Техн ЕМБ / Лек ТЕД

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Критичне ковзання Sкр , відповідне критичній швидкості обер-

тання, визначається з виразу (5.23), досліджуючи його на максимум, тобто

де Cм – стала величина.

З формули (5.26) випливає, що регулювання частоти обертання АТД тільки зміною величини f1 неприйнятне, оскільки при цьому

буде змінюватись Mmax . Оскільки магнітний потік Ф асинхронної машини пропорційний напрузі U1 , можливо відмітити, що

181

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Таким чином, регулювання частоти обертання зміною частоти f1 потребує одночасного регулювання амплітуди напруги U1. Найчастіше регулюють при U1 f1 const .

5.6 Електромагнітні процеси в частотно регулювальному АТД

Які гармоніки МРС виникають в асинхронному тяговому двигуні та як вони впливають на момент двигуна?

Оскільки АТД живиться від напівпровідникового перетворювача, струм його несинусоїдний, тому з’являються вищі гармоніки МРС [4]. Обмотка статора АТД з’єднана зіркою, тому гармонічні складові струму, які кратні трьом, відсутні. Наявні лише гармоніки з номерами 6k 1, де k 1, 2, 3, … . Ці гармоніки створюють обертові магні-

значення мають 5, 7 та 11 гармоніки. Гармоніки більших номерів майже не впливають на роботу машини. Для вищих гармонік

Для вищих гармонік струми в роторі мають високу частоту. Поряд з гармоніками, які змінюються у часі, у АТД як і в інших

звичайних двигунах при синусоїдному живленні, є просторові гармоніки поля, обумовлені зубчастою будовою поверхонь статора і ротора. У АТД ці гармоніки підсилюються при повністю відкритих пазах ста-

182

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

тора. Наявність просторових гармонік при прямому пуску АТД призводить до провалів моменту на нестійкій частині механічної характеристики. Це явище може бути суттєво зкомпенсованим вибором відповідного співвідношення числа пазів ротора й статора, скосом пазів ротора. Але наявність гармонік, змінних у часі, вносить у роботу частотно регулювальних АТД низку особливостей.

Складові моменту від вищих гармонік, змінних у часі, виникають при взаємодії струмів і магнітних потоків однакових номерів. Ці складові діють в залежності від номерів гармонік узгоджено або зустрічно з основним моментом.

Гармонічні складові магнітного потоку Ф дуже малі у зв’язку з

демпфуючою дією короткозамкненої обмотки ротора. Крім того, частина складових моменту діє зустрічно до інших складових, що зменшує вплив складових від вищих гармонік. Тому цим впливом можливо практично знехтувати. Крім згаданих складових моменту, в АТД з’являються моменти від взаємодії вищих гармонік струму та першої гармоніки потоку. Вони можуть бути значними і мають частоту 6 f1k ,

де k 1, 2, 3, … , а f1 – частота зміни потоку. Магнітне поле 5-ї гар-

моніки обертається проти, а 7-ї – узгоджено з полем першої гармоніки. Сумісно ці поля створюють у роторі струми 6-ї гармоніки. Тому змінний момент 5-ї та 7-ї гармонік має 6-ти кратну частоту по відношенню до першої гармоніки. Струми 11-ї та 13-ї гармонік створюють момент 12-ти кратної частоти. Відносна пульсація моменту двигуна:

m M max M min

2Mср

де середнє значення моменту;

6 T 6

M ср Т 0 M (t)dt

Тягові двигуни приводять до руху значні інерційні маси, які переміщуються обертально та поступально. Тому, як показує досвід, пульсуючою складовою моменту m можна знехтувати при швидкостях руху, близьких до номінальної та вищих за неї.

При пусках, коли частота напруги живлення близько 1 Гц, а частота m 5 6 Гц, струм і магнітний потік мають підвищені значення. Виникає так званий «кроковий ефект», Для зменшення змінного мо-

183

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

менту зменшують амплітуду вищих гармонік напруги або підвищують пускову частоту. Практика показала, що відносне значення пульсації моменту m не повинне перевищувати 20÷25 %.

На які втрати потужності та як впливає частотне регулювання асинхронних тягових двигунів?

Додаткові й магнітні втрати від вищих гармонік напруги й струму утворюються в статорі й роторі. Додаткові втрати пов’язані, перш за все, зі струмами статора й ротора.

Магнітні втрати порівняно невеликі, оскільки амплітуди вищих

З формули (5.29) видно, що ці втрати значно зменшуються зі зростанням номера гармоніки. Звичайно вони, збільшуючись з підви-

щенням f 1 , досить малі.

184

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Лекція 6 ЛІНІЙНІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВИГУНИ

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

Особливості тягових лінійних двигунів. Класифікація лінійних електричних машин. Лінійні двигуни асинхронні, синхронні, постійного струму, універсальні, вентильні. Приклади використання лінійних електричних машин.

