Раздел 2. Характеристика тяговых электродвигателей.

Тема 2.1. Электромеханические характеристики на валу тяговых двигателей.

Расчёт электромеханических характеристик на валу тягового двигателя.

Литература [1], [2], [3].

Методические указания

Электромеханическими характеристиками на валу электрического двигателя называются зависимости частоты вращения двигателя от тока, вращающего момента от тока и коэффициента полезного действия от тока при напряжении питания, равном номинальному.

В электроподвижном составе ГЭТ в основном применяются ДПТ последовательного, параллельного, смешанного и независимого возбуждения. Каждая система возбуждения обладает своими характерными особенностями, которые и определяют степень пригодности двигателя для той или иной цели.

На рис.1.2 представлены электромеханические характеристики на валу якоря тягового двигателя ДК-254Б: скоростная n(I), вращающего момента M(I), КПД h_д(I).

Учащиеся должны уметь рассчитывать и строить электромеханические характеристики на валу двигателя.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Чем определяется режим работы подвижного состава при движении его под током?

2. Что такое электродвижущая сила и как она определяется?

 

Тема 2.2. Электромеханические характеристики на ободе движущегося колеса.

Расчётные выражения для определения электромеханических характеристик на ободе движущегося колеса; расчёт электромеханических характеристик; характеристики двигателей последовательного возбуждения; характеристики двигателя параллельного возбуждения; характеристики двигателя смешанного возбуждения.

Литература [1], [3].

Методические указания

Зависимости скорости, силы тяги и КПД двигателя с учетом потерь энергии в передаче от тока двигателя называются электромеханическими характеристиками на ободе движущего колеса.

Учащиеся должны научиться отличать характеристики разных способов возбуждения двигателей.

У двигателей последовательного возбуждения магнитодвижущая сила (МДС) пропорциональна току якоря I. Поэтому зависимость СФ(I) близка по форме к зависимости магнитного потока Ф(I_в), снятой при независимом возбуждение и отсутствии нагрузки.

На рис.1.3 представлены зависимости СФ от магнитодвижущей силы F_m при различных значениях тока якоря и зависимость механических и магнитных потерь от частоты вращения якоря при различных значениях магнитодвижущей силы для трамвайного двигателя ДК-254Б.

Чтобы построить зависимость СФ(I), необходимо воспользоваться нагрузочными характеристиками Ф(I_в), снятыми при различных токах якоря. На каждой из кривых Ф(I_в) следует отметить точку, соответствующую I_в, равному току якоря I, для которого построена эта кривая. Соединив эти точки, найдем зависимость СФ(I) (на рис.1.4 жирная линия).

Скорость двигателя v, приведенная к ободу движущего колеса, приблизительно пропорциональна потоку; при токе, близком к нулю, она близка к бесконечности. С увеличением тока скорость вначале резко падает, что соответствует прямолинейной части характеристики СФ(I). При дальнейшем увеличении тока по мере насыщения магнитной цепи машины скорость снижается в меньшей степени, как это показано на рис. 1.5.

Электромеханические характеристики на ободе движущего колеса зависят от диаметра колеса D_к, передаточного отношения редуктора m и его КПД h_з (рис.1.6). Если эти величины изменяются, то изменяется и характер электромеханических характеристик данного двигателя на ободе колеса. Поэтому на электромеханических характеристиках двигателя на ободе колеса обязательно указываются значения D_к, m и h_з.

У двигателя параллельного возбуждения обмотку возбуждения к сети подключают через регулируемый реостат. Ток возбуждения пропорционален приложенному напряжению, следовательно, МДС не зависит от тока якоря. С увеличением тока якоря I магнитный поток СФ незначительно уменьшается из-за размагничивающего действия реакции якоря (рис.1.7). Скоростная характеристика v(I) жесткая, т.е. скорость почти не зависит от нагрузки. С увеличением нагрузки скорость только незначительно уменьшается вследствие увеличения падения напряжения в цепи двигателя Ir.

