Техн ЕМБ / Лек ТЕД
.pdf
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
B – індукція в робочому повітряному зазорі;
t1 – крок по пазах на діаметрі якоря (по вершинах зубців).
Станина, яка є також частиною магнітного ланцюга, виконується з конструкційних сталей.
З формули (4.146) для сталі Ст. 3:
H |
( 1B)3 |
|
sin( 1B) , |
(4.149) |
де 1; 1 – числові коефіцієнти.
Коефіцієнти для формули (4.147) наведені у табл. 23.6, а для формули (4.149) – у табл. 4.7.
Коефіцієнти в табл. 4.6 одержані таким чином. Визначення α1 та β1 виконується за методикою, наведеною [18], за умови knx=0; δ1=0 , причому координати двох точок беруться на початку та в кінці нелі-
нійної частини кривої H z (Bz' ) . Коефіцієнт α1 визначається як середня величина для двох вибраних точок:
|
|
|
|
|
|
' |
" |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
1 |
, |
|
|
|
|
|
(4.150) |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
де |
1' ; 1" – відповідно величини коефіцієнта для першої та дру- |
|
||||||||||||||||
|
гої точок. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Таблиця 4.6 – Числові коефіцієнти для формули (4.147) |
|
|
|
|||||||||||||||
|
Марка |
|
|
|
2211, |
1211, |
|
|
|
|
|
1511, |
|
|
|
|
|
|
|
|
2013 |
|
|
2312, |
1212, |
|
|
1411 |
|
1512, |
|
|
3413 |
|
3411 |
|
|||
|
сталі |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
2411 |
1311 |
|
|
|
|
|
|
1513 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
α1, А/м Тл |
0,065·104 |
|
0,1785·104 |
0,03936·104 |
0,0939·104 |
|
0,1141·104 |
|
0,0035·104 |
|
121,1335 |
|
||||||
|
β1, 1/Тл |
0,655 |
|
0,66 |
0,695 |
|
|
0,716 |
|
0,7 |
|
|
0,783 |
|
0,745 |
|
|||
|
γ1, Тл |
0,0833 |
|
0,07 |
0,108 |
|
|
0,108 |
|
0,0808 |
|
0,024 |
|
0 |
|
||||
|
δ1, Тл |
0,065 |
|
- 0,014 |
- 0,004 |
|
|
- 0,015 |
|
0,009 |
|
|
0,06 |
|
- 0,0065 |
|
|||
|
При knx=0 |
B' |
|
B' ≤1,99 |
B' ≤2,11 |
|
B' ≤1,98 |
|
B' ≤1,8 |
|
B' ≤1,8 |
|
|
|
|||||
|
δ1=0 за |
|
|
|
|
|
– |
|
|||||||||||
|
zx |
|
zx |
zx |
|
zx |
|
zx |
|
zx |
|
|
|||||||
|
умови |
≤2,17 Тл |
|
Тл |
Тл |
|
Тл |
|
Тл |
|
Тл |
|
|
|
|||||
|
Таблиця 4.7 – Числові коефіцієнти для формули (4.149) |
|
|
|
|||||||||||||||
|
Сталь Ст. 3 лита |
|
Листова сталь Ст. 3 з товщиною 1-2 |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
мм (для полюсів) |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
α1, 1/Тл |
|
β1, (А/м)2/3·1/Тл |
|
α1, 1/Тл |
|
|
β1, (А/м)2/3·1/Тл |
|
||||||||||
|
1,155 |
|
|
9,462 |
|
|
|
|
1,642 |
|
|
|
7,97 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
151 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
Отже, якщо задані дві точки кривої з координатами
(H2; Bz' 2 ) , то за формулою (4.147)
H1
H2
Тоді
H2
H1
або
1Bz' 1tg2 ( 1Bz' 1) , 1Bz' 2tg2 ( 1Bz' 2 ) .
