0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Аварийные режимы работы двигателей постоянного тока

Моделирование работы многофазных асинхронных двигателей в аварийных режимах эксплуатации

Автор: Глухов Д.М., Муравлёва О.О.
Источник: Журнал «Известия Томского политехнического университета» – Томск, Россия – 2005, Том 308, Выпуск 7, с. 139-142, http://cyberleninka.ru .

Аннотация

Глухов Д.М., Муравлёва О.О. Моделирование работы многофазных асинхронных двигателей в аварийных режимах эксплуатации Предлагается математическая модель для исследования электрических процессов в сетях с компенсацией емкостного тока при дуговых перемежающихся замыканиях с учетом вероятностного характера факторов, определяющих исследуемый процесс.

Введение

Интенсивное развитие электроники и микропроцессорной техники приводит к созданию качественных регулируемых электроприводов переменного тока для замены электроприводов постоянного тока и нерегулируемого электропривода переменного тока благодаря большей надёжности электродвигателей переменного тока по сравнению с машинами постоянного тока [1].

Регулируемые электроприводы завоевывают области применения нерегулируемых как для обеспечения технологических характеристик, так и с целью энергосбережения. Причем предпочтение отдается именно машинам переменного тока, асинхронным (АД) и синхронным (СД), так как они имеют лучшие массогабаритные показатели, более высокую надежность и срок службы, проще в обслуживании и ремонте по сравнению с коллекторными машинами постоянного тока. Даже в такой традиционно «коллекторной» области, как электрический транспорт, машины постоянного тока уступают место частотно-регулируемым двигателям переменного тока [2]. Все большее место в продукции электромашиностроительных заводов занимают модификации и специализированные исполнения электродвигателей.

Создать универсальный, подходящий для всех случаев жизни частотно-регулируемый двигатель нельзя. Оптимальным он может быть только для каждого конкретного сочетания закона и способа управления, диапазона регулирования частоты и характера нагрузки. Многофазный асинхронный двигатель (МАД) может являться альтернативой трёхфазным машинам при питании от преобразователя частоты.

Целью настоящей работы является разработка математической модели для исследования тепловых полей многофазных асинхронных двигателей как в установившихся, так и в аварийных режимах работы, которые сопровождаются отключением (обрывом) фаз (или одной фазы) для того, чтобы показать возможность работы асинхронных машин в составе регулируемого электропривода без применения дополнительных средств охлаждения.

Моделирование теплового поля

Особенности эксплуатации электрических машин в регулируемом электроприводе, а также высокие вибрации и шум, накладывая определённые требования к конструкции, требуют иные подходы при проектировании. Вместе с тем, особенности многофазных двигателей делают такие машины пригодными для применения в регулируемых приводах различного назначения, а в случае повышенных требований к надёжности и динамическим свойствам практически единственно возможными машинами в связи с простотой их производства, так как многофазная машина может быть выполнена на базе трёхфазного асинхронного двигателя. Многофазные машины находят на практике всё возрастающее применение в широком диапазоне мощностей от ед. кВт и ниже до ед. МВт.

Одна из главных задач современной электромеханики – создание методов исследования как электромеханических систем, объединяющих различные электромеханические преобразователи, электрические и механические элементы, так и способов воспроизведения магнитных полей и изучения процессов в самих электромеханических преобразователях. Это можно сделать на основе математического моделирования, которое воспроизводит характеристики некоторого объекта-оригинала – на другом объекте-модели, подобный оригиналу и созданный специально для изучения его свойств.

Используемый нами пакет ELCUT 4.2Т предоставляет возможность проводить моделирование теплового поля электрической машины методом конечных элементов. Поле является двухмерным. Универсальность пакета позволяет вводить геометрические параметры, источники тепла, граничные условия и получать результат в любой точке сечения статора. Возможность расчёта нестационарных тепловых процессов позволяет получать результат в виде графика изменения температуры во времени или в виде таблицы.

