Техн ЕМБ / Лек ТЕД

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

1 – випрямляч; 2 – фідер; 3 – тиристорний ключ; 4 – секція обмотки якоря

Рисунок 6.18 – Схема лінійного вентильного двигуна з тиристорним комутатором на основі керованого випрямляча

При подачі керуючих сигналів на відповідні тиристори через групу якірних обмоток, які знаходяться в зоні розташування індуктора, проходить струм. Цей струм взаємодіє з магнітним потоком надпровідної обмотки збудження та створює силу тяги, яка переміщує індуктор. Потім вимикаються сигнали керування з тиристорів. Виникає перехідний процес зменшення струму, після чого тиристори вимикаються. Після переміщення індуктора в нове положення система фіксації його положення знову вмикає сигнали керування на відповідні тиристори керованого випрямляча, який вмикає до джерела живлення котушку за напрямом руху індуктора групу якірних обмоток і т. д. У найпростішому варіанті такого двигуна кожна група обмоток повинна мати свій керований випрямляч. Але, зважаючи на складність схеми та необхідну кількість напівпровідникових приладів, доцільніше використовувати один випрямляч та вмикати в залежності від сигналу керування різні обмотки якоря через окремі напівпровідникові ключі. Прикладом такого двигуна може бути схема, подана на рис. 6.18. Від керованих випрямлячів A та B через тиристорні ключі живиться по m груп якірних обмоток, кожна з яких складається з n послідовно з’єднаних котушок. За сигналом датчика положення індуктора керовані випрямлячі A або B почергово вмикаються одночасно з відпові-

201

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

здійснюється системою керування вимиканням випрямлячів за сигналами від датчика положення індуктора.

При роботі лінійного двигуна відбувається комутація ланцюгів з великою індуктивністю. Крім того відбуваються значні коливання пульсації МРС обмотки якоря. Тому виникає значна змінна складова струму в надпровідній обмотці збудження, що призводить до неконтрольованого переходу цієї обмотки до нормального стану. Ці ж явища відбуваються і в двигунах з комутаторами тригерного та мостового типів. Але в двигунах з комутатором на основі керованого випрямляча вони проявляються значно інтенсивніше. Тому в обмотці якоря обов’язково повинні бути короткозамкнені демпфуючі контури.

6.5 Деякі приклади використання лінійних електричних машин

Наведіть приклади застосування лінійних електричних машин. До появи лінійних двигунів поступальний рух забезпечувався за

рахунок кінематичного перетворення обертального руху на поступальний. Лінійні двигуни дозволяють виключити цю ланку. Таким чином, лінійний двигун просто та надійно забезпечує поступальний рух механізму. Лінійні двигуни мають ще низку переваг:

а) швидке прискорення та уповільнення, а також менший знос коліс та шляху;

б) механічна та електрична захищеність та здатність протистояти зовнішнім впливам;

в) малі витрати на обслуговування й ремонти; г) здатність передавати зусилля на вторинну частину без меха-

нічного контакту, а також легке керування силою тяги та швидкістю; д) існування нормальної сили, яка може бути використана для

підвісу екіпажу.

ЛЕМ зручно поділити на такі різновиди: 1 машини для створення сили; 2 машини потужності; 3 ударні машини.

Машини для створення сили мають малі переміщення з малими швидкостями й ККД, що для них вважається не суттєвим. Ці машини найкорисніші при невеликих розмірах пристроїв.

202

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Машини потужності – це машини безперервного використання, для яких високий ККД суттєво важливий.

Ударні машини використовуються короткочасно як прискорювачі для створення поштовхового ефекту.

У ВШНТ ЛЕМ застосовуються для створення сил тяги й зусиль підвішування. Обертові тягові двигуни, які передають зусилля через колесо, не прийнятні для швидкостей руху більших, ніж 250 км/г у зв’язку з труднощами зчеплення та іншими механічними факторами. ЛЕМ ідеально пристосовані для швидкостей більших, ніж 250 км/г. Для швидкостей, при яких механічний контакт екіпажу зі шляхом не бажаний, повинне використовуватись магнітне підвішування його.

Такі дослідження не теперішній час виконуються у США, Англії, ФРН, Японії, Китаї.

Найчастіше в якості лінійних двигунів використовують для ВШНТ асинхронні (ЛАД) або синхронні (ЛСД).

Однобічний ЛАД застосовується для одержання низьких швидкостей та в стаціонарних установках. Вторинна частина його може бути шихтованою або масивною. Такий ЛАД використовується і для ВШНТ.

Однобічні ЛАД зі сталевими вторинними частинами застосовуються, наприклад, у приводі малих механізмів. Трубчасті ЛАД використовуються звичайно для коротких переміщень (0.5-2м). Деякі типові випадки використання ЛАД наведено на рис. 6.19, 6.20.