Bz' 2 tg( 1Bz' 2 ) 2 , Bz' 1 tg( 1Bz' 1)
tg( |
1 |
B' |
) |
|
H |
B' |
|
|
|
z2 |
|
|
|
2 z1 |
. |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
tg( |
|
B' |
) |
|
H B' |
|||
|
1 z1 |
|
|
1 z2 |
||||
(H1; Bz' 1) та
(4.151)
(4.152)
(4.153)
Зі співвідношення (4.153) за методикою, викладеною [17], визначається β1. Потім, використовуючи формули (4.151) та (4.152), ви-
значаються величини 1' ; 1" , а за формулою (4.150) – |
1 . |
|||||||||
Коефіцієнт |
|
1 визначається, як |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
' |
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
Bz max |
B z0 |
, |
(4.154) |
|
|
|
|
|
|
knx max |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
де B' |
; B' |
|
– розрахункові індукції в зубцях за сім’єю кривих |
|||||||
z max |
z0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
відповідно при knx max ;knx |
0 для напруженості магнітного поля, яка |
|||||||||
відповідна B' |
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
z max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
knx max – максимальне значення knx . |
|
|
||||||||
При відсутності пазів |
1 |
0 . |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коефіцієнт |
|
1 |
підбирається при повторних розрахунках за фор- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мулою (4.147). Спочатку вважається 1 =0, а потім 1 змінюється до
тих пір, доки не буде досягнута прийнятна точність, яка задається певним відсотком погрішності.
Для сталі Ст. 3 використовується формула (4.143) з урахуванням відсутності пазів:
152
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
H |
|
B (1 e H0 ) . |
(4.155) |
Зформули (4.155) за методикою, викладеною [17], визначаються
αта H0 з використанням формули (4.150).
При визначеннях за формулою (4.149) спочатку вище означеним чином вибираються дві точки кривої з координатами (H1;B1) та
(H2;B2).
Для цього випадку
|
|
|
|
( |
1 |
B )3 |
|
|
|
|
|
||||
|
H1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
; |
|
|
(4.156) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
sin( |
1B1) |
|
|
|||||||
|
|
|
|
( |
|
1 |
B )3 |
|
|
||||||
|
|
H2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
. |
|
(4.157) |
||
|
|
|
|
sin( |
1B |
2 ) |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Тоді: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
2 |
|
B3 sin( |
|
B ) |
|
|
|||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
1 1 |
|
. |
(4.158) |
|||||
|
H1 |
B3 sin( |
|
|
|||||||||||
|
1 |
B ) |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
||||
З виразу (4.158) за методикою, викладеною [17], визначається
α1. Потім з формул (4.156) та (4.157) визначаються 1' ; 1" нє значення:
' |
" |
|
|
1 |
1 |
1 |
. |
|
2 |
||
|
|
||
|
|
|
|
і їхнє серед-
(4.159)
Одержані вирази для індукцій у феромагнітних ділянках магнітопроводу машини постійного струму дозволяють вести аналітичні визначення магнітних параметрів B та H як у зубцевих шарах, так і в суцільних ділянках. При цьому погрішність, як показують виконані числові розрахунки, не перевищує 5%.
4.7 Магнітні характеристики машин постійного струму
Як аналітично визначаються магнітні характеристики машин постійного струму?
Для того, щоб мати можливість зручно порівнювати властивості різних електричних машин постійного струму, для аналізу й узагальнень, доцільно користуватись аналітичними виразами магнітних характеристик, які визначають більшість робочих характеристик цих ма-
153
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
шин. Одержання формул для магнітних характеристик можливе таким чином.
Звичайно машини постійного струму розрізняють за способом збудження. В залежності від способу збудження за різними формулами визначають робочі характеристики відповідного двигуна чи генератора постійного струму. При цьому виходять з кривої намагнічування, яка визначається залежністю [1]:
F Hi (Bi )li F FMO , (4.160)
де F – МРС холостого ходу на пару полюсів;
Hi (Bi )li – спад магнітної напруги на сталевих ділянках маг-
нітопроводу;
F , FMO – спади магнітної напруги в повітряних зазорах між полюсом та якорем і полюсом та остовом;
Hi (Bi ) – магнітна напруженість на i -й сталевій ділянці, яка залежить від індукції;
li – середня довжина силової лінії магнітного потоку на i -й ді-
лянці.