Наиболее интересным представляется расчёт и моделирование нестационарных тепловых процессов при работе многофазных машин в режиме обрыва фазы (или фаз), т.к. в этом случае происходит скачок тока в оставшихся обмотках, и запаса теплоёмкости и охлаждения может не хватить для нормального функционирования машины. Поэтому полезно знать возможности машины по продолжительности эксплуатации двигателя в заданном режиме

Исследование переходных тепловых процессов для ответственных электроприводов повышенной надёжности обусловлено тем, что для таких электроприводов может быть невозможным немедленное отключение при возникновении аварийного режима (обрыва фазы), а необходимо продолжить эксплуатацию машины некоторое время для обеспечения отключения без серьёзных последствий. Таким образом, необходимо выяснить продолжительность эксплуатации машины при обрыве фазы (или фаз) по условиям безопасного нагрева статорной обмотки. Очевидно также, что обрыв одной фазы позволит эксплуатировать машину более продолжительное время, нежели обрыв двух фаз, так как при равной теплоёмкости частей двигателя увеличение тепловыделения (рост токов в оставшихся фазах) приведёт к более быстрому нарастанию температуры и достижению предельной температуры, при которой необходима остановка электропривода для устранения неполадок.

Уравнение теплопроводности для двухмерного теплового поля представляется в виде [4]:

где T – температура; t – время; Лx(y,z) – компоненты тензора теплопроводности (в линейной постановке); q(T) – удельная мощность тепловыделения; c – удельная теплоемкость; р – плотность материала.

Математическая модель

Для того, чтобы произвести расчёт токов в обмотках фаз, необходимо сделать электромагнитный расчёт двигателя для определения параметров машины, таких как активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора и скольжения, соответствующего номинальной мощности. Затем была составлена расчётная программа в среде MathCAD 2001 для определения токов и моментов.

В основу предложенной математической модели вращающего момента многофазного асинхронного двигателя, работающего при обрыве фазы входят следующие положения. Во-первых, конструкция обмотки МАД легко преобразуется из трёхфазной в многофазную. Во-вторых, из исследований вопроса выяснилось, что наиболее оптимальным является симметричное исполнение МАД с нечётным и чётнонечётным числом фаз и при расщеплении его многофазной обмотки на трёхфазные группы. Поэтому, можно считать, что многофазная машина это такая, которая в электрическом отношении состоит из нескольких трёхфазных, размещённых на одном сердечнике статора. Поэтому система управления разбивается на трёхфазные группы и, например, девятифазной машиной управляют три трёхфазных преобразователя, согласованных по работе во времени. Таким образом, мощность двигателя, получаемая электромагнитным преобразованием, можно условно разделить на число трёхфазных групп и считать, что все они в равной степени участвуют в работе машины. Обрыв фаз представляет собой отключение какой-либо фазы в тройке и функционировании этой группы фаз в однофазном режиме. При этом, обратная составляющая магнитного поля этой однофазной системы будет воздействовать на оставшиеся полноценные трёхфазные группы, что можно учесть.

Для реализации поставленной цели необходимо произвести расчёт токов в обмотках МАД, расчёт токов в аварийном режиме при обрыве фазы (или фаз), произвести тепловое моделирование нестационарного нагрева двигателя в условиях равномерной и неравномерной тепловой загрузки МАД. После анализа полученных результатов можно произвести построение графиков, диаграмм и т.п., для наглядного пояснения результатов.

Для того чтобы произвести расчёт токов в обмотках фаз, необходимо сделать электромагнитныи расчет двигателя для определения параметров машины с заданными номинальными данными.

Исходные данные: Р2н – номинальная мощность двигателя, кВт; 2р – число полюсов; и1н – номинальное фазное напряжение, В, т – число фаз двигателя; пн – синхронная частота вращения, об/мин.

