Теория подвижного состава городского электрического транспорта

Рисунок 7.22 – Принципиальная схема включения тягового электродвигателя параллельного возбуждения (а)

и его электромеханические характеристики на ободе колеса (б)

Когда подвижной состав с включенным электродвигателем движется по крутому спуску, его скорость, а соответственно и ЭДС. Е = сФ возрастают. При некоторой скорости ЭДС становится равной приложенному к электродвигателю напряжению U и ток двигателя уменьшается до нуля. Если скорость продолжает повышаться, ЭДС превышает приложенное напряжение. Так как направление магнитного потока продолжает оставаться неизменным, изменяется знак силы тяги на колесе Fк и она переходит в тормозную силу. Тяговый электродвигатель автоматически переходит в генераторный режим. Ток генераторного режима электродвигателя может быть передан в контактную сеть. Подобный режим работы тягового элек-

тродвигателя называют рекуперативным торможением.

Непосредственный переход тягового электродвигателя параллельного и независимого возбуждения в генераторный режим, в случае повышения скорости, возможен благодаря наличию магнитного потока при отсутствии тока в якоре.

Основой расчета характеристик электродвигателей параллельного и независимого возбуждения является зависимость ЭДС Е и крутящего момента Мд от параметров электродвигателей:

190

где Е – ЭДС якоря, В; Iя – ток якоря, А;

Ф – магнитный поток одного полюса, Вб; ω – угловая скорость вращения якоря, рад/с; р – число пар главных полюсов;

N – число проводников на якоре;

а – число пар параллельных ветвей якоря.

Под естественными характеристиками электродвигателей па-

раллельного и независимого возбуждения понимаются характеристики, которыми они обладают при полном потоке и без внешних сопротивлений в цепи якоря.

Характеристики электродвигателей параллельного и независимого возбуждения при наличии внешних сопротивлений в цепи якоря или при ослабленном магнитном потоке называются искусствен-

ными характеристиками.

Все механические характеристики электродвигателей параллельного и независимого возбуждения, естественная и искусственная, прямолинейны и пересекаются в одной точке (Мд = 0; n = n0, здесь

при номинальном потоке возбуждения), соответствующей идеальному холостому ходу. При любой постоянной частоте вращения якоря (электродвигателя) приложенное напряжение Uн уравновешивается ЭДС якоря Е и падением напряжения IяR в сопротивлении всей силовой цепи, т. е.

Uн Е Iя Rд ,

где Iя – ток якоря, А;

Rд – суммарное сопротивление обмоток двигателя, Ом. Частота вращения якоря

191

где Ф – магнитный поток в электродвигателе; с1 – коэффициент, зависящий от параметров обмоток электродви-

гателя.

Крутящий момент электродвигателя Мд рассчитывается по фор-

муле (7.36)

Так как характеристики электродвигателя параллельного возбуждения являются линейными функциями, графики строятся по двум характерным точкам – точкам их пересечения с осями координат.

Электромеханическая характеристика:

точка холостого хода: Iя 0 ; n Uд ; c1Ф

точка короткого замыкания: Iкз Uд ; 0 .

Rя

Механическая характеристика:

П р и м е р 7.8

Рассчитать и построить характеристику тягового электродвигателя параллельного возбуждения. Данные для расчета характеристики электродвигателя приведены в таблице 7.9.

Таблица 7.9 – Данные для расчета характеристик электродвигателя

Р е ш е н и е

192

Расчет характеристик тягового электродвигателя параллельного возбуждения выполняется по приведенным выше формулам в следующей последовательности.

1. Магнитный поток электродвигателя

2. Угловая скорость вращения якоря электродвигателя

0 Uд 550 160,707 рад/с. с1Ф 3,422

3. Ток короткого замыкания

Iкз Uд 550 3666,667 А.

Rд 0,15

4.Крутящий момент электродвигателя, развиваемый при коротком замыкании

Мкз с1ФIкз 3,422 3666,667 12548,755Н м.

5.Максимальный ток, проходящий через электродвигатель:

Imax 2,5Iя 2,5 250 625,0 А.

6. Максимальный момент, развиваемый электродвигателем:

Mmax c1ФImax 3,422 625 2138,992 Н м.

7. Угловая скорость якоря электродвигателя

193

Вдвигателе согласно-смешанного возбуждения (рисунок 7.25, а)

втяговом режиме суммируются МДС последовательной и параллельной или независимой обмоток. Общая МДС равна

где Iп и wп – соответственно ток и число витков параллельной (независимой) обмотки;

wс – число витков последовательной обмотки;

I0 = Iпwп/wc.