Залежність (4.160) може використовуватись для електричних машин постійного струму з будь-яким збудженням.
МРС збудження всієї машини на холостому ході з урахуванням
(4.160):
|
p F |
p(FZ Fa Fm Fc F FMO ) , |
(4.161) |
де спади МРС |
|
|
|
FZ |
– в зубцевій зоні з урахуванням проходження магнітного |
||
потоку через пази; |
|
|
|
Fa – у спинці якоря; |
|
||
Fm |
– в осерді полюса; |
|
|
Fc |
– у спинці статора. |
|
|
У формулі (4.161) |
p – число пар полюсів. |
|
|
Якщо машина працює з навантаженням, то МРС якоря взаємодіє з МРС основних полюсів і створюється результуюча МРС машини. При цьому необхідно враховувати дію подовжньої та поперечної МРС якоря.
154
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ |
|
||
Якщо щітки зсунуті відносно нейтралі на дугу bc , то [6]: |
|
||
|
Fad |
2Abc ; |
(4.162) |
|
Faq |
A( 2bc ) , |
(4.163) |
де A |
– лінійне навантаження машини; |
|
|
Fad |
– подовжня складова реакції якоря; |
|
|
Faq – поперечна складова реакції якоря;
– полюсна поділка.
Якщо щітки не зсовуються й розташовуються на нейтралі, то необхідно враховувати розмагнічуючу дію поперечної реакції якоря. Це можливо врахувати, визначаючи поперечну реакцію якоря за апроксимуючою формулою [18]:
Fqd |
I |
15 |
. |
(4.164) |
|
|
|
||||
Iном |
15 |
||||
|
|
|
Але, виходячи лише з магнітного розрахунку, можливо скористатись апроксимуючою формулою:
Fqd % |
BZ1/3 |
0.6 |
, |
(4.165) |
|
0.0855 |
|||||
|
|
|
|||
де Fqd % – поперечна реакція якоря у відсотках від МРС збу-
дження холостого ходу всієї машини (4.160);
BZ1/3 – індукція зубця на відстані 1/3 від його виходу зі спинки
якоря.
Тоді повна МРС збудження:
Fзб |
(1 0.01Fqd % ) p |
F . |
(4.166) |
||
МРС на пару полюсів: |
|
|
|
|
|
Fзбp |
(1 0.01Fqd % ) |
F . |
(4.167) |
||
Розрахунок навантажувальної характеристики машини ведеться |
|||||
за формулами (4.161), |
(4.166) |
для |
кількох |
точок, наприклад, |
|
(0.5; 0.75; 0.9; 1.0; 1.1; 1.15) |
ном , |
де |
ном – магнітний потік в |
||
номінальному режимі для пари полюсів. |
|
|
|
||
Потім будується графічна залежність |
(Fзбp ) . Ця характерис- |
||||
тика апроксимується за методикою, викладеною [18]. Таким чином, одержується аналітичний вираз:
155
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
|
|
|
|
Fзбp |
|
|
|
|
1 |
e |
F0 , |
(4.168) |
|
де |
– |
магнітний потік |
за |
кривою |
(Fзбp ) відповідний |
|
Fзбр Fзб max |
1.25Fзбном ; |
|
|
|
|
|
Fзбном – МРС збудження на пару полюсів у номінальному ре-
жимі;
F0 – стала МРС, відповідна залежності (4.168).