Параметры, получаемые в результате электромагнитного расчета: г1 – активное сопротивление обмотки статора, Ом; г2 – приведенное активное сопротивление обмотки ротора, Ом; х1 – индуктивное сопротивление обмотки статора, Ом; х2 – приведенное сопротивление обмотки ротора, Ом; s – скольжение.

Читать еще:  Чем заменить шаговые двигатели на чпу

Обрыв какои-либо фазы многофазнои машины приводит к искажению магнитного поля в связи с тем, что обрыв фазы в трехфазнои группе ведет к возникновению пульсирующего магнитного поля от этои уже двухфазнои системы. По методике, предложенной в [3] можно рассчитать электромагнитныи моменты, создаваемыи от этого пульсирующего магнитного поля разложением на симметричные составляющие ток в обмотках, т.к. трехфазные группы многофазной машины представляют собой аналогичную конструкцию трехфазной машины. Для этого используем уравнения фазных токов, собственные и взаимные сопротивления отдельных фаз, Ом:

Математическая модель вращающего момента многофазного асинхронного двигателя, работающего при обрыве фазы:

Для определения токов прямой и обратной последовательностей необходимо получить выражения для собственных и взаимных полных сопротивлений фаз, Ом, обусловленных потоком в зазоре:

Теперь можно представить систему последовательно включенных обмоток на напряжение и, заменив падения напряжений на сопротивления фаз, обусловленных полем в зазоре, ЭДС ЕА, ЕВ, ЕС, включенными встречно приложенному напряжению, а индуктивные сопротивления рассеяния и активные сопротивления обмоток статора (в общем случае тоже несимметричные) объединить с внешними сопротивлениями, включенными в фазы А, В и С. Решив уравнения Кирхгофа, получим:

Прежде всего рассчитывается момент двигателя для симметричного режима при всех функционирующих фазах. Затем производится расчёт момента для случая обрыва фазы или фаз. При этом используются вышеприведённые выражения с учётом того, что момент от поля обратной последовательности вычитается из момента, создаваемого полноценно функционирующими тройками фаз. Для определения тока фаз номинальной мощности МАД при обрыве фаз необходимо изменять скольжение машины s до достижения номинального момента двигателя, определённого ранее.

В работе были использованы геометрические данные АД серии 5А мощностью 3,0; 4,0; 5,5 и 7,5 кВт, т.к. многофазные машины проектируются на базе серийных двигателей. По результатам моделирования построены графики нестационарных тепловых процессов во времени. Для примера, приведён график нестационарного нагрева МАД мощностью 5,5 кВт.

Рисунок 1 – Графики нестационарного нагрева многофазных АД

Таблица – Продолжительность работы двигателей

На этих графиках представлены данные для девятифазных АД. Но теоретические методы могут быть применены в отношении МАД с любым числом фаз, кратным трем. Для большей наглядности графики сгруппированы для каждого двигателя для номинального режима, а также при обрыве одной или двух фаз. Если принять для класса изоляции Б предельную температуру в 95 °С с учетом некоторого запаса на температуру лобовых частей, то по графикам видно, что обрыв фазы не приводит к снижению продолжительности работы двигателя, кроме машины мощностью 7,5 кВт, у которой время работы ограничено 50-тью мин. Что же касается обрыва двух фаз, то в этом случае продолжительность безопасной в тепловом отношении работы уже существенно ограничена. Более наглядно результаты моделирования представлены в таблице.

Эксперимент

Экспериментальная установка представляет собой шестифазный асинхронный двигатель мощностью 1,1 кВт при напряжении 127 В, соединённый соосно с трёхфазным двигателем в качестве нагрузки. При проведении эксперимента решено было произвести измерение температуры меди обмотки статора машины при всевозможных режимах работы.

Цель испытаний на нагревание – проверка соответствия температуры различных частей машины требованиям стандартов или технических условий, а при исследованиях – определение зависимости температуры машины от изменения нагрузки или других параметров, влияющих на тепловое состояние машины и сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчётами. Поэтому испытаниям на нагревание подвергают все виды электрических машин. ГОСТ Р 51689-00 определяет предельно длительно допускаемые превышения температуры частей электрических машин при различных способах измерения температуры.

