буксовых подшипников выполняется со степенью IP66.

2. Расчет мощности основных электропотребителей

Основными потребителями электроэнергии вагона подлежащими расчету, являются электродвигатель вентилятора общей вентиляции вагона, электродвигатели системы охлаждения воздуха и система освещения вагона.

2.1 Расчет системы вентиляции вагона

Мощность электродвигателя вентилятора (кВт) определяется, исходя из условия его длительной работы с максимальной производительностью:

где — коэффициент запаса вагонного вентилятора, принимаем ;

— подача вентилятора;

— напор вентилятора охладителя;

— КПД вентилятора, .

Подача вентилятора определяется по формуле

;

где — количество свежего воздуха, подаваемого в вагон на одного пассажира;

— количество пассажиров;

— коэффициент рециркуляции вентиляционного воздуха, .

.

2.2 Расчет системы отопления

Мощность электродвигателя насоса отопления (кВт) рассчитывается:

где: — коэффициент запаса, принимаем ;

— подача насоса отопления;

— напор насоса отопления;

— КПД насоса отопления, .

.

2.3 Расчет системы охлаждения воздуха в вагоне

Комфортабельные пассажирские вагоны оборудованы установками охлаждения воздуха. В пассажирских вагонах для этих целей применяют компрессионные холодильные установки с электроприводами, состоящие из следующих агрегатов; компрессионного (компрессор с электродвигателем), конденсаторного (конденсатор и его вентилятор с электродвигателем) и испарительного (воздухоохладитель).

Общая мощность теплопритоков (кВт), которая должна быть отведена в воздухоохладителе

.

Приток тепла через поверхность кузова вагона

где — площадь поверхности кузова вагона, через которую идет рассеивание тепла в окружающую среду, принимаем ;

— средний коэффициент теплоотдачи поверхности вагона, .

— температура наружного воздуха в летний период эксплуатации вагона;

— температура воздуха внутри вагона в летний период эксплуатации вагона;

.

Приток тепла от солнечной радиации

где — расчетная поверхность кузова вагона, подвергающаяся солнечной радиации, принимаем ;

— расчетная (максимальная) температура поверхности кузова вагона, принимаем ;

— продолжительность солнечного облучения вагона в течение суток.

.

Тепло, приносимое наружным воздухом при вентиляции вагона

где — количество свежего воздуха, подаваемого на одного пассажира, ;

— теплоёмкость воздуха, .

.

Тепло, выделяемое пассажирами вагона

где — количество тепла, выделяемого одним пассажиром, .

.

Тепло, выделяемое электрооборудованием, размещенным в вагоне (электродвигатели, пускорегулирующая аппаратура, нагреватели, лампы накаливания и пр.), может быть принято равным .

Определим общую мощность теплопритоков

.

Определим мощность двигателя компрессора:

.

Мощность двигателя вентилятора конденсатора

где — коэффициент запаса, принимаем ;

— подача вентилятора конденсатора;

— напор вентилятора конденсатора;

— КПД вентилятора конденсатора, .

.

2.4 Выбор электродвигателей

При выборе типа двигателя для привода вагонных механизмов необходимо ориентироваться на род тока, указанный в задании (постоянный). Также принимается во внимание, что ряд механизмов (вентиляторы конденсатора и испарителя, компрессор) имеют регулируемую производительность, и для их привода выбираются электродвигатели с регулируемой частотой вращения. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока обеспечивается соответствующими схемами управления, а именно, включением регулировочных резисторов в цепь якоря и возбуждения.

По величине рассчитанной мощности выбираем тип двигателя по каталогу так, чтобы мощность выбранного двигателя не отличалась от расчетной величины более чем на ±5%. Если по каталогу такой двигатель подобрать не удавалось, то выбираем двигатель ближайшей, большей мощности. Полученные данные сведем в таблицу 1.

Таблица 1

3. Освещение вагонов

3.1 Расчет люминесцентного освещения

При расчете освещения по методу коэффициента использования светового потока намечается количество светильников, необходимых для получения заданной освещенности, исходя из опыта проектирования освещения подобных помещений.

Световой поток лампы для одного пассажирского купе (лм) определяется выражением

где — наименьшая допустимая освещенность для купированных вагонов, для люминесцентного освещения вагонов с автономной системой электроснабжения ;

— коэффициент запаса, учитывающий старение лампы и запыленность светильников, принимаем ;

— площадь пассажирского купе;

— коэффициент неравномерности освещения, то есть отношение средней освещенности к минимальной, принимаем ;

— коэффициент использования светового потока, то есть отношение потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп, ;

— количество светильников, принимаем ;

— количество ламп в светильнике, принимаем .

Площадь пассажирского купе

.

.

Принимаем лампу типа ЛБ-40:

— мощность лампы;

— световой поток лампы;

— номинальное напряжение лампы;

— длина лампы;

— количество ламп в одном светильнике.

Количество светильников для одного пассажирского купе

.

Принимаем количество светильников равным в одном купе (1 служебное купе, 1 купе для отдыха проводников).

Количество светильников для основного коридора

где — площадь основного коридора.

