Техн ЕМБ / Лек ТЕД

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

8.5 Комутація й робота додаткових полюсів у неусталених процесах

Які ЕРС діють в комутуючій секції у перехідному режимі? Як визначається вплив вихрових струмів на магнітний потік додаткового полюсу?

Характер комутаційного процесу в неусталених режимах можливо визначити, встановивши, як змінюється реактивна ЕРС ер ~ І та ЕРС компенсації еК ~ ФК. Крім того, може виникати й трансформаторна ЕРС комутації

де wс - число витків секції обмотки якоря. Не зкомпенсована ЕРС в комутуючій секції

e eK eT ep .

Вона значною мірою залежить від роботи додаткових полюсів у неусталених режимах.

Як визначається магнітний потік додаткового полюсу в перехідному режимі?

Змінення потоку додаткового полюсу супроводжується появою вихрових струмів у його магнітному ланцюзі. Принципова картина контурних вихрових струмів в осерді додаткового полюсу подібна до тієї, яка розглядалась для головних полюсів. Як і для головного полю-

са (§ 8.2),

де Фк - корисний магнітний потік додаткового полюса. Коефіцієнт:

де σд – коефіцієнт розсіювання магнітного потоку додаткового полюса.

Інші позначення ті ж самі, що й у § 8.2. Значення Кср беруть з рис. 8.4.

Для будь-якого моменту часу магнітний потік додаткового по-

люса

252

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

будь-якого струму І визначають за магнітною характеристикою додаткового полюса Фд(І) й залежністю і(t), визначеною раніше:

Рівняння (8.45) не можливо вирішити аналітично у зв’язку зі змінністю потоку Фду. Для чисельного рішення більш зручний його вигляд:

Задаючись інтервалами часу Δt та знаходячи за кривими залежностей і(t), Фд(і) значення Фду, можливо послідовними розрахунками знайти криву Фд(t). Потік додаткового полюса зростає за законом:

де стала часу додаткового полюсу, яка зменшується зі зростанням зазору в магнітному ланцюзі полюса:

Які перехідні процеси відбуваються в тяговому двигуні при стрибкоподібному підвищенні напруги контактної мережі?

З рівняння (8.41) видно, що вихровий струм у перехідному процесі зменшує діючу МРС додаткового полюсу, а отже й його потік, який відстає від зростання струму. Тому реактивна ЕРС не може бути скомпенсована ЕРС, яка наводиться в секції цим магнітним потоком.

При відновленні напруги двигуна Ф, Фд, ер, ек, ет змінюються за кривими рис. 8.12.

Різниця між миттєвими значеннями ер, ек, ет визначає некомпенсовану ЕРС е, яка може бути не погашена в щітковому контакті. Ця ЕРС створює спалах під щітками, що може за деяких умов викликати перекриття по колектору.

254

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Такі ж процеси можуть бути при раптовому підвищенні напруги контактної мережі (рис. 8.13).

Вони супроводжуються кидком струму й виникненням в комутуючих секціях залишкової ЕРС. Трансформаторна ЕРС з’являється при вимиканні тягового двигуна під навантаженням. При цьому у зв’язку з гальмівною дією вихрових струмів потік додаткового полюса спадає повільніше, ніж зникає в комутуючих секціях реактивна ЕРС ер. Таким чином, в секції зберігаються комутуюча й трансформаторна ЕРС при відсутності реактивної ЕРС, що може також викликати спалахи під щітками.

Якими конструктивними засобами зменшують вплив вихрових струмів на комутацію тягового двигуна в перехідних процесах?