Для машини з будь-яким електромагнітним збудженням (універсальним) [8]:
Fзбр Fзб max (KFнзл |
KFпсл ) , |
(4.169) |
|||
де |
|
|
|
||
KFнзл |
Fнзл |
; |
(4.170) |
||
Fзб max |
|||||
|
|
|
|
||
KFпсл |
|
Fпсл |
; |
(4.171) |
|
|
Fзб max |
||||
|
|
|
|
||
Fзбнзл – МРС, створювана обмоткою незалежного збудження; Fзбпсл – МРС, створювана обмоткою послідовного збудження.
Знак “+” у виразі (4.169) відповідний узгодженому збудженню за допомогою двох обмоток, а знак “-” – протизбудженню.
Користуючись формулою (4.169), слід розрізняти низку окремих випадків.
1 При незалежному збудженні:
KFпсл 0; 0 KFнзл 1. 2 При послідовному збудженні:
KFнзл 0; 0 KFпсл 1.
3 Для машини з мішаним узгодженим збудженням:
Fзб max |
Fнзл |
Fпсл ; |
(4.172) |
KFнзл |
KFпсл |
1. |
(4.173) |
Формула (4.173) відповідна магнітному потокові 
. Якщо магнітний потік, а отже, й МРС, регулюється, то
156
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ |
|
0 (KFнзл KFпсл ) 1. |
(4.174) |
4 Якщо в машині застосовується протизбудження, то у формулах (4.172)–(4.174) замість “+” застосовується “-”, а з виразу (4.174):
0 (KFнзл KFпсл ) 1. |
(4.175) |
Але в будь-якому разі формули (4.168), (4.169) залишаються загальними.
Таким чином, користуючись формулами (4.168)–(4.175) та виразами для різних характеристик електричної машини, наведеними [6], можливо одержати та використати в будь-якому з розглянутих випадків аналітичні залежності, які визначають властивості машин постій ного струму.
157
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
Лекція 5 БЕЗКОЛЕКТОРНІ ТЯГОВІ ДВИГУНИ
ПЛАН ЛЕКЦІЇ
Загальні порівняльні дані колекторних та безколекторних тягових двигунів. Вентильні тягові двигуни та електромагнітні процеси у них. Характеристики.
Живлення асинхронних тягових двигунів від напівпровідникових перетворювачів. Частотне регулювання. Електромагнітні процеси.
Лекції –4 години Лабораторні роботи – 7 годин. Самостійна робота –8 годин
Рекомендована література: [1], [5].
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1 Захарченко Д. Д., Ротанов Н. А. Тяговые Электрические машины: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. – М. : Транспорт. – 1991. –
343 с.
5 Дзензерский В. А., Омельяненко В. И., Васильев С. В., Матин В. И., Сергеев С. А. Высокоскоростной магнитный транспорт с электродинамической левитацией / Под общей ред. д. т. н., проф. В. А Дзензерского; проф. В. И. Омельяненко. – К. : Наукова думка. – 2001.
–480 с.
5.1Загальні порівняльні дані колекторних та безколекторних тягових двигунів
Порівняти властивості колекторних та безколекторних тягових двигунів.
Колекторні тягові двигуни, які застосовуються, поряд зі сприятливими тяговими властивостями та відносно високими технікоекономічними показниками, мають серйозні недоліки, пов’язані, в першу чергу, з наявністю колектора та щіткового апарату. Наявність колектора зменшує експлуатаційну надійність, ускладнює ремонт тягових двигунів та збільшує витрати на технічне утримання електрорухомого складу.
Розвиток електричної тяги супроводжувався зростанням як потужності електрорухомого складу в цілому (збільшенням числа осей), так і потужності двигунів. Зростання потужності колекторних тягових
158
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
двигунів обмежується комутаційною напруженістю машини, механічною міцністю колектора та кріплення якірної обмотки, тепловою напруженістю. В якості тягових двигунів змінного струму спочатку були застосовані однофазні колекторні двигуни зниженої частоти (162/3 та 25 Гц) і асинхронні з живленням від трифазної контактної мережі. У зв’язку зі складністю та ненадійністю контактної мережі та незадовільними регулювальними якостями трифазна система в наш час не застосовується. Однофазні колекторні двигуни зменшеної частоти застосовуються на електрорухомому складі деяких країн. Принцип їхньої дії аналогічний принципові дії машин постійного струму, але змінний магнітний потік Ф головних полюсів взаємодіє зі змінним струмом І якоря. Процес комутації таких машин тим складніший, чим вища частота живлячого струму, що ускладнює їх виготовлення на частоту 50 Гц.