Рисунок 7.25 – Принципиальная схема включения тягового электродвигателя согласно-смешанного возбуждения (а) и его электромеханические характеристики на ободе ведущего колеса (б)

Следовательно, электродвигатель согласно-смешанного возбуждения можно представить как электромашину с одной последовательной обмоткой, по которой наряду с током якоря протекает постоянный ток. В таком электродвигателе начало кривой сФ(I) сдвинуто от начала координат влево на отрезок, соответствующий току I0 по сравнению с электродвигателем последовательного возбуждения, рисунок 7.27, б. Поэтому при токе якоря, равном нулю, электромагнитная сила тяги Fэм и сФ не равны нулю, а соответствуют току I0.

195

Характеристика (I) электродвигателя имеет примерно ту же форму, что и у электродвигателя последовательного возбуждения, но сдвинута влево, как и кривая сФ(I).

Вэлектродвигателе согласно-смешанного возбуждения при нулевом токе I = 0 сохраняется МДС параллельной (независимой) обмотки, что обеспечивает ему возможность автоматического перехода в режим рекуперативного торможения. При переходе электродвигателя в генераторный режим электромагнитная сила Fэм меняет знак и становится тормозной. С увеличением тока рекуперации сила Fэм сначала возрастает, а при больших токах рекуперации электродвигатель сильно размагничивается. Абсолютное значение силы Fэм стремится к нулю при токе рекуперации I0, соответствующем МДС, равном нулю. В тяговом режиме значение силы Fк меньше, а при рекуперации – больше силы Fэм (см. рисунок 7.25).

Зависимости η(I) в тяговом и тормозном режимах имеют такой же вид, как у двигателя параллельного или независимого возбуждения.

Вэлектрических двигателях со встречно-смешанным возбуждением МДС обеих обмоток в режиме тяги не складывается, а вычитается (рисунок 7.26). Если МДС параллельной или независимой обмотки больше МДС последовательной обмотки, электродвигатель не пригоден для электрической тяги из-за неустойчивости работы. Случайное снижение тока в таком электродвигателе приводит к увеличению ЭДС, вызывающему дальнейшее снижение тока. Это так на-

зываемая электрическая неустойчивость электродвигателя встреч- но-смешанного возбуждения.

196

Рисунок 7.26 – Принципиальная схема включения тягового электродвигателя встречно-смешанного возбуждения (а) и его электромеханические характеристики на ободе ведущего колеса (б)

П р и м е р 7.9

Рассчитать и построить характеристику тягового электродвигателя согласно-смешанного возбуждения. Данные для расчета характеристики электродвигателя приведены в таблице 7.9.

Таблица 7.9 – Данные для расчета характеристик электродвигателя

Ре ш е н и е

1.Расчет и построение характеристик электродвигателей смешанного возбуждения при последовательных резисторах в силовой цепи ведется так же, как и для двигателей последовательно возбуждения.

Кривая намагничивания для электродвигателей смешанного возбуждения воспроизведена по рисунку 2.64 стр. 173 литературы [1],

иее численные значения, представленные в таблице 7.11, были аппроксимированы следующей зависимостью:

которая в дальнейшем использовалась для выполнения расчетов. По полученным результатам построена кривая намагничивания для электродвигателей смешанного возбуждения, рисунок 7.127.

Таблица 7.12 – Численные значения кривой намагничивания для электродвигателей смешанного возбуждения

197

0,685 0,748 0,809 0,867 0,921 0,971 1,016 1,056 1,091 1,121 1,148 1,170 1,189

Магнитный поток СЕФ

Ток возбуждения, А

Рисунок 7.27 – Универсальная кривая намагничивания электродвигателей смешанного возбуждения

2. Рассчитываем сопротивление и номинальный поток возбуждения:

– сопротивление параллельной обмотки

198

cФ2 сФ1 Iп.о 3,316 2,15 0,031с; Iя 232

сФн сФ1 сФ2 3,316 с 0,031с 3,285с.

3. Задаваясь различными последовательными значениями тока возбуждения i, расчет естественной характеристики электродвигателя согласно-смешанного возбуждения ведем в соответствии с описанным выше алгоритмом для электродвигателя последовательного возбуждения. Результаты расчета представлены в таблице 7.12.

Таблица 7.12 – Данные для построения естественной характеристики электродвигателя согласно-смешанного возбуждения, Рдв = 120 кВт

На рисунке 7.28 представлена естественная характеристика электродвигателя согласно-смешанного возбуждения, а на рисунке 7.29 – его механическая характеристика.

199