Характеристика электромагнитной силы тяги F_эм(I) изображается прямой линией, проходящей через начало координат, т.к. магнитный поток практически постоянен. Сила тяги отличается от электромагнитной силы на значение потерь DF и пересекает ось абсцисс при токе ХХ I_х.

Если приложить к ПС внешнюю силу, направленную по движению, то скорость ПС и ЭДС начнут увеличиваться. При некоторой скорости, равной v₀, ЭДС двигателя станет равной приложенному напряжению U_д. Ток в двигателе станет равным нулю. При дальнейшем увеличении скорости ЭДС станет больше приложенного напряжения, и ток в двигателе изменит свое направление.

Т.к. направление магнитного потока при этом не изменится, то сила тяги тоже изменит свой знак и будет направлена против движения, следовательно, станет тормозной силой. Тяговый двигатель при этом автоматически перейдет в генераторный режим и будет отдавать энергию в тяговую сеть.

Такой режим называется рекуперативным торможением. При этом двигатели будут тормозить ПС, одновременно возвращая электрическую энергию в питающую сеть.

Характеристики двигателей согласно-смешанного возбуждения представлены на рис.1.8, а встречно-смешанного на рис.1.9.

При изучение данной темы учащиеся должны научиться рассчитывать и строить электромеханические характеристики на ободе колеса.

 

 

Вопросы для самоконтроля

1. Почему для одного и того же тягового двигателя возможны различные электромеханические характеристики на ободе колеса?

2. С какой системой возбуждения двигатель обладает неустойчивой механической характеристикой?

3. Как определяется КПД двигателя?

4. Двигатель какого возбуждения может автоматически переходить в генераторный режим?

 

Тема 2.3. Тяговые характеристики электроподвижного состава.

Понятие о тяговых характеристиках; построение тяговых характеристик; тяговые характеристики двигателей различных систем возбуждения.

Литература [1], [2], [3], [5].

Методические указания

Зависимость между силой тяги подвижного состава и его скоростью на той или иной ступени регулирования и соответствующих ей параметрах схемы включения двигателя называется тяговой характеристикой подвижного состава.

Тяговую характеристику строят на основании электромеханических характеристик двигателя на ободе колеса (рис.1.10). Скорость переносят без изменения, а силу тяги ПС определяют по формуле

F_л = Fz_м

где z_м – число ведущих осей в ПС.

Необходимо строить эти характеристики для всех ступеней регулирования, применяемых на данном ПС.

Тяговые характеристики могут иметь различный вид в зависимости от типа двигателей и системы тяги. На практике в основном используются падающие тяговые характеристики, т.е. с увеличением скорости сила тяги снижается. Но степень ее снижения может быть различна у разных двигателей. Она характеризуется коэффициентом жесткости

c = - dF/dt

Знак минус введен потому, что падающая характеристика удовлетворяет неравенству dF/dt<0.

Характеристики, у которых сила тяги резко снижается с увеличением скорости, т.е. с высоким коэффициентом жесткости (dF/dt®¥), называются жесткими. Жесткой характеристикой обладает двигатель постоянного тока параллельного возбуждения. Характеристики, у которых скорость резко изменяется с изменением силы тяги, т.е. с низким коэффициентом жесткости dF/dt®0, называются мягкими. К ним относятся характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. В большинстве случаев для целей тяги наиболее благоприятными являются мягкие тяговые характеристики.

Наибольшая допустимая нагрузка тягового двигателя ограничивается его механической прочностью, устойчивой коммутацией и опрокидывающим моментом. Для каждого двигателя при определенной схеме его включения установлен наибольший допустимый ток I_{п max}, выше которого двигатель нагружать нельзя. Этому току соответствует максимальная сила тяги F_{л max}

Тяговые характеристики имеют ограничение также по наибольшей допустимой скорости движения, которая является конструкционной скоростью v_констр. Эта скорость определяется прочностью тягового двигателя и конструктивными качествами всего подвижного состава.

