МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

КАФЕДРА «ЛОКОМОТИВЫ И ЛОКОМОТИВНОЕ ХОЗЯЙСТВО»

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ №

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТЯГА»

ПО ТЕМЕ: «ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ ТЭД»

Выполнил студент:

Москва 2011

1. Общая часть

Цель работы: Исследование электромеханических характеристик тягового электродвигателя (ТЭД). Изучение методики проведения стендовых испытаний ТЭД.

Объект исследования: Тяговый электродвигатель постоянного тока ЭД118А применяемый на тепловозах серии 2ТЭ10Л, 2ТЭ10М; 2ТЭ116 и др. Условное обозначение: ЭД- электродвигатель; 118- номер разработки;

А- номер модификации.

Основные технические данные.

Электрическая мощность, кВт……………………………………….….. 305

Напряжение, В:

продолжительного режима ………………………………………….. 463

максимальное ………………………………………………………… 700

Ток нагрузки, А:

продолжительного режима …………………………………….……. 720

максимальном напряжении ………………………………………….. 476

максимальный кратковременный

(при трогании тепловоза с места) ……………………………………1100

Коэффициент полезного действия , % :

при продолжительном режиме

и полном токе возбуждения…………………………………………. 91,5

Масса, кг …………………………………………………………………. 3100

Обмотка возбуждения …………………………………… последовательная

Число ступеней ослабления тока возбуждения …………………………… 2

Коэффициент ослабления тока возбуждения:

I ступень ………………………………………………………………. 60%

II ступень ……………………………………………………………… 36% Подвеска ……………………………………………………… опорно-осевая

Вентиляция ……………………………………………………принудительная

Электродвигатель ЭД118А имеет четыре главных и четыре добавочных полюса, которые обеспечивают, соответственно, требуемый основной магнитный поток и нормальную коммутацию. Начало и конец обмотки возбуждения выведены наружу для обеспечения возможности реверсирования вращения якоря ТЭД и включения ступеней ослабления возбуждения. Обмотка якоря выполнена петлевой с уравнительными соединениями первого рода со стороны коллектора.

2. Теоретическая часть

Основные понятия и определения.

Для проверки технического состояния и соответствия параметров нормативно-техническим данным. Тяговые двигатели после изготовления или ремонта подвергаются испытаниям по программе регламентированной ГОСТ 2582. «Машины электрические вращающиеся тяговые».

Одним из основных видов испытаний ТЭД является снятие электромеханических характеристик.

Электромеханические характеристики тягового электродвигателя – это зависимости частоты вращения якоря n_д, момента М_д и коэффициента полезного действия η_д от тока нагрузки (якоря) I_д при постоянном значении

подведенного напряжения U_д и различных коэффициентов ослабления тока I_в возбуждения (α = I_в / I_д ):

n_д = f (I_д); М_д = f (I_д); η_д = f (I_д),

при U_д = const; α₁ = 1; α₂ < α₁; α _min< α₃< α₂

где, α_min – минимально допустимые значения коэффициента ослабления возбуждения по условиям безыскровой коммутации, составляет α _min ≈ 0,36

Для ТЭД постоянного тока имеем:

где U_д -[B], I_д - [А], Ф- [Вб], n_д - [об/мин], Р_пот - [Вт];

R_д = R_а+R_в + R_дп – сопротивление цепи якоря ТЭД

(R_а,R_в,R_дп – соответственно сопротивления обмоток якоря, возбуждения, добавочных полюсов)

C_e = – постоянная двигателя, учитывающая число пар полюсов р, число проводников обмотки якоря N , число параллельных ветвей обмотки якоря 2a;

Ф – магнитный поток двигателя;

Р_пот – суммарная мощность потерь в ТЭД.

Электромеханические характеристики тепловозных ТЭД имеют особенности: они определяются не при постоянном напряжении, а при изменении подведенного напряжения в соответствии с алгоритмом работы системы автоматического регулирования напряжения тягового генератора (ТГ), т.е. с учетом поддерживания постоянной мощности на зажимах ТГ

(РГ ≈ const), а следовательно и на зажимах ТЭД (P_д = U_д I_д ≈ const),

при этом U_д = ; α₁= 1; α₂ < α₁; α _min< α₃< α₂.