Зменшення впливу вихрових струмів на потік додаткових полюсів, як це виходить з рівняння (8.43), можливо досягнути застосуванням шихтованих елементів у магнітному ланцюзі додаткових полюсів – їхніх осердь та остова двигуна. Хоча шихтування осердь полюсів збільшує їхній електричний опір, зменшення Квихр при цьому не велике. Великий ефект дає шихтування остова, але воно сильно ускладнює конструкцію машини. Застосовують другий повітряний зазор δд2 біля остова. В цьому разі, з рівняння (8.43), збільшується магнітний опір ланцюга, зменшується струм івихр , який затримує змінення магнітного потоку Фд. Некомпенсована ЕРС е в комутуючій секції суттєво

255

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

зменшується при наявності другого повітряного зазору. Застосування другого повітряного зазору не викликає конструктивних утруднень, і цей спосіб покращення комутації при нестаціонарних процесах широко застосовується в сучасних тягових двигунах. Але, вводячи другий повітряний зазор в ланцюг додаткового полюсу, доводиться збільшувати МРС його котушки, що збільшує число її витків та розміри.

Великі стрибки струму викликають насичення магнітного ланцюга додаткових полюсів, порушуючи баланс між ЕРС ек та ер. Тому індукції в цьому ланцюзі необхідно вибирати такими, щоб не виникало його насичення навіть при струмах перехідних режимів.

8.6 Потенціальні умови на колекторі й дія компенсаційної обмотки при несталих процесах

Які додаткові фактори впливають на розподіл напруги на колекторі в перехідних режимах? Як впливає трансформаторна ЕРС?

У перехідних режимах взаємодія магнітних потоків, які визначають розподіл напруги на колекторі, значно ускладнюється дією вихрових струмів. Слід враховувати й додаткові фактори: трансформаторну ЕРС, яка наводиться в витках якірної обмотки, розташованих поза зоною комутації; ЕРС, яка виникає в провідних обмотки якоря під дією змінного струму цих провідників.

Трансформаторна ЕРС етх для провідників, розташованих на будь-якій відстані х від середини полюса, була визначена В § 8.4. Вона має найбільше значення в провідниках, розташованих в зоні комутації. Маючи залежності Ф(t) та ія(t) (рис. 8.7), можливо визначити розподіл етх по колу колектора, використовуючи рівняння (8.50). Звичайно в тягових двигунах вплив еТх на розподіл напруги по колу колектора малий, тому його не беруть до уваги.

Як визначається ЕРС самоіндукції секцій обмотки якоря, яка діє між пластинами колектора?

При різких зміненнях струму в котушках якірної обмотки, які мають індуктивність Lсх., наводиться ЕРС самоіндукції

яка діє між пластинами колектора. Індуктивність Lсх не постійна й залежить від відстані x секції від середини головного полюсу по колу

256

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

якоря. При ексцентричному повітряному зазорі, у відповідності з фо-

рмулою (3.55),

В цій формулі позначення такі ж , які в § 4.4. Найбільше значення есх під серединою полюсу. Ця ЕРС може збільшувати нерівномірність розподілу напруги між пластинами колектора й підвищувати Uкмах у порівнянні з усталеним режимом . Таким чином, маючи залежність iя(t) для даного двигуна, за рівнянням (3.55) можна підрахувати індуковану ЕРС для різних провідників якоря, побудувати криву й оцінити вплив цієї ЕРС на потенціальні умови на колекторі машини в

перехідному режимі.

Розподіл індукції в повітряному зазорі й напруги по колу колектора в усталених режимах залежить від МРС Fх в кожній точці полюс-

ної поділки ( § 2.5; 2,6):

де Fзб’ – МРС котушки головного полюса за відрахуванням спаду магнітного потенціалу в остові й полюсі;

МРС реакції якоря

Як впливають стрибки струму в перехідних процесах на потенціальні умови на колекторі?

Стрибки струму, виникаючі в перехідних процесах, по – різному впливають на змінення МРС реакції якоря й головного полюса. Потік реакції якоря проходить через шихтовані ділянки магнітнопроводу (якір, осердя полюсу), де вихрові струми порівняно невеликі, тому ними можна знехтувати. В магнітному ланцюзі головних полюсів вихрові струми значні й обмежують змінення їхньої МРС.

Тому в цьому режимі:

257

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Вихрові струми можуть суттєво впливати на спотворення розподілу напруги між суміжними колекторними пластинами, підвищуючи нерівномірність розподілу індукції під полюсом.