Метод сопротивления широко используется для определения среднего превышения температуры изолированных обмоток электрических машин; основан на изменении сопротивления обмотки от её температуры. Для получения теоретических результатов применялась методика, приведённая выше.

Для определения превышения температуры обмотки над температурой охлаждающей среды измеряют сопротивление обмотки при постоянном токе в практически холодном и в нагретом состояниях.

Превышение температуры обмотки над температурой охлаждающей среды можно определить по формуле [5]:

Как наиболее просто реализуемый, был выбран метод сопротивления для определения средней температуры обмотки статора, чтобы сравнить полученный результата с моделированием теплового состояния машины в среде ELCUT. За холодное состояние принято сопротивление при температуре 23 °С.

Так как исследовалась работа машины с обрывом фазы, то было получено представление об изменении теплового состояния двигателя в данном режиме работы. При исследовании производили отключение фазы Ш.

Расхождение данных экспериментального исследования и моделирования среде ELCUT 4.2Т находится в пределах 9 — 11 %.

Выводы

1. Предложена математическая модель тепловых процессов в многофазном асинхронном двигателе, которая позволяет рассчитать превышение температуры обмотки при аварийных режимах.

2. Обрыв одной фазы многофазного асинхронного двигателя не всегда приводит к отказу двигателя в тепловом отношении, и проведённые исследования позволяют определить продолжительность его эксплуатации в аварийной ситуации.

3. Тепловое моделирование и экспериментальное исследование шестифазного асинхронного двигателя в различных режимах показывает высокую адекватность разработанной математической модели.

Тормозные режимы работы двигателя с последовательным возбуждением

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением в электроприводах работают как в двигательном, так и в тормозных режимах. В отличие от двигателя с параллельным возбуждением генераторный режим с отдачей энергии в сеть для двигателей с последовательным возбуждением неприменим, так как для перехода в этот режим, как видно из механических характеристик (рис. 1), потребовалась бы недопустимо высокая скорость вращения. Основным, наиболее легко осуществимым, является тормозной режим противовключения .

В приводах машин с потенциальными статическими моментами (например, подъемные лебедки) перевод из двигательного режима в противовключение производится введением добавочного сопротивления в цепь якоря (точка А). Момент двигателя уменьшается, и под действием статического момента, создаваемого грузом, двигатель начнет вращаться в сторону, противоположную действию его момента. Груз будет опускаться (точка С).

Для торможения электрических машин с реактивным (без запаса потенциальной энергии) статическим моментом применяется переключение обмоток на обратное вращение (реверс). Все, что было сказано выше в отношении изображения характеристик в этом и других режимах двигателя с независимым возбуждением, в равной степени относится и к двигателю с последовательным возбуждением.

Рис. 1. Схемы включения и механические характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением

Режим электродинамического торможения двигателя последовательного возбуждения осуществляется двумя путями: с независимым возбуждением и с самовозбуждением. При независимом возбуждении обмотка возбуждения подключается к сети через ограничивающее сопротивление, а якорь, отключенный от сети, включается на тормозное сопротивление. Магнитный поток в этом случае будет постоянным, а режим работы двигателя и механические характеристики будут соответствовать аналогичному электродинамическому торможению двигателя с параллельным возбуждением.

Иногда при динамическом торможении применяют самовозбуждение, то есть якорь, отключенный от сети, замыкают на тормозное сопротивление, заставляя двигатель работать в режиме генератора с самовозбуждением. При этом необходимо переключить концы обмоток якоря или возбуждения, тогда ток генераторного режима будет усиливать поток остаточного магнетизма, иначе самовозбуждения не произойдет.