Электромеханические характеристики тягового электродвигателя отнесенные к ободу (колес)

На практике применяются расчетные электромеханические характеристики ТЭД отнесенные к ободу колеса (колес), т.е. реализуемые в точке касания колеса (колес) с рельсом – это зависимости силы тяги на ободе колеса (колес) F_k, скорости движения V и КПД передачи η_п от тока нагрузки ТЭД при значениях напряжения и коэффициента ослабления возбуждения . Такие характеристики носят так же название электротяговые характеристики ТЭД.

V = f(I_д); F_kд = f(I_д); η = f(I_д).

Расчет этих характеристик производится по известным данным n_д, М_д, η_д, см. (2.2)-(2.4) или по электромеханическим характеристикам для

конкретных значений тока I_д, и заданным величинам диаметра колеса Д_к (м), передаточного отношения тягового редуктора µ_тр, и КПД тягового редуктора ηтр по формулам:

Скорость движения тепловоза, км/ч

V=

Сила тяги, развиваемая ТЭД, Н

Коэффициент полезного действия передачи, %

Тяговая характеристика электродвигателя тепловоза.

По электромеханическим характеристикам ТЭД можно получить зависимость силы тяги развиваемой одной или всеми колесными парами тепловоза, от его скорости движения и построить тяговую характеристику тепловоза.

F_k=f(V)

Зная число движущих осей n, сила тяги будет равна:

F_k= F_kд n

Вычислив значение F_k при полученных величинах скорости, можно найти координаты тяговой характеристики тепловоза.

Описание метода взаимной нагрузки для испытания ТЭД

Испытания ТЭД в том числе снятие электромеханических характеристик проводят на стендах, работающих по экономному методу взаимной нагрузки. Схема стенда приведена на рис.1.

Суть метода основано на свойстве обратимости электрических машин постоянного тока: любая электрическая машина может работать в режиме двигателя или генератора. На стенде устанавливают два испытуемых однотипных двигателя, один из которых Д работает в режиме двигателя, а второй Г - в режиме генератора. Обе электрические машины взаимно нагружаются друг на друга (механические, с помощью муфт, и электрические). Потери, возникающие в контуре взаимной нагрузки, покрываются из сети через асинхронный двигатель АД, вращающий генераторы линейный ЯГ и вольтодобавочный ВДГ. Отметим, что каждый из генераторов может быть подключен к „своему" АД.

Рис.1 Схема метода взаимной нагрузки для испытания ТЭД.

Из внешней сети стенд потребляет только, то количество энергии, которая необходимо для покрытия потерь в электрических машинах, что на много меньше мощности испытуемого двигателя.

Требуемый режим работы двигателя Д по напряжению и току нагрузки устанавливается посредствам главного регулирования двух токов: возбуждения (R_лг и R_вдг - регулировочные резисторы цепи возбуждения ЛГ и ВДГ). Линейный генератор ЛГ предназначен для регулирования напряжения подводимого к Д, а следовательно частоты вращения его якоря. Он выравнивает баланс моментов между Д и Г, и компенсирует магнитные, механические и часть добавочных потерь обеих машин Д и Г.

Вольтодобавочный генератор ВДГ включен последовательно с Г и предназначен для регулирования тока нагрузки Д . Он выравнивает баланс напряжений между Д и Г, и компенсирует электрические и часть добавочных потерь.

Такие испытательные стенды широко используются на заводе-изготовителе ТЭД, ремонтных заводах и в локомотивных депо.

