Техн ЕМБ / Лек ТЕД

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Що таке коефіцієнти вентиляції, конструктивного та експлуатаційного перевантаження?

Співвідношення між струмами та потужностями номінальних режимів тягових двигунів залежить від інтенсивності охолодження двигунів і називається коефіцієнтом вентиляції:

Чим ближчий коефіцієнт Квент до одиниці, тим інтенсивніша вентиляція.

Граничні значення струму І та потужності Р визначаються коефіцієнтом конструктивного перевантаження

Струм Imax знаходять при стендових випробуваннях, обертаючи якір в обох напрямках по 30 хв. При цьому повинно бути Кпер ≥2. Визначаю-

чий фактор – комутація машини. Для умов експлуатації вживають

коефіцієнт експлуатаційного перевантаження

де Іенб, Ренб – найбільші розрахункові струм та потужність в умовах експлуатації.

Різницю між значеннями Кпер та Кпе вибирають такою, щоб при граничних очікуваних збуреннях значення струму та потужності не перевищували відповідно Іmax та Pmax.

Як визначаються максимальна та випробувальна частоти обертання тягових двигунів? На що ці частоти обертання впливають?

Частота обертання n вирішально впливає на конструкцію тягових двигунів та їх працездатність. Від відцентрових сил С~n2

залежить міцність колектора та деталей і кріплення обмотки якоря.

Найбільша частота обертання nmax визначається конструкційною швидкістю електрорухомого складу Vmax при напівзношених бан-

дажах рушійної колісної пари. Але в експлуатації, наприклад, при буксуванні, частота обертання може перевищувати nmax . Тому для ро-

зрахунку міцності елементів двигуна встановлена випробувальна частота обертання nвп = 1,25 nmax для двигунів, які вмикаються па-

11

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

ралельно, та nвп = 1,35 nmax для двигунів, які з’єднуються послідовно.

Важливе співвідношення швидкостей

Knmax Vmax . nном Vном

Звичайно для електрорухомого складу Kv=1,8÷2,0. Випробувальні відцентрові сили Свп ≈(5,0÷7,3)Сном , де Сном – відцентрова сила в номінальному режимі. Для тягових двигунів тепловозів Kv=2,1÷2,6 , а Свп

≈(6,8÷12,3)Сном.

1.3. Магнітні характеристики

Що таке крива намагнічування тягового двигуна? Як її розраховують?

До магнітних характеристик відносять криву намагнічування при холостому ході машини. Це – залежність магнітного

потоку від МРС холостого ходу Ф(Fx.x.) або Ф(Ізб), де Ізб – струм збудження при струмі якоря Іа=0. Залежності Ф(F) при Іа=const –

це навантажувальні характеристики. Струми навантаження повин-

ні бути в межах 0≤І≤1,5Іном. Ці характеристики можливо також розглядати, як СеФ(F), Е/n(F) або Uк/n(F), де Е≈Uк – ЕРС та напруга якоря.

Машинна стала

pN Ce (60a) ,

де р, а – число пар полюсів та пар паралельних гілок обмотки якоря;

N – кількість її провідників.

На які характерні ділянки поділяють криву намагнічування? Як впливає навантаження на криву намагнічування? Що таке навантажувальні характеристики тягового двигуна? Що таке коефіцієнт насичення та як оцінюють за ним магнітну систему тягового двигуна?

Навантажувальні характеристики звичайно розглядають для машин незалежного, паралельного, мішаного збудження. Для двигунів послідовного збудження наводяться магнітні характеристики Ф(Ізб), причому Ізб=βІ, де β – ступінь збудження (коефіцієнт регулювання МРС).

12

де Fхх – МРС холостого ходу;

H i (Bi )li - спад магнітної напруги на сталевих ділянках магнітопроводу;

Fб , Fмо - спади магнітної напруги в повітряних зазорах між по-

люсом та якорем і полюсом та остовом;

Hi(Bi) – магнітна напруженість на ділянках, яка залежить від індукції;

li – середня довжина силової лінії магнітного потоку на кожній ділянці.

Магнітний ланцюг розглядається для магнітного потоку Ф через половину осердя головного полюса з обмеженням середини додаткового полюса (рис. 1.2).

На ділянках полюсного осердя LM, виходу в остов Lвих, в остові Lo з урахуванням розсіювання магнітного потоку його значення зростає до Ф Ф , де 1,06÷1,23 – коефіцієнт магнітного розсіювання полюса.

Індукції на окремих ділянках

де Si – переріз кожної ділянки. Для остова (ділянка Lo):

Ф

So ho (lя 0,4Dя ); Во (2So ) ,

де ho – товщина остова по магнітному ярму; lя – довжина осердя якоря;

Dя – його зовнішній діаметр.