Практика показує, що максимальні значення напруги між колекторними пластинами Uкмах у перехідних режимах в двигунах без компенсаційної обмотки можуть досягати Uкмах = 57÷83 В, що значно перевищує критичну напругу створення дуги на колекторі (36÷43 В).

Маючи залежність ія(t) та Ф(t) для перехідного режиму, враховуючи те, що

Bзб Bзб0 Bря ,

за допомогою рівняння (3.55) та співвідношень, наведених у § 2.4, можливо аналізувати наближений характер розподілу напруги між пластинами колектора з урахуванням спотворюючої дії реакції якоря

йвихрових струмів.

Внеусталених режимах потенціальні умови при послабленні збудження можуть погіршуватись ще більше, ніж в усталених режимах при повному збудженні. Спотворюючий вплив реакції якоря в цьому разі ще більший внаслідок перерозподілу струмів у ланцюгах обмотки збудження й шунтуючого резистора. Тому необхідно застосовувати індуктивні шунти й правильно вибирати їхні параметри, щоб, по можливості, виключати такий перерозподіл струмів.

Як впливає компенсаційна обмотка на потенціальні умови на колекторі?

Застосування компенсаційної обмотки сприяє суттєвому покращенню потенціальних умов на колекторі як в усталених, так і в перехідних режимах. Магнітний потік компенсаційної обмотки в будьякому режимі проходить там же, де й потік реакції якоря, а струм компенсаційної обмотки зменшується за тим же законом, що й струм якоря. Тому умови компенсації потоку реакції якоря в перехідних режимах мало відрізняються від умов сталого режиму.

Крім того, в машинах з компенсаційною обмоткою потік реакції якоря практично відсутній, що зменшує індуктивність провідників обмотки якоря. Їхня індуктивність мала й майже рівномірно розподілена по колу якоря. При цьому ЕРС самоіндукції провідників майже не впливає на розподіл напруги між колекторними пластинами.

258

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

8.7 Перехідні електромагнітні процеси в асинхронних тягових двигунах

Коли виникають перехідні процеси в асинхронному тяговому двигуні?

В асинхронних тягових двигунах електрорухомого складу, як і в колекторних, можуть виникати перехідні процеси. Найбільш важкі перехідні процеси виникають при стрибкоподібному зміненні напруги (ступінчасте регулювання), а також при порушенні комутаційного процесу («перекидання») в перетворювачі частоти.

Які рівняння описують миттєві напруги на фазних обмотках у перехідних режимах асинхронних тягових двигунів? Як ці рівняння вирішують?

Миттєві значення напруги на фазних обмотках асинхронних тягових двигунів описуються системою рівнянь:

де u(t),i(t), (t) – часові функції фазних напруг, струмів та по-

токозчеплень;

r1 – активний опір фази обмотки статора.

Ця система рівнянь за допомогою просторового перетворення може бути зведена до єдиного рівняння у векторній формі, яке пов’язує змінну й просторову функцію в координатних осях статора:

259

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Рівняння (8.52), зведене до координатних осей статора:

де ω – кутова частота обертання ротора відносно статорних

осей.

У рівняннях (8.51) та (8.53) чотири невідомих, тому складемо ще два рівняння:

де L1, L2 – повні індуктивності обмоток відповідно статора й ротора;

L1 L1р L , L2 L2 р L ;

L1p , L2 p – індуктивності статорної та роторної обмоток;

L – взаємна, індуктивність статорних та роторних обмоток

(індуктивність ланцюга головного магнітного потоку).

Рівняння (8.51) та (8.53) з урахуванням (8.54) та (8.55):

де K1, K2 – коефіцієнти зв’язку статора й ротора

L L

K1 L1 , K2 L2 ;

L1 – перехідна індуктивність нерухомого двигуна без активних опорів із замкненим накоротко ротором

L2 – перехідна індуктивність ротора без активних опорів із замкненим накоротко статором