Техн ЕМБ / Лек ТЕД

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Виникаючі вертикальна й поперечна сили мають вирази, аналогічні рівнянню (7.26), в яких замість cos буде sin того ж аргументу тому, що ці сили зсунуті за фазою на 2 відносно сили тяги F. При ма-

ксимумі сили тяги буде мінімум вертикальної й бокової сил.

7.4 Надпровідні магніти екіпажу

Дайте характеристику надпровідних магнітів екіпажу. Яка їхня будова? Як виконують екранування пасажирського салону?

Надпровідні магніти повинні створювати сильні магнітні поля з індукцією 1.5 – 3 Т. Для цього застосовують глибоке охолодження – до 4.2 К. як холодоагент використовується гелій. Пристрої для надглибокого охолодження – кріостати, які встановлюються на екіпажі, повинні створювати необхідну підйомну силу й здійснювати її безпечну передачу від магніту з температурою приблизно 4К до екіпажу з температурою приблизно 300 К. Для зберігання «замороженого» магнітного поля на тривалий час кріостати повинні мати мінімальний теплоприплив, тобто – незначні теплові втрати.

231

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Орієнтовно вважають, що тепловий витік на пару вводів становить 2 Вт/1000 А. Втрати потужності при 4 К у 1 Вт еквівалентні втратам 1000 Вт при кімнатній температурі.

Для виготовлення надпровідних магнітів використовують стопи NbTi (ніобій – титан), NbZr (ніобій – цирконій), ніобій – титан – цирконій. Застосовують вимушене охолодження магнітів за допомогою порожнистих магнітних провідників, в яких циркулює гелій з температурою 4.2 К й тиском 0.2 МПа. Принципово можливе живлення надпровідних магнітів без наявних вводів. В таких системах збудження магнітів здійснюють індуктивним способом, після чого збуджений магніт вимикають і магнітне поле надпровідника екіпажу переводять в «заморожений» стан. Для цього використовують спеціальні пристрої – топологічні генератори, а також циклічні трансформатори.

Важливою проблемою є екранування від магнітних полів системи. Воно необхідне для захисту пасажирів від магнітних полів розсіювання надпровідних контурів екіпажу, а також – для захисту магнітних полів самих надпровідних магнітів від різних змінних полів, які, наприклад, виникають в контурах при роботі допоміжного обладнання екіпажу.

Звичайно вважають, що рівень індукції в пасажирському салоні не повинен перевищувати 0.005 Тл.

Пасивний екран (металічна плита до 2 см з надпровідного матеріалу, яка розташовується на підлозі пасажирського салону) збільшує масу екіпажу не менш, ніж на 10 т. Тому такий екран непридатний. Більш доцільне активне екранування (компенсація полів, для чого спеціальний надпровідний магніт розташовують над основним магнітом). Але компенсуючий магніт зменшує магнітне поле у всьому просторі своєї дії, а не тільки в пасажирському салоні. Тому виникає необхідність збільшення магнітного поля основного надпровідного магніту, що збільшує масу екіпажу на 2 – 3 т. Це вважається прийнятним. Досліди в галузі ВШНТ проводились і проводяться в колишньому СРСР, ФРН, США, Японії. Наприклад, в Японії у 1982 р. експериментальний вагон масою 10 т з електромагнітним підвішуванням на дослідній ділянці досягнув швидкості у 516 км/год.

232

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Лекція 8 ОСОБЛИВОСТІ РОЗРАХУНКУ НЕСТАЦІОНАРНИХ ПРОЦЕСІВ

У ОБЕРТОВИХ ТЯГОВИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИНАХ

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

Характеристики неусталених процесів. Вплив вихрових струмів у магнітопроводах та індуктивності обмоток на протікання перехідних процесів у тягових машинах. Рівняння перехідних процесів. Комутація, робота додаткових полюсів, потенціальні умови на колекторі та дія компенсаційної обмотки при несталих процесах.

Перехідні електромагнітні процеси в асинхронних тягових двигунах. Методи дослідження несталих процесів.

Лекції –4 години Самостійна робота –5 годин

Рекомендована література: [1], [5].

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1 Захарченко, Д. Д. Тяговые Электрические машины: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов. – М. : Транспорт, 1991. – 343 с.

5 Безрученко, В. М. 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.