Звичайно для сталевих литих остовів Во≈1,3÷1,6Тл.

13

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Рисунок 1.2 – Розрахункова схема магнітної системи шестиполюсного двигуна

Для осердя полюса (ділянка LМ)

де bM, lM – ширина та довжина шихтованого осердя полюса; Кзп – коефіцієнт заповнення осердя полюса сталлю.

Звичайно LM ≈(1,0÷1,1) lя.

В машинах с компенсаційною обмоткою для зубцевого шару полюса (ділянка hzк).

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

де α – коефіцієнт полюсного перекриття; τ – полюсна поділка;

σ≈1,02÷1,05 – коефіцієнт розсіювання зубцевого шару полюса; Zzк – число пазів компенсаційної обмотки на полюс.

Для зубцевого шару якоря (ділянка hz)

де Z 13 - товщина зубця на відстані 1/3 hz від його основи;

Z – число пазів якоря;

Кзя – коефіцієнт заповнення осердя якоря сталлю.

Зубці якоря – найбільш насичена частина машини. Від їхньої індукції залежить ступінь насичення магнітної системи машини. При високій та середній насиченості звичайно BZ=2,0÷2,3Тл, а при малій насиченості BZ=1,7÷1,8Тл.

Для спинки осердя якоря (ділянка Lc)

де Dв – внутрішній діаметр осердя якоря;

dв, nвк – діаметр вентиляційного каналу та число рядів каналів. Звичайно індукція Вс тим менша, чим більша частота перемагні-

чування якоря.

Тому Bc 1,4 1,6Тл .

Спад магнітної напруги в повітряному зазорі

де δ – еквівалентний (розрахунковий) повітряний зазор; Bδ – середня індукція в зазорі δ;

Кδ – коефіцієнт повітряного зазору, який враховує зубцеву будову ділянок магнітопроводу;

μо – магнітна проникність повітря.

Розрахункова площа перерізу повітряного зазору

15

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

S l я .

Для машин з компенсаційними обмотками

К К я К п ,

де Кδя , Кδп – коефіцієнти повітряного зазору для якоря й полюса.

де t1, tко - зубцеві поділки відповідно якоря та полюса; z1, zк - товщини зубців якоря та полюса.

Якщо компенсаційна обмотка відсутня, то Кδ=Кδя. Приспускають, що настановний повітряний зазор між полюсом та остовом ста-

новить біля 0,1мм, а індукція Вмо=8ВМ·10-3Тл.

Розрахункову криву намагнічування одержують по точках залежності Ф(Fxx ) для різних значень Ф (рис.1.3).

Рисунок 1.3 – Крива намагнічування (1) та магнітна характеристика (2)

Якщо F<Fл1, то сталеві ділянки магнітопроводу не насичені й

16

В. Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Умежах Fл1<F<Fл2 залежність Ф(F) не лінійна й визначається насиченістю окремих ділянок магнітопроводу. В машинах з високим насиченням зубців якоря й полюса при F>Fл2 залежність Ф(F) також

практично лінійна, а значення dФ значно менші, ніж при F<Fл1. dF

При навантаженні струмом І з’являється МРС реакції якоря

ІN

Fря (8ap) .

Ця МРС компенсує частину МРС намагнічування машини (крива 2 рис.1.3) на величину F Fря К ря . Коефіцієнт Кря розмагнічую-

чої дії реакції якоря залежить від її відносного значення Fря/Fxx та від розрахункової індукції в зубцях якоря (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 – Залежність Кря(Fря/Fxx) при індукціях Bz1 / 3 =2÷2,25 Тл (1);

1,8 Тл (2); 1,5 Тл (3); 1,2 Тл (4); 0,8 Тл (5)

При деякому потоці Ф1 FM>Fxx на F (рис.20.3), в іншому випадку при Fxx потік зменшиться від Ф1 до Ф2. Навантажувальну характеристику 2 можливо побудувати за точками із кривої 1:

FM (Ф) Fxx (Ф) К ря Fря (І ) .

Коефіцієнт Кря залежіть від конструктивних особливостей машин. На рис.1.4 наведені його усереднені значення. Навантажувальні характеристики уточнюють при випробуваннях машини.

17

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Ступінь насиченості магнітної системи тягових двигунів впливає на їх тягові характеристики, регулювальні якості та інші властивості. Він залежить від відносного спаду магнітної напруги у повітряно-

му зазорі й звичайно оцінюється коефіцієнтом насичення К н Fном ,

F ном

де Fном та F ном - повна МРС машини в номінальному режимі та від-

повідний спад МРС в повітряному зазорі.

