3. 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.

4. 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 η_д = f(I_д)

Коэффициент полезного действия η_д представляет собой отношение полезной мощности P_пол (для двигателя - это мощность, развиваемая на валу) к подведенной P_д=U_д∙I_д

где P_пот- суммарная мощность потерь.

Потери мощности снижают КПД, вызывают нагрев и ухудшают эксплуатационные свойства. Они бывают следующих видов: магнитные (в стали) P_магн, механические P_мех, электрические P_эл и добавочные P_доб

P_пот= P_магн +P_мех+P_эл +P_доб

Потери P_магн, P_мех+P_эл - 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 I_д индукции растут, тогда как частота вращения n_д уменьшается. Механические и магнитные потери называют постоянными.

Электрические потери - это потери в обмотках составляющих цепь

якоря R_д и потери в щеточном контакте

P_эл= I_д²∙R_д+ I_д∙∆U_щ

где ∆U_{щ ≈2В -} падение напряжения в переходном контакте между щетками и коллектором.

В процессе работы ТЭД нагревается, что влияет на сопротивление его обмоток, поэтому сопротивление R_д=R_о+R_в+R_дп приводится к рабочей температуре t=115˚C, согласно ГОСТ-2582.

R_115˚=R_{д приТ}[1+α(115˚-Т)]

где α=0,004 град^-1- 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.

Аналитические зависимости η_д = f(I_д) получать сложно. В каждом случае КПД двигателя определяется в результате расчетов, проведенных для конкретного ТЭД.

Ниже представлены рабочие (рис. 6) и универсальные (рис. 7) электромеханические характеристики тягового электродвигателя ЭД118 в рабочем диапазоне изменения тока нагрузки I_д и напряжения U_д.

Рис. 6. Рабочие электромеханические характеристики тягового электродвигателя ЭД118 (P_д= 305кВт; 463/700 В;720/476 А; 585/2290 об/мин тепловоз 2ТЭ10Л; 2ТЭ116; ТЭ109; P_г= 2206 кВт)

Рис. 7. Универсальные электромеханические характеристики тягового электродвигателя ЭД118 (P_д= 305кВт; 463/700 В;720/476 А; 585/2290 об/мин тепловоз 2ТЭ10Л; 2ТЭ116; ТЭ109; P_г= 2206 кВт)