8.1 Характеристики неусталених процесів

Які фактори впливають на перехідні процеси в тягових машинах постійного струму?

Нестаціонарними є процеси, виникаючі в ланцюзі при переході від одного усталеного режиму до іншого. У неусталених режимах на роботу машини помітно впливають фактори, які суттєво не впливають в стаціонарних режимах. Це – індуктивності обмоток, нелінійності магнітних характеристик, вихрові струми в магнітопроводах, змінення потоків розсіювання полюсів і т. д.

Ці впливи виникають, якщо швидкість протікання процесів суттєво вища, ніж змінення швидкості руху потяга. Тому, аналізуючи більшість неусталених процесів, швидкість руху вважають практично незмінною.

233

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Які перехідні процеси найчастіше виникають при живленні електрорухомого складу від контактної мережі?

При живленні тягових машин від контактної мережі на них впливають безперервні коливання напруги. Можливі різкі стрибки напруги двигунів як при перемиканнях в їхніх ланцюгах, так і при зміненні напруги на струмоприймачі. Найбільш несприятливі випадки відриву струмоприймача від контактного дроту з наступним відновленням цього контакту (напруги). Характер протікання цього процесу наведено на рис. 8.1.

Фу, Іу – усталені магнітний потік та струм; Фзл – залишковий потік

Рисунок 8.1 – Перехідні процеси при відриві струмоприймача та відновленні контакту

Відновленню потоку Фу перешкоджають вихрові струми в ділянках магнітопроводу машини. Уповільнене зростання магнітного по-

току Ф та ЕРС машини викликає стрибки струму до Іmax = (2 – 3)Iу. Ці стрибки струму супроводжуються порушенням комутаційного проце-

су й перерозподілом напруги по колу колектора. Це поглиблюється тим, що вихрові струми перешкоджають швидкому зростанню магнітного потоку додаткових полюсів, що порушує баланс між реактивною і компенсуючою ЕРС. Це ускладнює струмознімання в машині, може викликати інтенсивне іскріння під щітками й дугоутворення на колекторі.

Можливі неусталені процеси й при дещо менших кидках напруги (неповний відрив струмоприймача, прохід ізольованих вставок ко-

234

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

нтактної мережі і т. д.), при буксуванні колісних пар, порушеннях нормальної роботи перетворювачів, а також при інших процесах, виникаючих в обладнанні локомотива.

8.2 Вплив вихрових струмів у магнітопроводах на протікання перехідних процесів

Як впливають вихрові струми на проникнення магнітного потоку в середину осердя?

При перехідних процесах в магнітопроводах тягових двигунів виникають вихрові струми, які сильно впливають на протікання цих процесів. Існують різні методи розрахунку перехідних процесів з урахуванням вихрових струмів, запропоновані О.М.Шапіро, А.Тостіном, М.З. Жицем та іншими.

Звичайно вважають, що змінення МРС лише поступово переміщує магнітне поле в глибину перерізу магнітопровода, перетинаючи в ньому умовні волокна й наводячи в них ЕРС

евихр = - dФ/dt,

під дією якої виникають вихрові струми

івихр = eвихр/ rвихр.

Як розраховують вихровий струм у ділянці магнітопроводу, якщо припустити індукцію, яка проникає всередину осердя, постійною усталеною для перерізу, що змінює свою площу під час перехідного процесу?

Вихрові струми в периферійних частинах магнітопроводу екранують його внутрішні частини, затримуючи розповсюдження змінного потоку в середину осердя (рис. 8.2). Зручно прийняти припущення про заміну нерівномірного розподілу індукції її постійним значенням Ву, вважаючи, що вона поступово переміщується в глибину осердя (рис.

8.3).

Якщо q – глибина проникнення потоку Φ, то

By qП ' ,

де П' – середній периметр перерізу, через який проходить потік Ф кожного моменту часу

П' КП ;

периметр перерізу магнітопровода

П2(a b) ;

235

В. Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

К– коефіцієнт, який залежить від q :

236

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Для коригування збільшених потокозчеплень у зв’ язку з припущеннями слід вважати

iвихр 0.5івихр' .

Для головних полюсів враховують розсіювання магнітного потоку коефіцієнтом розсіювання σ. При цьому діюче значення вихрового струму

Ці значення можуть суттєво змінюватись в залежності від стану листів (сліди корозії, окалина) осердя й ступеню їхнього запресування.