При Кн<1,6 магнітні системи двигунів вважають мало насиченими, а при Кн.=1,6÷2 – середньо насиченими. При Кн>2 – вони сильно насичені.

1.4. Коефіцієнт корисної дії та втрати потужності

Які втрати потужності у тяговому двигуні та в яких його вузлах вони виникають? Як визначається ККД тягового двигуна на постійному та пульсуючому струмах?

ККД тягового двигуна на його валу.

де Р, Р1 – відповідно номінальна (на валу) та споживана потужності двигуна;

Р - сумарні втрати в двигуні.

Сумарні втрати:

Р Рд Ре РМ РМХ Рдод

де ∆Ре, ∆РМ, ∆РМХ, ∆Рдод – відповідно електричні, магнітні, механічні та додаткові втрати потужності.

Згідно з ГОСТ 2285-81 для тягового двигуна пульсуючого струму окремо визначають пульсаційні втрати ∆Р~ , а ККД – на постійному ( ) та пульсуючому (η~) струмах співвідносяться таким чином

η~ Р1 /(Р1 Р~).

Як визначаються електричні та магнітні втрати потужності у тяговому двигуні?

Електричні втрати визначаються, як

18

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

де ri, Ii – відповідно опір кожної обмотки та струм в її ланцюзі; ∆Uщ = 2÷3В – спад напруги на щітковому контакті.

При послідовному збудженні двигуна

де rд - сумарний опір обмоток якоря (rя), додаткових полюсів (rдп), компенсаційної (rк), збудження (rзб).

Магнітні втрати виникають при перемагнічуванні сталі. В машинах постійного струму – це втрати в осерді якоря:

Pмаг К с ( pz mz pя mя ) ,

де Кс ≈ 2,25÷2,7 – коефіцієнт, який враховує неоднорідність магнітопроводів та розподілу магнітних потоків в осерді;

mz, pz, mя, pя – відповідно маси та питомі втрати в зубцях та тілі осердя якоря:

де Qz, Qя – об’єм сталі в зубцях та тілі якоря, γс ≈ 7,8кг/дм3 – густина сталі;

Z1, Z2 - відповідно товщина зубців біля поверхні якоря та їхньої основи;

nв – загальна кількість вентиляційних каналів.

Питомі магнітні втрати для окремих шихтованих ділянок сталевих магнітопроводів (Вт/кг):

де fi – частота перемагнічування (для якоря і зубців fi= fя);

Bi – індукція в ділянках магнітопроводу (для зубців Bi = B1/3, де

B1/3 – індукція на 1/3 висоти зубця від дна пазу; для тіла якоря Bi=Bc); с1, с2 – сталі величини, які залежать від марки сталі магнітопро-

воду, наприклад, для сталі 1211 с1=4,4·10-2, с2=5,6·10-4.

Як визначаються механічні втрати потужності у тяговому дви-

гуні?

Механічні, як і інші втрати, первісно визначаються для номінального режиму

PMX Pп Pтщ Pв ,

де ∆Рп – втрати на тертя в якірних підшипниках; ∆Ртщ - втрати на тертя щіток об колектор;

19

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

∆Рв – втрати на вентиляцію, які враховуються в двигунах із самовентиляцією.

При незалежній вентиляції витрати енергії на неї залучаються до загальних витрат енергії електрорухомого складу.

Сучасні тягові двигуни виконують з роликовими якірними підшипниками, для яких втрати в номінальному режимі ∆РПном=0,002Рном.

Номінальні втрати на тертя щіток об колектор

Pтщном 9,81FтщVкном 9,81рщ fщ SщVкном. ,

де Fтщ – сила тертя щіток, Н;

Vкном – номінальна лінійна швидкість робочої поверхні колектора, м/с;

рщ – тиск щіток, кгс/см2;

∑Sщ – загальна робоча поверхня всіх щіток, см2;

fщ – коефіцієнт тертя щіток об колектор (при роботі машини зі струмом звичайно fщ = 0,16÷0,17, при тривалому обертанні якоря у безструмовому стані fщ = 0,23÷0,25).

Втрати на тертя в якірних підшипниках та тертя щіток об колектор

де n, nном – відповідно поточне значення частоти обертання та номінальне.

Втрати на вентиляцію для тягових двигунів із самовентиляцією в номінальному режимі, Вт.

вент

де Qном – витрати вентиляційного повітря, м3/хв.;

Hном – його тиск, Па; ηвент – ККД вентилятора.

В інших режимах вентиляції

Pв Рвном ( nn )3 . ном

Яка природа додаткових втрат потужності у тяговому двигуні? Як визначається ККД в генераторному (гальмівному) режимі?

20