С развитием полупроводниковой технике в схеме стенда взаимной нагрузки произошли важные изменения: в замен ЛГ и ВДГ использованы более экономичные и менее инерционные тиристорные трехфазные мостовые выпрямители В1 и В2. (Рис. 2). Такие выпрямители обладают малыми пульсациями выпрямленного напряжения и обеспечивают надежную коммутацию машин постоянного тока Д и Г. Управление работой выпрямителей осуществляется системами управления СУ1 и СУ2. Требуемый режим работы стенда устанавливается посредством регулирования угла отпирания тиристоров.

Рис.2. Схема стенда взаимной нагрузки с использованием выпрямителей.

Анализ электромеханических характеристик.

Постановка вопроса.

Прежде чем проводить эксперимент, целесообразно сделать следующее:

- теоретически определить вид электромеханических характеристик

η_д = f(I_д);М_д = f(I_д); n_д = f(I_д) и построить их качественные зависимости;

- проанализировать тенденцию изменения частоты вращения n_д, момента М_д и КПД η_д от величины тока нагрузки I_д, а также от подведенного напряжения U_д и коэффициента ослабления тока возбуждения α₁= I_в/I_д; α₁= 1; α₂ < α₁; α _min< α₃< α₂.

- определить рациональный диапазон изменения тока нагрузки I_д.

Рассмотрим отдельно каждую из характеристик.

Характеристика n_д = f(I_д).

Данная электромеханическая характеристика называется также скоростной характеристикой.

В общем случае частота вращения якоря ТЭД постоянного тока n_д

изменяется путем регулирования напряжения подводимого к ТЭД U_д магнитного потока полюсов Ф и падением напряжения цепи якоря

(R_д+R_п) - сопротивление пусковых резисторов.

Рис.3 Электромеханическая (скоростная) характеристика

ТЭД n_д = f(I_д).

На тепловозах применяются только первые два способа. Третий способ связан с большими потерями энергии, применяется на электроподвижном составе и ниже не рассматривается.

В ТЭД с последовательным возбуждением ток возбуждения I_в=αI_д. При малых и средних нагрузках магнитную цепь двигателя можно считать ненасыщенной, в этом случае

Ф=kI_в=kαI_д ,

где _k-коэффициент пропорциональности

и следовательно,

_Где _{Се’= Сеk -} новый коэффициент.

Из (1) видно, что скоростная характеристика имеет гиперболический характер. Характеристики такого вида называются мягкими.

По мере увеличения тока I_д двигатель насыщается сильнее, и характеристика становится более полной постепенно переходя в прямую линию.

С увеличением напряжения U_д частота вращения n возрастает. Чем больше величина напряжения U_д=const, тем скоростная характеристика n=f(I_д) располагается выше (рис. 3.).

Влияние коэффициента ослабления тока возбуждения α. С уменьшением тока возбуждения (магнитного потока) частота вращения возрастает. Чем меньше коэффициент ослабления тока возбуждения α, тем скоростная характеристика n=f(I_д) располагается выше,

P.S. При изменении подведенного напряжения по закону и поддержание мощности на зажимах ТГ (P_г=const) при α₁= 1; α₂ < α₁; α _min< α₃< α₂ скоростные характеристики носят аналогичный характер.

Из формулы и характеристик (рис.3.) видно, что двигатель последовательного возбуждения нельзя пускать в режимах близких к холостому ходу (без нагрузки на валу), так как при этом частота вращения якоря резко возрастает и возможны механические разрушения ТЭД (разрыв бандажей, порча обмотки якоря и т.д.).

Такие режимы могут возникнуть при работе ТЭД на испытательном стенде учебной лаборатории, локомотивном депо и т.д.

Характеристика М_д = f(I_д).

Такая электромеханическая характеристика называется также моментной характеристикой.

Анализ моментной характеристики проведен на основе формулы электромагнитного вращающего момента

М =С_мФI_д,

где - постоянная двигателя (обозначения приведены выше).

Также как и ранее принимаем допущение, что магнитная система ТЭД не насыщается Ф=kI_в=kαI_д,

Где C_м’= C_м’k - коэффициент.

Момент двигателя с последовательным возбуждением зависит от квадрата тока якоря (это обстоятельство важно при трогании тепловоза с места, когда ТЭД должен развивать большой вращающий момент).

