Техн ЕМБ / Лек ТЕД

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

для секцій, провідники котрих розташовані під серединою полюса, еТХ 0 , оскільки ФХЗ 0 . ЕРС еТ незначна, тому для двигунів з по-

стійним шунтуванням обмотки збудження вплив еТХ на розподіл напруги по колу колектора малий.

Рисунок 3.12 – До визначення трансформаторної ЕРС

Як впливають пульсації якірного струму на розподіл індукції під головним полюсом? Наведіть графіки розподілу індукції.

Пульсації струму якоря тягового двигуна супроводжуються пульсаціями його лінійного навантаження, які викликають значні змінні складові МРС реакції якоря Fряз . Магнітний потік реакції яко-

ря проходить у ланцюзі шихтованих ділянок магнітопроводу (осердя якоря й головного полюсу), тому згладжуючий вплив на нього вихрових струмів порівняно малий.

Пульсаційні змінення Fряз визначаються такими межами:

Вплив цих пульсацій на розподіл індукції під головним полюсом найпростіше показати для граничних відхилень МРС, яким відповідають граничні відхилення індукції від реакції якоря Bряз max та

(рис. 3.13).

101

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Для спрощення, повітряний зазор вважається рівномірним, а магнітний потік головного полюса – не пульсуючим. Останнє можливе вважати, оскільки коефіцієнти пульсації KПФ KПI .

Межі пульсаційних коливань Bряз й результуючої індукції під полюсом Bбз вказані на рис. 3.13 заштрихованими площами.

Рисунок 3.13 – Зона пульсацій реакції якоря й індукції в повітряному зазорі під головним полюсом

Як змінюються при пульсуючому струмі якоря коефіцієнти стійкості та спотворення?

Один з можливих дійсних розподілів індукції подано штриховою лінією. При відсутності пульсацій, коефіцієнт спотворення розподілу індукції (тобто – й напруги по колу колектора)

При рівномірному повітряному зазорі й пульсуючому струмі ко-

ефіцієнт спотворення змінюється в межах:

102

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

KСП KСПОmax . Відносне погіршення потенціальних умов у цьому

випадку внаслідок пульсацій реакції якоря можливо оцінити відношення коефіцієнтів спотворення при роботі двигуна на пульсуючому струмі. Для умов рівномірного повітряного зазору з рівнянь (3.52):

що може бути при малих струмах двигуна й глибокому послабленні збудження. Погіршення потенціальних умов виникає при повітряних зазорах, що розходяться.

Різниця у відносному погіршенні потенціального режиму при рівномірному й ексцентричному зазорах не велика.

Як впливає індуктивність між провідниками якоря на напругу між суміжними колекторними пластинами у двигунах з компенсаційною обмоткою та без неї?

Аналіз показує, що внаслідок пульсацій реакції якоря напруга між суміжними колекторними пластинами може при різних режимах роботи двигуна підвищуватись на 10 18 %. При застосуванні компенсаційної обмотки найбільший коефіцієнт спотворення розподілу напруги значно менший. Звичайно коефіцієнт пульсації напруги якоря

жуть викликати помітне підвищення UK у зв’язку з нерівномірним

розподілом індуктивності між провідниками обмотки якоря.

В машинах з компенсаційною обмоткою потік реакції якоря практично відсутній, тому індуктивність провідників якірної обмотки викликається лише невеликими потоками їхнього магнітного розсіювання. Вона незначна, практично рівномірна й майже не впливає на розподіл напруги по колу колектора.

103

В. Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Внекомпенсованих машинах індуктивність провідника якірної обмотки LCX , розташованого на відстані X від середини головного

полюса, залежить від магнітного потоку реакції якоря ФСХ , зчеплено-

го з провідником.

Як впливає на потенціальні діаграми тягових двигунів пульсуючого струму нестабільність напруги? Як цей вплив компенсують?

Змінна складова напруги особливо зростає в середині полюса й зменшується з країв. При цьому можливе максимальне значення напруги між суміжними пластинами з урахуванням змінної

складової цієї напруги:

де iяз – змінна складова струму в гілках якірної обмотки.

Якщо в формулі (3.55) враховувати лише основну гармоніку пульсацій, то це може бути причиною великих похибок при оцінці величини ecix , оскільки більш високі гармоніки можуть сильно впли-

вати на похідну струму за часом. Особливо зростає рівень diяз у по- dt

рівнянні з (3.55), якщо передбачено регулювання випрямленої напруги зміненням часу провідного стану керованих напівпровідникових при-

тають в момент комутації.

