7 Построение характеристик двигателя
Цель данного раздела заключается в расчётё и построении трёх графиков в функции тока:
– Скоростная характеристика электровоза vэ(Iд) (рисунок 7.1);
– Сила тяги одной оси Fо(Iд) (рисунок 7.2);
– КПД двигателя в пересчёте на ось ηо(Iд) (рисунок 7.3).
Для построения ηо(Iд) необходимо определить суммарные потери в двигателе. Чтобы не путать дальнейшую пояснительную записку, сделаем это отдельным пунктом.
7.1 Определение суммарных потерь в двигателе
Потери в двигателе состоят из активных потерь в обмотках, магнитных потерь в якоре, потерь в коллекторно-щёточном узле и потерь в подшипниках.
Потери в меди якоря:
Вт.
Потери в меди обмотки возбуждения:
Вт.
Потери в меди обмоток дополнительных полюсов:
Вт.
Магнитные потери при холостом ходе зависят от удельных потерь в якоре и его массы, при этом зубцовый слой рассматривается отдельно от ярма.
Масса ярма якоря:
,
где
мм;
γст=7.85∙10-3 г/мм3 – удельная масса стали;
мм – высота паза в штампе;
Di=152 мм – внутренний диаметр сердечника якоря;
nвк=3 – число рядов воздушных каналов;
dвк=20 мм – диаметр воздушных каналов.
Получаем массу ярма:
г = 621 кг.
Масса зубцов:
г
= 148 кг,
где bz1=24
мм, bz2=22
мм – ширина зубца по поверхности якоря
и по дну паза.
Для определения удельных потерь нам потребуется знать частоту вращения якоря:
рад/с.
Удельные потери в ярме якоря:
Вт/кг.
Удельные потери в зубцах:
Вт/кг.
Магнитные потери при холостом ходе:
Вт.
Добавочные потери при нагрузке:
Вт.
Переходные потери на коллекторе:
Вт.
Потери на трение щёток:
Вт,
где
Pщ=4 Н/мм –
удельное давление на щётку;
ρ=0.25 – коэффициент трения щёток по коллектору;
vкол=22.6 м/с – окружная скорость на поверхности коллектора.
Потери в подшипниках:
Вт.
Суммарная мощность потерь в двигателе:
7.2 Расчёт и построение характеристик двигателя
Все характеристики строятся в функции тока при постоянном напряжении на зажимах Uд=Uдн=1500 В. Для построения наметим следующие границы тока:
А;
А.
Принимаем границы тока Imin=100 А, Imax=550 А, шаг по току 50 А. Сведём эти значения в таблицу 7.1.
Падение напряжения в двигателе при токе 200 А:
В.
Остальные значения определяются по этой же формуле и показаны в таблице 7.1.
Находя остальные характеристики двигателя, в дальнейшем не будем ссылаться на таблицу 7.1.
Намагничивающая сила главных полюсов при токе 250 А:
14500
А.
Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, определяется по универсальной магнитной характеристике ([1, рисунок 7.1]). Для этого нужно перевести намагничивающую силу из А в относительные единицы, используя масштабный коэффициент:
,
где
Fвн=31900 А –
наибольшая НС из таблицы 7.1.
.
Магнитный поток в относительных единицах определяем по [1, рисунок 7.1].
Для перевода магнитного потока в абсолютную величину найдём его масштабный коэффициент:
.
Магнитный поток в Вб:
.
Число оборотов двигателя при токе 200 А:
об/мин.
Активные потери в двигателе при токе 200 А:
Вт
Коэффициент полезного действия в пересчёте на ось при токе 200 А:
,
где
ηзп=0.96 – КПД зубчатой передачи.
Скорость электровоза при токе 200 А:
км/ч.
Сила тяги одной оси при токе 200 А:
Н.
Расчёты при ослабленном возбуждении выполняются аналогичным образом с использованием компьютерного алгоритма, показанного в приложении А. Разница состоит в том, что ток Iа уменьшен в β раз:
,
где
β=0.3 – коэффициент ослабления возбуждения
при отсутствии компенсации.
Характеристики машины при ослабленном возбуждении показаны в таблице 7.2.