Анализ моментной характеристики показал, что при небольших токах нагрузки, когда электромагнитная система ненасыщенна, характеристика имеет вид параболы. С увеличением тока нагрузки I_д магнитная цепь двигателя насыщается и пропорциональность между потоком Ф и током

I_в ≡I_д нарушается.

Характеристика при этом отклоняется от параболы, возрастает все медленнее в области больших нагрузок (при насыщении) переходит в прямую линию.

Рис.4. Механическая характеристика ТЭД с последовательной обмоткой возбуждения

Влияние напряжения U_д. При увеличении подведенного напряжения и при той же токе нагрузки возрастает частота вращения якоря ТЭД . При этом согласно механической характеристики ТЭД с последовательным возбуждением (рис. 4), момент двигателя уменьшается по гиперболическому закону. Таким образом, чем больше подведенное напряжение U_д, тем моментная характеристика располагается ниже (рис.5).

Рис.5. Электромеханическая (моментная) характеристика ТЭД М_д = f(I_д).

Влияние коэффициента ослабления тока возбуждения α.

Чем меньше ток возбуждения, тем момент при том же токе якоря I_д становится меньше. С уменьшением коэффициента ослабления тока возбуждения α₁>α₂>α₃ моментная характеристика располагается ниже (рис. 5)

P.S. При тепловозном режиме работы моментные характеристики изменяются аналогично.

Характеристика . Коэффициент полезного действия

представляет собой отношение полезной мощности (для двигателя -

это мощность, развиваемая на валу) к подведенной

где - суммарная мощность потерь.

Потери мощности снижают КПД, вызывают нагрев и ухудшают эксплуатационные свойства. Они бывают следующих видов: магнитные (в

стали) , механические , электрические и добавочные

Потери - называются основными. С изменением

нагрузки двигателя изменяются все виды его потерь. Магнитные потери (потери в стали), складываются из потерь на вихревые токи и перемагничивание (гистерезис), возникающие в сердечнике якоря. Они зависят от частоты перемагничивания (частоты вращения якоря), магнитной индукции, толщины листов стали, её магнитных свойств и качества изоляции листов.

Механические потери складываются из потерь на трение в подшипниках, на трение щеток об коллектор, трение вращающихся частей о воздух. Механические потери возрастают с увеличением скорости вращения.

Следует отметить, что сумма магнитных и механических потерь мало изменяется в зависимости от нагрузки. Это объясняется тем, что с

увеличением тока индукции растут, тогда как частота вращения уменьшается. Механические и магнитные потери называют постоянными.

Электрические потери - это потери в обмотках составляющих цепь

якоря и потери в щеточном контакте

,

где падение напряжения в переходном контакте между

щетками и коллектором.

В процессе работы ТЭД нагревается, что влияет на сопротивление его обмоток, поэтому сопротивление приводится к

рабочей температуре , согласно ГОСТ 2582.

где - температурный коэффициент сопротивления

меди;

Т - температура окружающей среды, °С.

Величина энергетических потерь возрастает с увеличением тока нагрузки. Электрические потери это переменные потери.

Добавочные потери складываются из трудно учитываемых потерь: магнитных потерь в полосных наконечниках; потерь в сердечнике якоря, вызванных искажением основного магнитного потока действием реакции якоря; потерь от вихревых токов в меди обмотки якоря и т. п.

Принято считать, что добавочные потери очень малы. Они составляют в номинальном режиме около 0,5% мощности двигателя и изменяются пропорционально квадрату тока нагрузки /4/.

Аналитические зависимости получать сложно. В каждом

случае К.П.Д. двигателя определяется в результате расчетов, проведенных для конкретного ТЭД. Такая методика расчета приведена в /6/.

Ниже представлены рабочие (рис. 6) и универсальные (рис. 7) электромеханические характеристики тягового электродвигателя ЭД118 в

рабочем диапазоне изменения тока нагрузки и напряжения