Задача значного збільшення потужності електрорухомого складу при одночасному підвищенні надійності може бути вирішена переходом на безколекторні тягові двигуни (вентильні й асинхронні).
Порівняльний аналіз колекторних та асинхронних тягових двигунів (АТД) для потужностей 100 P 1500 кВт, виконаний фірмою ВВС, показує, що тангенціальна сила на поверхні ротора для АТД в 1.5-2 рази більша, ніж для колекторних, і досягає 5 Н/см2; потужність, віднесена до одиниці поверхні ротора, в два рази більша й досягає 0.25 0.3 кВт/см2; обводова швидкість ротора може досягати 80 90 м/с, що перевищує допустимі значення для колекторних машин; при збереженні частоти обертання АТД на рівні частоти обертання якорів колекторних машин можливе збільшення моменту двигуна наближено на 50%; за питомою потужністю АТД в 2 2.5 рази перевищують колекторні машини, а їхній ККД на 4.5 2 % вищий.
Важливе значення для експлуатації має надійність системи. Підвищення надійності АТД й ліквідація щітково-колекторного вузла визначається самою конструкцією асинхронної машини. Як відомо, асинхронні двигуни (АД) з короткозамкненим ротором мають лише одну обмотку (статорну), яка виконана з ізоляцією. Тому АТД не потребує періодичних оглядів кваліфікованими слюсарями-мотористами. Його обслуговування зводиться тільки до запресування мастила в підшипники.
159
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
Важливим показником ефективності впровадження асинхронного тягового привода є витрати на утримання електровоза в умовах експлуатації.
Багато суперечливих думок висловлювалось про розподіл навантажень між паралельно працюючими АТД при розбіжності діаметрів бандажів колісних пар. Але експериментальні дані показали, що при допустимій в експлуатації різниці в діаметрах коліс 10мм розбіжність в навантаженнях не перевищує 8÷10 %, а при різниці 5÷6 мм у зоні номінальних навантажень це розходження не перевищує 4÷6 %. Цей показник не гірший відповідного для серійних електровозів з колекторними тяговими двигунами.
У 2004 році Дніпропетровський електровозобудівний завод випустив перший в Україні електровоз із АТД.
5.2 Вентильні тягові двигуни
Що таке вентильний тяговий двигун та які його переваги перед колекторним тяговим двигуном?
Конструктивно вентильний двигун подібний до звичайної синхронної машини. На статорі розташована багатофазна якірна обмотка, а на роторі – обмотка збудження постійного струму, до якої електрична енергія подається через спеціальні кільця та щітки. При цьому, якщо обмотка ротора увімкнена у ланцюг статора, то двигун має характеристики, подібні, до характеристик машини послідовного збудження. Якщо ж ланцюг живлення обмотки ротора не пов'язаний з ланцюгом статора, то характеристики двигуна будуть визначатись законом регулюванням струму збудження ротора.
За своїм принципом дії вентильний двигун (ВД) подібний до машини постійного струму (МПС), в якій механічний колектор замінено системою силових керованих вентилів перетворювача.
Які напівпровідникові перетворювачі застосовують у вентильних двигунах з живленням від контактної мережі змінного та постійного струму?
Але, на відміну від МПС, ВД має малу кількість відводів, які комутуються (в трифазній системі – 3). Це можливо тому, що вентильна комутація струму в якірній (статорній) обмотці машини дозволяє допускати значні напруги між виводами (кілька сотень і навіть тисяч вольт), тоді як звичайний колектор задовільно працює при максимальній напрузі між колекторними пластинами 36÷40 В.
160