Тяговые характеристики двигателей различных систем возбуждения (рис.1.11) В тяговой характеристике двигателя последовательного возбуждения (кривая 1) в зоне малых скоростей сила тяги при увеличении скорости резко падает. При дальнейшем увеличении скорости сила тяги изменяется незначительно, т.е. тяговая характеристика становится мягкой.

Тяговая характеристика двигателя параллельного возбуждения жесткая и близка к прямой линии (кривая 2). Кривая 3 изображает тяговую характеристику двигателя согласно-смешанного возбуждения.

Вопросы для самоконтроля

1. Какой тип двигателя имеет жесткие тяговые характеристики?

2. Какой тяговой характеристикой должен обладать двигатель, чтобы ПС не боксовал?

3. Какими тяговыми характеристиками должны обладать тяговые двигатели, если их установлено на ПС несколько?

Тема 2.4. Сравнение двигателей различных систем возбуждения.

Требования, предъявляемые к тяговым двигателям; электрическая устойчивость; механическая устойчивость; распределение нагрузок; склонность к возникновению боксования; воздействие на энергосистему; конструктивные показатели и оценка двигателей.

Литература [1], [3].

Методические указания

При изучении данной темы учащиеся должны знать требования, предъявляемые к тяговым двигателям:

· электрическая устойчивость, т.е. способность автоматически стремиться к состоянию электрического равновесия при переходе с одного режима на другой;

· механическая устойчивость, т.е. способность автоматически приближаться к состоянию динамического равновесия;

· равномерное распределение нагрузок между параллельно работающими двигателями;

· максимальное использование сцепного веса;

· устойчивость коммутации;

· наименьшее воздействие на энергосистему;

· возможность плавного регулирования скорости и применения рекуперации;

· простота конструкции.

Анализ электрической устойчивости работы тяговых двигателей проводится при следующих допущениях:

· пренебрегаем вихревыми токами, возникающими в двигателе;

· рассматриваем только силовую цепь двигателя и считаем, что при случайных отклонениях от состояния равновесия в силовой цепи токи в параллельных ветвях остаются неизменными.

Разница электромеханических характеристик двигателей одного и того же типа приводит к тому, что скорости двигателей при одном и том же значении момента неодинаковы.

Эти различия характеристик приводят к неравномерному распределению нагрузок между двигателями и, как следствие этого, неодинаковому потреблению токов.

С точки зрения системы электроснабжения наиболее предпочтительными являются мягкие характеристики.

Регулирование скорости и рекуперация. С этой точки зрения двигатели параллельного и согласно-смешанного возбуждения имеют преимущества по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Одним из основных преимуществ этих двигателей является автоматический переход в генераторный режим, что позволяет легко осуществлять рекуперативное торможение.

Конструктивные показатели и оценка двигателей. В этом отношении двигатели последовательного возбуждения, имеющие простую обмотку возбуждения из обмоточной меди с большой площадью сечения, обладают значительными преимуществами по сравнению с двигателями параллельного и согласно-смешанного возбуждения, у которых параллельная обмотка, имеющая много витков из провода малой мощности сечения, ненадежна как в механическом, так и в электрическом отношении. Наличие параллельной обмотки в сою очередь приводит к увеличению габаритов и усложнению конструкции двигателя.

В результате сравнения двигателей различных систем возбуждения наиболее полно удовлетворяют условиям электрической тяги двигатели последовательного возбуждения. На трамваях и троллейбусах нашли применение двигатели согласно-смешанного возбуждения благодаря возможности простого регулирования скорости в широких пределах, а также простоте осуществления рекуперативного торможения. Двигатели параллельного возбуждения в электрической тяге используются редко.

При применении двигателей независимого возбуждения, получающих питание от управляемого тиристорного преобразователя, возможно получение любых характеристик – мягких или жестких. Недостатком такой системы является установка относительно мощного тиристорного преобразователя, обеспечивающего необходимую форсировку по току двигателя в переходных режимах.

 

Вопросы для самоконтроля

1. При каких допущениях проводится анализ электрической устойчивости?

2. К чему приводит различие характеристик двигателей, установленных на одном и том же подвижном составе?