Читать еще:  405 двигатель проверка датчика холостого хода

При малых скоростях двигатель также не возбуждается. Начинаясь при некотором значении скорости, процесс самовозбуждения происходит очень быстро, что вызывает скачкообразное нарастание тормозного момента; в результате этого механическая часть привода испытывает удар.

Подобные явления обычно нежелательны, поэтому самовозбуждение применяют в случае аварийного торможения. Режим самовозбуждения не требует питания обмоток от сети.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Ранее на эту тему: Электропривод

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Условия и номинальные режимы работы тяговых двигателей

Описание электропоездов и электровозов, расписание поездов, фотографии

§ 28. Условия и номинальные режимы работы тяговых двигателей

Условия работы тяговых двигателей и требования, предъявляемые к ним. Тяговые двигатели, служащие для превращения электрической энергии в механическую, во время работы подвергаются воздействию динамических сил, возникающих при движении колес по неровностям пути, и вибрациям, которые особенно велики в зимних условиях, когда верхнее строение пути обладает повышенной жесткостью. Инерционные динамические ускорения достигают 3£ при рамном и 15§ при опорно-осевом подвешивании тягового двигателя. При опорно-осевом подвешивании и жесткой передаче динамические ускорения на поверхности якоря достигают 25§

Конструкция тягового двигателя, его подвешивание и передача должны обеспечивать наименьшее динамическое воздействие подвижного состава на путь и пути на двигатель, что особенно важно при высоких скоростях движения. Для этого в передаче желательно применять эластичные элементы, а массу самого двигателя максимально снижать. На пассажирских локомотивах и моторных вагонах, рассчитанных на движение с высокими скоростями, применяют рамное подвешивание двигателей.

При трогании электровоза с места ток тяговых двигателей может достигать двойного номинального, а при снижении нагрузки частота вращения — превышать более чем в 2 раза номинальное значение. Особенно высокая частота вращения возникает при боксовании колесных пар.

Механическая прочность якоря должна соответствовать частоте его вращения, превышающей наибольшую на 25% при параллельном и на 35% при последовательном соединении двигателей. В диапазоне нагрузок 75—125% номинальной не-

допустимо расхождение частот вращения отдельных двигателей при полном возбуждении более чем на 3%, а в случае предельно ослабленного — более чем на 4%. Поэтому магнитные материалы двигателей должны иметь стабильные характеристики, а узлы — высокую точность сборки.

Двигатели подвержены и атмосферным воздействиям, в них попадает влажный воздух и пыль. На зажимах двигателей возникают перенапряжения, вызванные атмосферными разрядами, а также резкими изменениями тока.

На э.п.с. двигатель расположен в пространстве, ограниченном габаритами приближения подвижного состава к пути, расстоянием между колесными центрами, зависящим от ширины колеи, между другими частями экипажа. Поэтому двигатель должен иметь наименьшие, согласующиеся с общей конструкцией экипажа габаритные размеры и быть доступным для обслуживания. Резкие изменения температуры от —50 до +40 °С и влажности воздуха способствуют отсы-рению изоляции и конденсации влаги на коллекторе, щеткодержателях и поверхности изоляции. Иногда это сопровождается обледенением, коллектор покрывается инеем, что затем вызывает сильное искрение при работе двигателя. Пыль, поднимающаяся с пути при движении, угольная пыль от истирающихся щеток, влажный воздух и снег приводят к загрязнению изоляции и снижению ее диэлектрической прочности.