Лінійні асинхронні двигуни для високошвидкісного наземного транспорту. Кінцеві ефекти. Крайові та поверхневий ефекти. Особливості конструкції обмоток лінійних асинхронних двигунів. Нормальні сили.

Лекції –4 години Самостійна робота –8 годин

Рекомендована література: [2], [4], [6].

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

2 Иоффе А. Б. Тяговые электрические машины. Теория, конструкция, проектирование. – М. – Л.: Энергия. – 1965. – 232 с.

4 Тягові електричні машини електрорухомого складу: Навчальний посібник /В. М. Безрученко, В. К. Варченко, В. В. Чумак. – Д.: Вид-во Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна, 2003. – 252 с.

6 Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. – М. –

Л.: Энергия. – Ч. 1. – 1972. – 544 с.; Ч. 2. – 1973. – 704 с.

6.1 Загальні положення

Які області застосування лінійних двигунів? Чим вони відрізняються від обертових двигунів?

Безперервне вдосконалення технології виробництва сприяло подальшому розвиткові відомих ідей по застосуванню лінійних електричних двигунів, які можуть забезпечити поступальний рух виробові або машині без кінематичного механізму, який перетворює обертальний рух на поступальний.

Області застосування лінійних електродвигунів досить різні – від пристроїв для відкривання дверей до машин, які використовуються для переміщення розплавленого металу, в яких сам метал виконує роль короткозамкненої обмотки асинхронного двигуна.

Використовуючи лінійні електродвигуни, можливо створити рухомі екіпажі, котрі реалізовували б значно більші сили тяги, ніж вживані тягові двигуни на теперішній час, та швидкості руху 400 700 км/г

185

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

зі створенням сили тяги не внаслідок сил зчеплення, а взаємодією магнітних потоків в активних частинах машини, розташованих на рухомій одиниці та колії. Це можливо здійснити, застосувавши тягові лінійні двигуни асинхронні, синхронні, вентильні та постійного струму.

В наш час застосовуються лише лінійні двигуни, а не генератори. Лінійні асинхронні двигуни (ЛАД) та лінійні синхронні двигуни розроблені для поступального, крокового та коливального рухів.

Таким чином, лінійним двигуном називають пристрій, який забезпечує поступальний рух [22].

Силу, яка створює поступальний, лінійний рух, звичайно називають силою тяги.

Силу, яка перпендикулярна до напряму руху, називають нормальною силою. Присутність нормальної сили в лінійних електричних машинах (ЛЕМ) є їхньою характерною рисою, яка відрізняє їх від обертових машин, де така сила не виникає, або не суттєва.

6.2 Особливості тягових лінійних двигунів

Поясніть будову та принцип дії лінійного асинхронного двигуна. Які конструктивні різновиди таких двигунів найчастіше застосовуються?

Найбільше вивчені асинхронні лінійні двигуни. Сила тяги, яка створюється ЛАД, викликається взаємодією бігучого поля статора (первинного елемента), розташованого на рухомій одиниці (або колії), та електричними струмами, які індукуються в реактивній шині (вторинному елементі), який є розгорнутим ротором, укладеним на колії (або на рухомій одиниці).

Реальна швидкість переміщення Vp при швидкості V1 бігучого

поля первинного елемента відносно вторинного визначається ковзанням

ЛАД можливо уявити як звичайну асинхронну машину з короткозамкненим ротором, у якої по осі розрізані статор і ротор та розгорнуті в лінійні елементи. Якщо потрібен рух на значні відстані, то без

186

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

збільшення необхідної потужності можливо збільшити довжину вторинного елемента – ротора, або первинного елемента – статора. Тому розрізняють ЛАД з коротким первинним або вторинним елементом

(рис. 6.1).

б) г)

а – обертовий та лінійний (б) двигуни з однаковими за довжиною, коротким первинним (в) та коротким вторинним (г) елементами:

1,3 – обмотки статора й ротора; 2,4 – осердя статора й ротора; ОА – площина уявного розрізу асинхронного двигуна

Рисунок 6.1 – Асинхронний двигун

В розглянутих пристроях первинний та вторинний елементи мають такий же вигляд, як і в звичайній обертовій машині. При цьому поряд з тангенціальною тягою виникає й магнітне притягання протилежно намагнічених поверхонь. Це призвело до створення двобічних плоских машин (рис. 6.2 а, б), в котрих обмотка вторинного елемента не укладена в пази, а знаходиться в повітряному зазорі. Магнітний ланцюг за допомогою шихтованого осердя замкнений тільки на ділянці, де збуджується магнітний потік. Вторинний елемент перетворюється на суцільний лист з провідного матеріалу.