Построим тяговые характеристики.
Таблица 7.1 – Характеристики двигателя при полном возбуждении |
|||||||||||
Iа, А |
ΔU, В |
E, В |
Fв, А |
Fв, ое |
Ф, ое |
Ф, Вб |
n, об/мин |
UI, кВт |
ηо |
vэ, км/ч |
Fо, Н |
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 |
7.5 10.25 13.0 15.75 18.5 21.25 24.0 26.76 29.51 32.26 |
1492.5 1489.75 1487.0 1484.25 1481.5 1478.75 1476.0 1473.24 1470.49 1467.74 |
5800 8700 11600 14500 17400 20300 23200 26100 29000 31900 |
0.08 0.12 0.16 0.21 0.25 0.29 0.33 0.37 0.41 0.45 |
0.27 0.40 0.48 0.56 0.62 0.68 0.70 0.76 0.79 0.80 |
0.054 0.080 0.096 0.112 0.124 0.136 0.140 0.152 0.158 0.160 |
2468 1663 1383 1183 1067 971 941 865 831 819 |
150 225 300 375 450 525 600 675 750 825 |
0.830 0.874 0.895 0.908 0.917 0.923 0.928 0.931 0.934 0.936 |
157.29 105.97 88.14 75.4 67.98 61.86 59.98 55.14 52.94 52.18 |
4061.54 6418.08 8774.63 1.11*10^4 1.35*10^4 1.58*10^4 1.82*10^4 2.06*10^4 2.29*10^4 2.53*10^4 |
Таблица 7.2 – Характеристики двигателя при ослабленном возбуждении |
|||||||||||
Iа, А |
ΔU, В |
E, В |
Fв, А |
Fв, ое |
Ф, ое |
Ф, Вб |
n, об/мин |
UI, кВт |
ηо |
vэ, км/ч |
Fо, Н |
30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 |
3.65 4.48 5.30 6.13 6.95 7.78 8.60 9.43 10.25 11.08 |
1496.3 1495.5 1494.7 1493.9 1493.0 1492.2 1491.4 1490.6 1489.7 1488.9 |
513 769.5 1026 1282.5 1539 1795.5 2052 2308.5 2565 2821.5 |
0.08 0.12 0.16 0.21 0.25 0.29 0.33 0.37 0.41 0.45 |
0.27 0.40 0.48 0.56 0.62 0.68 0.70 0.76 0.79 0.80 |
0.016 0.024 0.029 0.034 0.037 0.041 0.042 0.046 0.047 0.048 |
8247 5564 4634 3970 3584 3266 3170 2919 2806 2770 |
45.0 67.5 90.0 112.5 135.0 157.5 180.0 202.5 225.0 247.5 |
0.54 0.69 0.77 0.82 0.85 0.87 0.88 0.9 0.91 0.92 |
525.68 354.63 295.36 253.02 228.41 208.13 202.07 186.01 178.85 176.51 |
762 1469 2176 2883 3590 4297 5004 5711 6418 7125 |
а
б
и при ослабленном (б) возбуждении
а
б
Рисунок 7.2 – Сила тяги на одной оси при полном (а)
и при ослабленном (б) возбуждении
а
б
Рисунок 7.3 – КПД двигателя в расчёте на ось при полном (а)
и ослабленном (б) возбуждении
Вывод
В данной работе был спроектирован тяговый двигатель для грузового электровоза. У этого двигателя четыре пары полюсов. Он рассчитан на номинальный ток 354 А и напряжение 1500 В.
Данный двигатель не желателен для поездной работы из-за избыточной магнитной индукции в якоре. По сравнению с прототипом НБ-406, она возросла на 0.4 Тл, что привело к увеличенным магнитным потерям и, как следствие, увеличению размеров обмотки главных полюсов, хотя в целом, отличия незначительны.
Из характеристик двигателя можно сделать вывод, что при ослабленном возбуждении увеличивается только скорость, а сила тяги и КПД – снижаются. Поэтому ослабленное возбуждение целесообразно применять только в случаях, когда нужна высокая скорость – на пассажирском электровозе.