Площадь основного коридора

где — ширина коридора, принимаем ;

— длина коридора.

Длина основного коридора

.

Принимаем количество светильников в коридоре, равным .

Полная длина светильников в коридоре определяется по формуле

где — расстояние между светильниками по условиям монтажа, .

— длина светильника, м.

.

Поскольку длина светильников меньше длины освещаемого помещения, то есть длины основного коридора (4,39 < 17,10 м), то необходимое количество светильников может быть размещено в одном ряду.

3.2 Расчет осветительной нагрузки

Мощность осветительной нагрузки для каждого помещения вагона можно определить по формуле

где — площадь освещаемого помещения, Вт;

— удельная мощность осветительной нагрузки.

После расчета мощности всех ламп, намечается количество светильников, исходя из опыта проектирования освещения подобных помещений, и определяется мощность одной лампы. Определим площади помещений в вагоне и удельную мощность осветительных установок для этих помещений.

Таблица 2

Мощность сигнальных, служебных и других специальных ламп может быть принято 300−400 Вт.

Определив мощность осветительной нагрузки вагона от люминесцентных ламп, определяем мощность преобразователя для люминесцентного освещения вагона по формуле

где — коэффициент полезного действия преобразователя, для статического полупроводникового преобразователя .

.

3.3 Определение расчетных нагрузок

Знание величины расчетных токов необходимо для определения мощности источника электроэнергии вагона, для выбора и проверки по нагреву электросетей, коммутационных и защитных аппаратов. При определении расчетной мощности, расчетного тока необходимо иметь в виду, что не все электропотребители вагона работают одновременно. Например, система отопления включается в отопительный период эксплуатации вагона (осень, зима, весна), система охлаждения воздуха в летний период эксплуатации, нагреватели наливных труб — зимой и т. д. Поэтому прежде чем приступить к определению расчетного тока, необходимо определить расчетный период эксплуатации (зима, лето) электрооборудования вагона, когда суммарная мощность одновременно работающих электропотребителей максимальна.

Кроме того, необходимо иметь в виду, что на определение расчетного периода эксплуатации электрооборудования вагона оказывает влияние тип системы электроснабжения. В пассажирских вагонах с индивидуальным или централизованным электроснабжением все потребители электроэнергии вагона получают питание от одного источника — вагонного генератора или подвагонной магистрали. При смешенном электроснабжении устройства электроотопления получают питание от высоковольтной подвагонной магистрали, а остальные потребители — от вагонного генератора.

Для определения расчетного периода эксплуатации электрооборудования необходимо составить таблицу.

Таблица 3

.

Поскольку сумма произведения коэффициента использования оборудования и номинальной мощности оборудования летом является большей по сравнению с зимним периодом, то за расчетный период эксплуатации принимаем летний период.

Эффективное число электроприемников меньше, то есть, значит, допускается расчетную нагрузку (кВт) принимать как сумму номинальных значений мощности.

Расчетная активная мощность равна

.

Расчетный ток для систем электроснабжения на постоянном токе равен

где — номинальное напряжение (по заданию на проектирование).

.

Найдем расчетный ток для каждой группы потребителей с учетом максимальной загрузки и сведем в таблицу.

Таблица 4

3.4 Определение пиковых токов

Пиковые токи — это максимальные токи, возникающие в процессе нормальной эксплуатации электрооборудования при включении мощных потребителей. Продолжительность пиковых токов обычно не превышает 30−40 с. Чаще всего пиковые токи возникают в момент пуска наиболее мощного электродвигателя при работающих остальных потребителях электроэнергии.

Знание величины пиковых токов необходимо для определения расчетной мощности источника электроэнергии вагона, а также для проверки выбранного сечения проводов электрической сети вагона по условиям падения напряжения и правильного выбора защитных аппаратов.

В связи с этим определяется как пиковый ток группы потребителей работающих в расчетный период эксплуатации, так и пиковый ток отдельных потребителей.

Пиковый ток (А) расчетного периода эксплуатации определяется по формуле

где — пусковой ток двигателя наибольшей мощности для расчетного периода эксплуатации;

— коэффициент использования мощности двигателя наибольшей мощности, принимаем ;

— номинальный ток двигателя наибольшей мощности;

— расчетный ток группы потребителей, работающих в расчетный период эксплуатации вагона.

Номинальный ток двигателя для двигателей постоянного тока:

где — мощность двигателей, работающих в период наибольшей интенсивности (для двигателей — это летний период);

— коэффициент использования мощности двигателя наибольшей мощности, .

.

Пусковой ток двигателя наибольшей мощности определяется по кратности пускового тока

где — кратность пускового тока, для двигателей постоянного тока .

.

Рассчитаем пиковый ток для каждого двигателя и сведем в таблицу.

Таблица 5

3.5 Определение мощности источника электроэнергии вагона

Источником электроэнергии при индивидуальной системе электроснабжения вагона является вагонный генератор, при централизованном электроснабжении — это либо группа синхронных генераторов вагона-электростанции, либо специальный источник электроэнергии, расположенный на локомотиве. И в том, и в другом случае электроэнергия посредством подвагонной магистрали распределяется от централизованного источника между вагонами, поэтому под мощностью источника электроэнергии вагона надо понимать мощность, потребляемую электрооборудованием вагона из подвагонной магистрали при расчетном периоде эксплуатации.