Останнім часом почали застосовуватись однобічні ЛАД без феромагнітного матеріалу у вториннім елементі (рис.6.2 в, г). В цьому разі до вторинного елемента прикладене не тільки поздовжнє, але й перпендикулярне йому відштовхуюче зусилля.

187

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

в) г)

а, б – горизонтальний повітряний зазор; в, г – вертикальний повітряний зазор

Рисунок 6.2 – Магнітні системи лінійних двигунів з поперечним магнітним потоком

Які крайові ефекти виникають в лінійному асинхронному двигуні? Важливим рішенням при розробці ЛАД є створення двигуна з

магнітним потоком, який замкнений в площині, перпендикулярній до напряму руху. В ЛАД з поперечним магнітним потоком картина поля в будь-якому перерізі однакова.

Магнітні поля лінійних тягових двигунів відрізняються від магнітних полів обертових асинхронних двигунів у зв’язку зі збільшеними в десятки разів повітряними зазорами розімкненої магнітної системи. Це викликає не симетрію струму у обмотках первинного елемента (індуктора), і пульсуючу складову його магнітного поля. Таке явище називають первинним крайовим ефектом.

Окремі ділянки реактивної шини послідовно входять в магнітне поле рухомого індуктора, а потім виходять із цього поля. Процеси

188

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

«входу-виходу» викликають вторинний поздовжній крайовий ефект, сутність котрого в затримці у вторинному елементі виникнення й зникнення магнітного потоку.

Струми, які виникають в шині, можливо розділити на струми ковзання, які створюють тягове зусилля, та вихрові струми, пов’язані з виникненням та зникненням магнітного поля в ділянках машини при їхньому проході через зазор індуктора. Регулювання режимів роботи ЛАД можна здійснювати аналогічно до регулювання режимів обертових машин, тобто зміненням частоти й напруги. Швидкість руху рухомої одиниці

V 2 f1 1 S ,

де – полюсна поділка статора.

На відміну від звичайних обертових машин розрахунок характеристик ЛАД необхідно виконувати з урахуванням впливу поздовжнього ефекту. При цьому використовують одномірну теорію поздовжнього крайового ефекту, яка враховує змінення інтенсивності електромагнітного поля вздовж однієї просторової координати, яка співпадає з напрямом руху рухомої одиниці.

6.3 Класифікація ЛЕМ

Як класифікують лінійні електричні машини?

Оскільки схема магнітного ланцюга ЛЕМ може легко змінюватись, число таких електричних машин (синхронних та асинхронних) значно більше, ніж обертових машин. Тому корисно навести класифікацію ЛЕМ.

Отже, деякі ЛЕМ створюють силу тяги та нормальну силу. Нормальна сила може діяти або на притягання, або на відштовхування первинної та вторинної частин. Пристрій, в якому нормальна сила така, що вторинна частина намагається висіти над первинною, може використовуватись для підвісу і називається пристроєм підвісу (ПП).

Очевидно, що ЛАД та лінійні синхронні двигуни (ЛСД) можуть використовуватись одночасно як лінійні двигуни, та як пристрої підвісу.

6.3.1 Лінійні асинхронні двигуни

Які на теперішній час існують конструктивні різновиди лінійних асинхронних двигунів? Як класифікують лінійні асинхронні двигуни?

189

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Найчастіше застосовується багатофазний ЛАД. Як і в обертовому синхронному двигуні, у ЛАД магнітне поле переміщується відносно обмоток. Магнітне поле ЛАД, на відміну від обертової машини, завдяки розриву в магнітному ланцюзі має складові, які спрямовані вперед, назад та пульсуючу. Але складова, спрямована вперед, є найбільшою. Тому й виникає корисна сила завдяки взаємодії зі струмами, наведеними у вторинній частині. ЛАД може мати рухому первинну частину з нерухомою вторинною, або навпаки. Крім того, ЛАД може мати дві первинні частини з двох боків вторинної частини (рис. 6.3) – двобічний ЛАД (ДЛАД). Якщо ЛАД має одну первинну частину (рис. 6.4), його називають однобічним ЛАД (ОЛАД).

Рисунок 6.3 – ДЛАД з короткою первинною частиною

Рисунок 6.4 – ОЛАД з короткою вторинною частиною

Вторинна частина ЛАД може складатись з електропровідної пластини, за якою розташований феромагнітний матеріал, або вторинна частина може бути виконана у вигляді короткозамкненої клітки. Вторинна частина з фазовими обмотками використовується рідко. Роль вторинної обмотки може виконувати рідкий метал (магнітоелектричний насос).

Як і обертовий двигун, ЛАД може бути трифазним, двофазним або однофазним. Обмотки первинної частини подібні до статорної обмотки обертових машин, але первинна частина ЛАД інколи має не заповнені пази на кінцях (рис. 6.5).

190