ЛАД використовуються для натягу алюмінієвої смуги. Зусилля ЛАД, спрямоване проти руху смуги, дає змогу усунути можливість пошкодження поверхні. Алюмінієва смуга виконує роль вторинної частини ЛАД.

Можливе застосування ЛАД як дискового двигуна для крана. Мала частота обертання валу (150-200) об/хв. дозволяє знизити передаточне відношення до 4:1.

Лінійний дисковий двигун може використовуватись також для тяги суден.

Для горизонтального переміщення використовується ЛАД в конверторах, вугільних конвеєрах. Плоский ЛАД використовується для автоматичного відкриття дверей (рис. 6.20). Плоский ЛАД може використовуватись також для піднімання труб на сталеливарних заводах.

203

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

а)

б)

в)

1 – вантажний матеріал; 2 – лінійні двигуни; 3 – пакетований вантаж; 4 – нерухомі елементи

Рисунок 6.19 – Конвеєрна система з використанням двобічного ЛАД (можливі пристрої)

Рисунок 6.20 – Лінійний двигун для відкривання дверей

204

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

ЛАД успішно може застосовуватись у поворотних столах, в індукційних мішалках, у човниковому приводі для текстильної промисловості та інших пристроях.

Одне з перших застосувань ЛАД – ударний двигун для прискорення розгону літака. Він називався «електрокатапультою». Первинна обмотка була змонтована на простому екіпажі, а вторинна розташовувалась в пазах металічної структури, розташованої на аеродромному полотні. Струмознімання здійснювалося за допомогою щіток, які рухались з екіпажем. Літак закріплювався до первинної частини ЛАД за допомогою тяг.

Інші застосування ЛАД стосуються прискорення запуску надшвидкісних ракет та приводу вимикачів високої напруги. ЛАД використовуються для стенда випробувань автомобілів.

Кілька наведених прикладів застосування ЛАД свідчать про їх перспективність. Хоча промислове використання ЛАД ще тільки почалось, можливості їхнього впровадження великі. Лінійні двигуни завдяки простоті та надійності будуть все більше застосовуватись там, де потрібно одержати поступальні рухи.

6.7 Лінійні асинхронні двигуни для високошвидкісного наземного транспорту

Які особливості лінійних асинхронних двигунів для високошвидкісного наземного транспорту?

Використання ЛАД для ВШНТ є перспективним. Швидкості до 70 м/с (250 км/год.) й більші вважаються високими. При таких швидкостях особливо проявляються крайові ефекти. Тому ЛАД для високих швидкостей розглядають окремо від ЛАД для малих швидкостей.

Конструкції ЛАД для ВШНТ можуть виконуватись у таких варі-

3.Коротка вторинна частина – двобічний.

4.Коротка вторинна частина – однобічний. Експлуатаційні витрати у ЛАД з короткою первинною части-

ною звичайно менші, ніж у ЛАД з короткою вторинною частиною. Якщо зважити на проблему струмознімання, то ЛАД з короткою вто-

205

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

ринною частиною має переваги над ЛАД з коротко первинною частиною. Для ВШНТ більш доцільно застосовувати двобічний ЛАД з короткою первинною частиною (ДЛАД).

1 – пластина вторинної частини; 2 – траєкторія потоку; 3 – осердя первинної частини; 4 – обмотка первинної частини в пазах

Рисунок 6.21 – Двобічний ЛАД

Лінійним асинхронним двигунам притаманні явища, які відсутні в обертових асинхронних двигунах.

1 – пластина вторинної частини; 2 – траєкторія потоку; 3 – обмотка первинної частини; 4 – первинна частина

Рисунок 6.22 – Однобічний ЛАД

6.7.1 Кінцеві ефекти

Поясніть кінцеві динамічні й статичні ефекти в лінійних асинхронних двигунах.

Кінцеві ефекти виникають у зв’язку з обмеженою довжиною первинної частини. Це поняття слід розділити на динамічні та статичні кінцеві ефекти.

206

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Динамічні кінцеві ефекти викликаються переміщенням первинної частини обмеженої довжини відносно вторинної частини не обмеженої довжини. Для оцінювання динамічних кінцевих ефектів слід прийняти, що при синхронній швидкості контур С на вторинній частині займає положення С0, С1,...С4 в моменти часу t0,t1,…,t4 (рис. 6.23).

1 – рухома первинна частина; 2 – нерухома вторинна частина

Рисунок 6.23 – Кінцевий ефект при синхронній швидкості

Оскільки швидкість вторинної частини синхронна, ЕРС в контурі С не наводиться, якщо він займає положення С2. Крім того, відсутній зв’язок потоку з контуром в положенні С0 та С4. Тому в цих положеннях в контурі не наводиться ЕРС. Але в положенні С1 та С3 потоки, змінюючись у часі, наводять в контурі вторинної частини напругу. Оскільки контур С рухається від положення С0 до положення С4, то при великих швидкостях індуковані струми зменшуються досить повільно при русі від положення С1 до положення С3. Це струми кінцевого ефекту, які навіть при синхронній швидкості створюють додаткові втрати й сили, які збільшуються зі зростанням швидкості. Додаткові сили у високошвидкісних ЛАД є гальмівними при малих ковзаннях, що призводить до зменшення ККД та тягової сили ЛАД.