Тяговые двигатели э.п.с. постоянного тока должны надежно работать при повышении напряжения на токоприемнике на 21% сверх номинального значения, а при наличии электрического торможения — на 27%, двигатели э.п.с. переменного тока — при повышении напряжения в контактной сети на 16% или понижении его на 24%. Необходимо, чтобы двигатели устойчиво работали при ослабленном

возбуждении и нестационарных процессах в их цепях. Поэтому к их изоляции предъявляют высокие требования в отношении электрической и механической прочности, теплостойкости и влагостойкости. Этим требованиям удовлетворяют изоляционные материалы классов нагре-востойкости В, И и Н. Изоляция обмоток относительно корпуса и между обмотками должна выдерживать в процессе испытаний при частоте 50 Гц, номинальном напряжении относительно корпуса свыше 750 В напряжение

итп = 2,25 ит + 2000 В,

где 1)т — номинальное напряжение на токоприемнике э.п с. постоянного тока, равное напряжению контактной сети £/с, или наибольшее напряжение, которое может быть подано на группу двигателей э.п.с. переменного тока.

Непрерывный рост грузонапряженности на электрифицированных железных дорогах СССР требует повышения мощности тяговых двигателей. В ближайшей перспективе будут необходимы для грузового движения тяговые двигатели с часовой мощностью до 1000 кВт на ось, а для скоростных электровозов до 1200— 1300 кВт. При этом повышение мощности тяговых двигателей не должно сопровождаться увеличением нагрузки от колесной пары на рельсы, которая при существующих типах рельсов для грузовых электровозов в СССР ограничена значениями 230—250 кН (23—25 тс).

Как известно, мощность коллекторного тягового двигателя постоянного тока ограничена потенциальными условиями на коллекторе, диаметром и линейной нагрузкой якоря. Максимальный диаметр якоря ограничивается наибольшей частотой его вращения, повышение линейной нагрузки — теплостойкостью изоляционных материалов. Поэтому коллекторные тяговые двигатели мощностью свыше 900 кВт на ось не обеспечивают достаточно высокой эксплуатационной надежности. Двигатели со щетками и коллекторами подвержены также износу и аварийным явлениям в виде круговых огней и перебросов электрической дуги, эксплуатационные расходы на такие двигатели высокие Статистика показывает, что на ремонт коллекторных тяговых машин расходуется до 8 тыс. руб. на

1 млн км пробега. Из них примерно 50% приходится на ремонт коллекторов и щеточного аппарата.

Номинальные режимы работы тяговых двигателей. Тяговые двигатели электровозов и электропоездов постоянного тока характеризуют двумя номинальными напряжениями: на их зажимах (Уд и на токоприемнике локомотива UT. Стандартом установлены следующие номинальные напряжения на токоприемниках э.п.с. постоянного тока: 250, 550, 750, 1500 и 3000 В. Для э.п.с. отечественных дорог постоянного тока принято номинальное напряжение на токоприемниках ном — 3000 В, на зажимах тяговых двигателей с/д ном = 1500 и 750 В. Построить тяговые двигатели с (Уд ном = = 3000 В принципиально возможно, но это экономически не оправдано, так как при снижении напряжения на зажимах двигателя до оптимального значения уменьшаются его масса, расход изоляционных и конструктивных материалов

Номинальное напряжение на зажимах двигателей, применяемых на э.п.с. переменного тока, устанавливают для машин каждого типа на основании технико-экономических расчетов с учетом их мощности, надежности, технологических особенностей изготовления. Обычно для тяговых двигателей мощностью 800—1000 кВт устанавливают (Уд иом = 7504-1100 В.

Тяговые двигатели в условиях эксплуатации работают с переменной нагрузкой. Для сравнительной оценки их работы установлены два номинальных режима: продолжительный и часовой.

Продолжительной называют наибольшую развиваемую на валу двигателя мощность, с которой при нормально действующей вентиляции, закрытых коллекторных смотровых люках и номинальном напряжении на зажимах двигатель может работать длительно, при этом превышение температуры его частей над температурой окружающего воздуха не больше установленного нормами. В этом режиме превышение температуры частей двигателя достигает установившегося значения практически через 3—6 ч, после чего все выделяющееся тепло отдается охлаждающему воздуху