Магнітний потік осердь головних полюсів, входячи в остов, розділяється по двох паралельних контурах. Тому

де L0 – довжина ліній потоку в остові (см); h0 – товщина остова (см);

l0' – осьова довжина магнітної частини остова (см). Для ланцюга магнітного потоку головних полюсів

де LП – довжина лінії потоку в полюсі (висота полюсу) (см); bП, LП – ширина та осьова довжина осердя плюса ( см); ВуП., Ву0 – усталена індукція в осердях полюса й остова..

237

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Нехтуючи зміненням коефіцієнта К під час перехідного процесу та вважаючи його постійним дорівнюючим значенню Кср, з рівняння (8.4) одержимо:

де коефіцієнт вихрових струмів для даного магнітопроводу

Отже, зі збільшенням швидкості змінення магнітного потоку збільшується вихровий струм та його гальмівна дія щодо змінення Ф.

Можливо вважати, що в неусталеному режимі МРС збудження компенсується МРС вихрових струмів. Якщо прийняти умовне число витків вихрових струмів дорівнюючим одиниці, то корисна МРС

де іμ – струм намагнічування відповідний за навантажувальною характеристикою двигуна плинному значенню магнітного потоку Ф;

ізб – значення струму в обмотці збудження двигуна; wзб – число витків обмотки збудження.

З рівнянь ( 8.6), та (8.7):

Як визначають коефіцієнт вихрових струмів з експерименту? Визначення коефіцієнта вихрових струмів магнітопроводу Квихр

аналітично утруднене і не досить точне. Тому звичайно його визначають з досліду. Для цього осцилографують штучно створені перехідні процеси в тяговому двигуні. З рівняння (8.7):

dt

Миттєві значення іμ, ізб, Ф, dФ/dt, для одного й того ж моменту часу одержують с осцилограм.

238

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Як визначають вплив вихрових струмів за допомогою еквівалентного фіктивного контуру? Як визначають параметри цього контуру?

Досить часто для оцінки впливу вихрових струмів на несталий процес умовно замінюють реальний контур вихрових струмів фіктивним, еквівалентним з числом витків w0 й опором r0 (рис. 8.5). При цьому вважають, що магнітний потік, який проходить у масивному остові, перетинає витки цього еквівалентного контуру. Таке припущення дозволяє ввести деяке середнє значення добутку Квихр·Ф і спростити рішення рівнянь, які описують перехідний процес.

Припустимо, що по обмотці збудження двигуна протікає струм ізб, а по еквівалентному контуру в перехідному процесі протікає деякий умовний струм і0.

а– схема ланцюга якоря двигуна послідовного збудження;

б– фіктивний контур вихрових струмів

Рисунок 8.5

239

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Вирішуючи сумісно рівняння (8.9) та (8.11), одержимо

dt

Значення w02 r0 , як і Квихр, визначають з осцилограм перехідних процесів за миттєвими значеннями іμ, ізб, Ф та d dt .

Як визначають ЕРС самоіндукції обмотки головних полюсів? При осцилографуванні перехідного процесу на стрічку осцилог-

рафа записують струм збудження двигуна ізб, напругу на обмотці збудження Uзб, напругу Uя, струм ія й частоту обертання п якоря. За напругою на якорі Uя визначають ЕРС обертання машини:

e Uя iяrя

й підраховують значення магнітного потоку для будь-якого моменту часу

e Cen .

За відомим значенням Ф та характеристикою намагнічування двигуна знаходять струм іμ.

Використовуючи дослідні дані, визначають швидкість змінення магнітного потоку

Одержані дані дозволяють знайти значення еквівалентних вихрових струмів та оцінити їх вплив на протікання перехідних процесів.

8.3 Індуктивність обмоток тягових машин

Характер протікання перехідних процесів визначається не тільки вихровими струмами в магнітопроводі тягового двигуна, але й залежністю від індуктивності й активного опору в ланцюзі машини.

Якщо не зважати на вплив на перехідний процес параметрів зовнішнього ланцюга й розглядати цей процес тільки для тягового двигуна, то з урахування впливу вихрових струмів його можна описати рівнянням для двигунового й генераторного режимів:

240