Как указывалось выше, расчетный период эксплуатации в этом случае определяется для группы потребителей, получающих питание от вагонного генератора. Поэтому под мощностью источника электроэнергии вагона надо понимать мощность вагонного генератора.

Мощность источника электроэнергии определяют для расчетного периода эксплуатации, когда одновременно включено максимальное число потребителей с наибольшей суммарной мощностью, т. е. по величине расчетного тока.

Мощность источника электроэнергии из условия нагрузки его пиковым током определяется по формуле

где — коэффициент перегрузки электроэнергии, принимаем .

.

Расчетная нагрузка принимаем .

Сравнивая значения с величинами, принимают большее значение мощности, то есть .

4. Выбор сечения проводов и жил кабелей

Провода электрической сети вагона прокладываются, как правило, в металлических трубах под вагоном и в вагоне и металлических коробах — в вагоне. Допускается применение гибких металлорукавов.

По заданию материал провода подвагонной магистрали из меди, а электрической сети вагона из алюминия.

Сечение проводов и жил кабелей напряжением до 1000 В выбираются по следующим условиям:

1. При нагревании проводов расчетным током длительно допустимый ток провода должен быть равен или больше расчетного тока:

.

Выбираем один двухжильный провод с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с медными жилами сечения 16 мм² и током 80А.

2. По условию соответствия сечения жил провода номинальному току защитного аппарата

где — номинальный ток плавкой вставки предохранителя или теплового расцепителя автоматического выключателя (ПР-2−100 с номинальным током плавкой вставки 50А);

— отношение длительно допустимого тока провода к номинальному току защитного аппарата, .

.

Условие выполняется.

По потерям напряжения в линии

.

Для провода и жил кабелей из немагнитных материалов (медь, алюминий) потери напряжения в линии электроснабжения.

Для сетей постоянного тока

где — пиковый ток участка линии электроснабжения, А;

— активное сопротивление проводов участка линии электроснабжения.

Активное сопротивление определяется по формуле

где — длина участка линии электроснабжения, принимаем ;

— сечение проводов на рассматриваемом участке, принимаем ;

— удельная проводимость проводов, .

.

Условию удовлетворяет.

Таблица 6

5. Выбор защитной и коммутационной аппаратуры

5.1 Предохранители

Предохранители применяются для защиты электрических установок от токов короткого замыкания. Наиболее распространенными предохранители в сетях напряжением до 1000 В являются разборный предохранитель типа ПР-2, разборный насыпной типа ПНР и неразборный насыпной типа НПН, предохранители с кварцевым наполнителем типа ПРО и типа ПК-45. Предохранители типа ПНР и НПН более надежны в работе, их характеристики более стабильны. Выбираем предохранитель ПР-2−100 с номинальным током плавкой вставки 70 А.

При выборе предохранителей должны быть выполнены условия:

1. Номинальное напряжение предохранителя должно быть больше номинального напряжения сети:

.

2. Плавкая вставка не должна плавиться при длительных расчетных токах

.

3. Плавкая вставка не должна плавиться при пиковых (пусковых) токах

где — коэффициент, если предохранитель стоит перед одиночным двигателем,, если перед группой электродвигателей, .

Подберем предохранители для каждого потребителя, данные сведем в таблицу 7.

Таблица 7

5.2 Автоматические выключатели

Автоматические выключатели служат для защиты электроустановок от токов коротких замыканий с помощью мгновенно действующих электромагнитных расцепителей и от перегрузок с помощью тепловых расцепителей.

Номинальное напряжение автоматических выключателей типа А3100, АП50 равно 660 В.

Автоматические выключатели выпускаются трех типов:

а) только с мгновенно действующими расцепителями;

б) только с тепловыми (не защищающими от токов короткого замыкания) расцепителями;

в) имеющие оба типа расцепителей — с комбинированным расцепителем.

Номинальный ток электромагнитного расцепителя (вставка электромагнитного расцепителя) выбирается

— по расчетному току:

.

Выбираем автоматический выключатель типа А3130 (ток теплового расцепления 80 А, ток электромагнитного расцепления 800 А) с номинальным напряжением автоматических выключателей 660 В

.

— по пиковому току:

.

Коэффициент, учитывающий неточность в срабатывании расцепителя автомата, принимается равным для выбранного выключателя.

Номинальный ток теплового расцепителя выбирается по расчетному току:

.

Тепловой расцепитель обладает инерционностью. Поэтому проверку по пиковому току теплового расцепителя можно не делать.

Номинальное напряжение автоматического выключателя должно быть равно ли больше номинального напряжения сети:

.

Все условия удовлетворены. Подберем автоматические выключатели для каждого потребителя, данные сведем в таблицу.

Таблица 8

5.3 Контакторы

Контакторы предназначены для дистанционного включения и выключения потребителей электроэнергии в схемах с автоматическим или ручным управлением.