Читать еще:  Автомобиль киа рио тех характеристика двигателя

Часовой называют наибольшую развиваемую на валу двигателя мощность, при

которой работа его в условиях нормально действующей вентиляции, закрытых коллекторных смотровых люков и нормальном напряжении на зажимах, начиная от холодного состояния в течение 1 ч, не сопровождается превышением температуры его узлов, большим установленного нормами. Допустимое превышение температуры частей машины над температурой окружающего воздуха до 40 °С, например, с изоляцией класса Н как в продолжительном, так и в часовом режиме соответствует для обмотки якоря 160, обмотки возбуждения 180, коллектора 105 °С. Для изоляции класса F оно равно соответственно 140, 155 и 95 °С. Двигатель считается холодным, если температура его частей отличается от температуры окружающего воздуха не более чем на ± 3 °С.

Соотношение продолжительной и часовой мощностей определяет эффективность вентиляции тягового двигателя. Часовой режим характеризует теплоемкость двигателей и используется для их сравнительной оценки и проведения контрольных испытаний.

Для большинства современных тяговых двигателей удельный расход воздуха (отношение полного расхода воздуха к потерям мощности в двигателе) равен 2,1—2,7 м3/мин на 1 кВт.

Повышение теплопроводности изоляционных материалов, совершенствование конструкции и технологии изготовления обмоток, рациональное конструктивное выполнение воздухопроводов и распределение воздушных потоков в двигателе позволяют уменьшить размеры двигателя, что уменьшает разницу между значениями часового и продолжительного тока.

На отечественных электровозах дорог постоянного тока тяговые двигатели имеют мощность 400—750 кВт на одну колесную пару. У тяговых двигателей электровозов переменного тока мощность на одну колесную пару составляет 700—835 кВт; планируется ее увеличение до 900—1100 кВт. Увеличить мощность на ось на электровозах переменного тока возможно, потому что их тяговые двигатели соединены, как правило, параллельно, а это позволяет реализовать более высокий коэффициент сцеп-

ления и снижает опасность разносного боксования. Для пассажирских электровозов применяют тяговые двигатели мощностью 400—850 кВт.

Моторные вагоны электропоездов имеют тяговые двигатели мощностью 165— 240 кВт.

Работа машины постоянного тока в режиме двигателя

§ 113. РАБОТА МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ ДВИГАТЕЛЯ

При включении двигателя постоянного тока в сеть под действие ем приложенного напряжения протекает ток как в обмотке якоря, так и в обмотке возбуждения. Ток возбуждения возбуждает магнитный поток полюсов.

В результате взаимодействия тока в провод­никах обмотки якоря с магнитным полем по­люсов создается вращающий момент и якорь машины приходит во вращение. Таким обра­зом, электрическая энергия, полученная ма­шиной из сети источника энергии, преобразу­ется в энергию механическую.

Механические силы создаются в результаты взаимодействия магнитного поля полюсов с то­ками в проводах обмотки якоря. Проводники обмотки якоря уложены в пазах, т. е. окружены сталью зубцов якоря, и эти силы в основном будут приложены к зубцам, так как магнитная проницаемость стали зубцов во много раз боль­ше магнитной проницаемости немагнитной среды пазов, в которой находятся проводники обмотки якоря. Положим, что генератор параллельного возбуждения работает на сеть большой мощности (рис. 149). Ток нагрузки генератора оп­ределяется следующим выражением:

где I — ток в обмотке якоря,

rн — сопротивление цепи этой обмотки,

E —э. д. с, индуктируемая в этой же обмотке,

U — напряжение сети.

Направление э. д. с. и тока в активных проводах якоря показа­ло на схеме (рис. 150,а). Машина развивает электромагнитный мо­мент Мэ, являющийся тормозным, т. е. потребляет механическую энергию и вырабатывает энергию электрическую.

Если посредством регулировочного сопротивления понизить ток возбуждения, то уменьшится как магнитный поток, так и э. д. с, индуктируемая в обмотке якоря. Это вызовет уменьшение нагруз­ки генератора. Изменяя сопротивление регулировочного реостата, можно довести ток возбужде­ния до такой величины, при которой э. д. с. в обмотке якоря равна напряжению сети (Е=U)) и ток в якоре равен нулю, т. е. генератор работает вхолостую.