У зв’язку з обмеженою довжиною осердя первинної частини зменшення струмів від кінцевих ефектів поза активною зоною повітряного зазору (L<x<0) швидше, ніж всередині активної зони [22].

Статичні кінцеві ефекти виникають у зв’язку з невідворотною різницею в індуктивних опорах фаз обмотки. З цієї причини не однакові значення струмів виникають у різних фазах навіть при симетричній напрузі, підведеної до фаз. Статичні кінцеві ефекти також викли-

207

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

кають додаткові втрати та зменшення тягового зусилля ЛАД. Статичний кінцевий ефект, котрий присутній навіть тоді, коли вторинна частина не переміщується й динамічний кінцевий ефект відсутній, підсилюється динамічним кінцевим ефектом, що призводить до перерозподілу індукції в повітряному зазорі й викликає порушення балансу потокозчеплення.

6.7.2 Крайові та поверхневий ефекти

Поясніть крайові ефекти в лінійних асинхронних двигунах. Звичайно вторинна та первинна частина ЛАД мають обмежену

ширину, а вторинна частина звичайно ширша ніж первинна (рис. 6.24). внаслідок цієї особливості у ЛАД виникають крайові ефекти. Якщо не враховувати кінцеві ефекти, то струми у вторинній частині (рис. 6.25) мають подовжню jx та поперечну jz складові густини струму. Густина струму jx є головною причиною виникнення крайових ефектів. Таким чином, у ЛАД, які мають первинну та вторинну частини однакової ширини, крайові ефекти виявляються сильніше, ніж у ЛАД, у яких ширина вторинної частини значно більша ніж ширина первинної частини. Крайові ефекти не слід плутати з ефектом від струмів у короткозамикаючих з’єднувальних елементах. Найбільш суттєвий вплив поперечних крайових ефектів полягає у збільшеній еквівалентного опору вторинної частини.

1 – первинна частина; 2 – вторинна частина

Рисунок 6.24 – Поперечний вид двобічного ЛАД

З рис 6.24 зрозуміло, що виступи вторинної частини за межі первинної по ширині можуть бути різними (b ≠ c) . В повітряному зазорі ЛАД виникає магнітний потік, який є результатом сумарної дії потоків первинної та вторинної частин (рис. 6.26). Поперечний крайовий ефект може створювати додаткову поперечну силу. Подовжній струм

208

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

створює потік реакції якоря, який створює поле у повітряному зазорі й призводить до зменшення потужності ЛАД.

1 – рухома первинна частина; 2 – траєкторії струму вторинної частини; 3 – вхідний край; 4 – нерухома вторинна частина; 5 – вихідний край Рисунок 6.25 – Траєкторії струму у вторинній частині

1 – лінія потоку; 2 – первинна частина; 3 – вторинна частина Рисунок 6.26 – Потік розсіювання у повітряному зазорі

У швидкісному ЛАД умови роботи потребують відносно великих повітряних зазорів, іноді у 3-6 разів більших, ніж товщинна вторинної частини. Тому, особливо при частотах напруги живлення 100 Гц і більше, необхідно враховувати поверхневий ефект.

6.7.3 Особливості конструкцій обмоток ЛАД

Які особливості будови обмоток в лінійних асинхронних двигу-

нах?

Можливі два варіанта первинних обмоток ЛАД (рис. 6.27). Схема обмотки, наведена на рис. 6.27, а, має п’ять полюсів, при-

чому МРС полюсів на кінцях зменшена.

209

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

а) б)

а – з непарним числом полюсів та наполовину заповненими кінцевими пазами; б – з парним числом полюсів

Рисунок 6.27 – Полюси, створювані індукторною обмоткою ЛАД

Схема на рис. 6.27, б, має парне число полюсів і може бути виконана для одношарової обмотки з концентричними котушками. Для використання двошарової обмотки з повністю заповненими пазами необхідна спеціальна конструкція для розміщення крайових котушок. Цього можна досягти трьома способами:

а) розміщаючи боки крайових котушок поза активною зоною повітряного зазору (рис. 6.28);

Рисунок 6.28 – Двошарова обмотка з кінцевими котушками, які мають різні полюсні поділки (з’єднання наведені тільки для однієї фази)

б) виконуючи крайові котушки таким чином, щоб вони охоплювали магнітопровід (рис. 6.29);

Рисунок 6.29 – Кінцеві котушки, які охоплюють магнітопровід

210