Як впливає на потенціальні діаграми тягових двигунів пульсуючого струму нестабільність напруги? Як цей вплив компенсують?

Характер впливу різних факторів на потенціальні діаграми тягових двигунів пульсуючого струму значно залежить від співвідношення періоду пульсації Tп та періоду обертання якоря

104

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Потенціальні режими на колекторах тягових двигунів випрямних локомотивів найбільше залежать від нестабільності середньої напруги Uк . Змінення цієї напруги можуть бути випадковими: регулю-

вальні змінення; під впливом спаду напруги в перетворювачі Uпр ,

який залежить від струму навантаження I ; змінення напруги Uм на струмоприймачі локомотива.

Найбільшою небезпекою є збільшення напруги Uк , максимальне значення якої

Uк max H Uкном ,

де H – коефіцієнт можливого підвищення напруги.

Ймовірність співпадання всіх несприятливих умов велика. Звичайно H 1.35 1.6 , що з урахуванням особливості розподілу напруги по колу колектора сильно утруднює струмознімання. Тому застосовуються спеціальні заходи для покращення потенціальних умов на колекторах тягових двигунів пульсуючого струму. Найбільш суттєві з них: зменшення коефіцієнту H , напруги Uкср в машинах без ком-

пенсаційної обмотки до Uкср 13 15 В. Але найбільший ефект дає застосування в тягових двигунах компенсаційної обмотки.

3.5 Додаткові втрати в двигунах пульсуючого струму

Які причини виникнення додаткових втрат потужності у тягових двигунах? Як ці втрати визначають? Як зменшують такі втрати?

Виникнення в двигунах пульсуючих магнітних полів викликає додаткові пульсаційні втрати Pп . За своєю природою Pп є магніт-

ними втратами й залежать від частоти пульсацій змінних індукцій в магнітопроводі, властивостей магнітних матеріалів, об’єму (маси) магнітопроводу. Пульсаційні втрати порівняно малі в шихтованих ділянках магнітопроводу з електротехнічної сталі з малою електропровідністю та вузькою петлею гістерезису, але вони значно зростають в

масивних ділянках магнітопроводу із звичайної конструкційної сталі (наприклад, остов двигуна).

105

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Процеси в сталевих магнітопроводах при намагнічуванні одночасно постійною та змінною складовими МРС складні. Тому точне визначення Pп пов’язане з великими труднощами. Тому звичайно

вводять припущення, які зменшують точність визначення. Одне з таких припущень – розглядання дії змінних складових магнітних індукцій та напруженостей незалежно від їхніх постійних складових.

Як наближено, нехтуючи втратами потужності, визначають розмах пульсацій якірного струму та середню напругу якоря для тягового двигуна при однополярному імпульсному живленні?

Величина Pп значною мірою залежить від структури магніто-

ша, ніж в масивних магнітопроводах, та в багато разів менша товщина окремих пластин 2b . Тому звичайно враховують пульсаційні втрати лише в масивних ділянках магнітопроводів – в остовах. Часто для визначення пульсаційних втрат використовують більш прості методи, які ґрунтуються на дослідних даних.

Можливо наближено вважати, що весь активний магнітний опір визначається пульсаційними втратами в сталі остова. Тоді

Пульсаційні втрати зменшують ККД двигуна на 1-2%, але не значно впливають на нагрів обмоток.

106

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Рисунок 3.14 – Схема виникнення втрат в рамі головного полюсу: 1 – осердя головного полюсу; 2 – опірна рама; 3 – полюсна котушка

Пульсації магнітних полів машини можуть викликати «паразитні» втрати в деталях, які охоплюють пульсуючі потоки. Хоча ці втрати й невеликі, але вони можуть призводити до неприпустимого нагрівання деталей. Наприклад – в опірній рамі полюсної котушки (рис. 3.14). Тому при конструюванні тягових двигунів пульсуючого струму застосування таких деталей слід уникати, використовуючи їх з розімкненими контурами або з непровідних матеріалів (пластмаси і т. д.).

Поряд з додатковими втратами в сталі виникають додаткові пульсаційні втрати в обмотках від підвищення ефективного значення струму та від вихрових струмів у провідниках обмотки. Для розрахунку першої складової втрат можна врахувати тільки першу гармоніку змінної складової струму. Тоді ефективне значення пульсуючого струму:

Додаткові втрати в обмотках від вихрових струмів у провідниках Pвп створюються змінними полями розсіювання провідників.

Вони найбільші у якірній обмотці, особливо в пазовій частині. Зменшення додаткових пульсаційних втрат звичайно досягають

зменшенням KпI . Для зменшення втрат від вихрових струмів доціль-

но розташовувати провідники обмотки якоря в пазу широкою стороною до дна пазу.

3.6 Особливості роботи тягових двигунів при імпульсному регулюванні напруги та збудження

При імпульсному регулюванні (див. п. 15.2.3) напруга джерела живлення перетворюється на послідовність імпульсів, які подаються до тягових двигунів.

В ланцюзі двигунів проходить пульсуючий струм, який наводить вихрові струми в магнітній системі, створюючи додаткові втрати та ускладнюючи комутаційний процес машини.

Для визначення середньої напруги на обмотці тягового двигуна та розмаху пульсацій якірного струму скористаємось методом, запропонованим [46], з використанням рівнянь енергетичного балансу. Для

107

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

спрощення міркувань та одержання наближених, але простих, формул, розглянемо ідеальний випадок, коли втрати потужності відсутні

( P 0 ).

Враховуючи те, що, коли до якірного ланцюга прикладається імпульс напруги, відбувається накопичення енергії в індуктивностях ланцюга, цю тривалість будемо називати проміжком часу накопичення енергії й позначатимемо через Tнк . При відсутності імпульсу на-

пруги, тобто в паузі, відбувається витрачання накопиченої енергії. Тому цю тривалість будемо називати проміжком часу витрачання на-

де Iср , I – відповідно середній струм навантаження та його ро-

змах пульсацій.

Підставимо з (3.62) та (3.63) у (3.61). Після перетворень одержимо:

Проміжок часу

108

Наведіть схеми вмикання тягового двигуна в тяговому та гальмівному режимах. Поясніть їхній принцип дії та призначення елементів схеми.

Рисунок 3.15 – Схеми імпульсного регулювання збудження двигуна в тяговому (а) та гальмівному (б) режимах

109

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Поряд з імпульсним регулюванням напруги якоря широко застосовується імпульсне регулювання збудження тягового двигуна зміненням коефіцієнта збудження (рис.3.15). Обмотку збудження пос-

тійно шунтують резистором rшо для полегшення умов роботи напівпровідникового переривника.

3.7 Двигуни постійного струму з неявнополюсним статором

Які особливості роботи тягового двигуна постійного струму з неявнополюсним статором? Які можуть бути варіанти конструкції обмоток?

Відомо, що реакція якоря машини постійного струму негативно впливає на її роботу: спотворює магнітне поле у повітряному зазорі. Це призводить до погіршення потенціальної кривої на колекторі, зменшує основний магнітний потік, що потребує збільшення повітряного зазору та МРС основних полюсів. А це, в свою чергу, збільшує витрати міді обмоток основних та додаткових полюсів, що збільшує втрати потужності та зменшує ККД. Тому бажана повна компенсація реакції якоря. Такі машини виконують з неявними полюсами [7].

Статор виконують аналогічно статору асинхронної машини, тобто шихтованим із сталевих листів з рівномірно розподіленими по колу пазами. У всіх пазах статора рівномірно розташовуються провідники обмотки збудження та компенсаційної обмотки. Компенсаційна обмотка повністю компенсує реакцію якоря, внаслідок чого повітряний зазор рівномірний та мінімально можливий.

У двигуні також реакція якоря повністю компенсується, але компенсаційна обмотка розташовується в третині пазів кожної полюсної поділки. Обмотка збудження займає дві третини пазів кожної полюсної поділки. Вісь МРС компенсаційної обмотки співпадає з віссю МРС якірної обмотки й спрямована зустрічно.

Як визначають середні МРС компенсаційної та якірної обмоток при неявнополюсному статорі тягового двигуна постійного струму?

Значно ефективніше несиметричне розташування компенсаційної обмотки відносно подовжньої осі. Компенсаційну обмотку розташовують на половині кожної полюсної поділки між подовжньою та поперечною осями і вмикають послідовно з якірною обмоткою. Напрям струму в компенсаційній обмотці протилежний до напряму струму в пазах якірної обмотки (рис. 3.16).

110