Если ток возбуждения ока­жется меньше тока, соответст­вующего холостой работе гене­ратора, то э. д. с. обмотки яко­ря будет меньше напряжения сети, и ток в якоре изменит на­правление на обратное (рис. 150, б).

При изменении направления I тока в проводниках обмотки якоря также изменится направление электромагнитного момента Мэ, развиваемого машиной, т. е. момент станет вращающим. Таким образом, машина, потребляя электрическую энергию, вырабатыва­ет энергию механическую, т. е. работает двигателем.

Если отключить первичный двигатель, то якорь машины будет продолжать вращаться под действием развиваемого электромаг­нитного момента Мэ.

При вращении якоря в проводниках его обмотки индуктирует­ся э. д. с, направление которой противоположно направлению тока. Поэтому ее называют противо-э. д. с. или обратной э. д. с. Противо-э. д. с. играет роль регулятора потребляемой мощности, т. е. изменение потребляемого тока происходит вследствие из­менения противо-э. д. с. Противо-э. д. с. равна:

Вращающий момент, развиваемый двигателем,

Приложенное напряжение уравновешено противо-э. д. с. и па­дением напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных Контактов. Поэтому для двигателя уравнение равновесия э. д. с. примет следующий вид:

где Е — составляющая приложенного напряжения, которая уравн0ч вешивает противо-э. д. с, т. е. величина, обратная противо. э. д. с. Ток в обмотке якоря

определяется следующим выражением

Число оборотов якоря двигателя

Условием установившегося режима работы двигателя является равенство моментов вращающего и тормозного. Если вращающий момент, развиваемый двигателем Мэ, уравновешен тормозным моментом на валу Мт, то скорость вращения якоря остается постоян­ной. При нарушении равновесия моментов появляется дополнитель­ный момент, создающий положительное или отрицательное уско­рение вращения якоря.

Если увеличить нагрузку (тормозной момент на валу двигателя Мт),то равновесие моментов нарушится (МЭ Мэ), скорость вращения уменьшается непрерывно до остановки двига­теля. Такие случаи могут возникать при больших тормозных мо­ментах на валу и значительных понижениях напряжения сети.

При уменьшении нагрузки на валу двигателя (МЭ>Мт) ско­рость вращения якоря начнет увеличиваться, что вызывает увели­чение противо-э. д. с. в его обмотке. Ток в обмотке якоря начнет уменьшаться, уменьшая вращающий момент двигателя. Измене­ние скорости, противо-э. д. с. и тока в якоре будет протекать так­же до восстановления равновесия моментов (Мэ=Мт).

Однако в двигателях постоянного тока сравнительно часто создаются условия, при которых равновесие моментов не восстана­вливается при любом изменении скорости, так что вращающий мо­мент всегда остается больше тормозного момента на валу двига­теля (МЭ>Мт). В таких случаях скорость вращения якоря непре­рывно увеличивается, теоретически стремясь к бесконечности. Практически при значительном превышении номинальной скорости машина разрушается — разрываются бандажи, скрепляющие ло­бовые соединения обмотки, проводники обмотки выходят из пазов и т. д. Такой аварийный режим называется разносом двигателя.

Направление вращения якоря двигателя зависит от полярности полюсов и от направления тока в проводниках обмотки якоря.

Таким образом, для реверсирования двигателя, т. е. для изменения подавления вращения якоря, нужно либо изменить полярность ролюсов, переключив обмотку возбуждения, либо изменить направ­ление тока в обмотке якоря.

Обмотка возбуждения обладает значительной индуктивностью, переключение ее нежелательно. Поэтому реверсирование двигателей постоянного тока обычно заключается в переключении об­мотки якоря.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector