Сравнение характеристик тяговых электродвигателей.

Для того чтобы выполнить сравнение характеристик тяговых двигателей необходимо определиться с перечнем требований предъявляемых к ним.

Требования, предъявляемые к характеристикам тяговых электродвигателей.Характеристики электродвигателей используемых для тяги поездов должны удовлетворять следующим условиям:

· электрическая устойчивость режимов работы;

· механическая устойчивость движения поезда;

· равномерное распределение нагрузок между параллельно работающими тяговыми двигателями;

· возможно меньшие изменения нагрузки двигателей при колебаниях напряжения в контактной сети;

· наименьшие изменения потребляемой мощности при движении поезда по различным элементам профиля;

· экономичное регулирование скорости в широком диапазоне;

· наименьший расход энергии на тягу поездов;

· использование рекуперативного торможения;

· максимальное использование сцепления колесных пар с рельсами;

· надежность в работе.

Под электрической устойчивостью понимается восстановление электродвигателями значения установившегося тока при незначительных случайных его отклонениях. Данное требование является наиболее важным, так как при наличии электрической неустойчивости двигатель не может быть использован на практике.

Электрическую устойчивость устанавливают при рассмотрении уравнения (3), преобразованное к виду (16) с учетом закономерностей определяющих изменение магнитного потока, так как частоту вращения при быстро протекающих электрических процессах можно считать практически неизменной.

. (16)

Из всех перечисленных вариантов возбуждения тяговых двигателей к электрическй неустойчивости может привести встречно-смешанное возбуждение двигателей.

Механической устойчивостьюназывают стремление тягового электродвигателя к восстановлению установившейся скорости движения при возникновении ее отклонений. Как известно из механики установившееся движение возникает при равенстве силы тяги силам сопротивления движению. Для определения механической устойчивости тяговых двигателей с различными системами возбуждения нанесем на рисунок 6 кривую сил сопротивления движению (рисунок 7), которые несколько возрастают с ростом скорости.

Установившееся движение поезда возникает в точках пересечения кривых сил тяги (1 – 3) с кривой сопротивления движению (4).

Рисунок 7. К определению механической устойчивости тяговых электродвигателей при различных системах возбуждения.

1 – тяговая характеристика э.п.с. с двигателем параллельного или независимого возбуждения; 2 – тяговая характеристика э.п.с. с двигателем согласно-смешанного возбуждения; 3 – тяговая характеристика э.п.с. с двигателем последовательного возбуждения; 4 – кривая сил сопротивления движению (W).

Как видно из рисунка 7 для всех трех рассмотренных случаев, при случайном увеличении скорости движения сила сопротивления движению станет больше силы тяги. Следовательно, поезд начнет замедляться вплоть до достижения установившейся скорости движения. При случайном уменьшении скорости силы тяги наоборот становятся больше силы сопротивления движению, следовательно, поезд будет разгоняться до достижения установившейся скорости движения.

Равномерное распределение нагрузки между тяговыми электродвигателями. Как правило, локомотивы имеют несколько тяговых электродвигателей включаемых в параллельные ветви. При изготовлении неизбежны отклонения размеров деталей, качества обработки поверхностей, магнитных свойств используемых сталей в пределах установленных допусков. Поэтому электромеханические характеристики двигателей несколько отличаются друг от друга. Свою роль играет также роль разница в диаметрах колесных пар локомотива. Все эти отклонения являются причиной неравномерного распределения нагрузок по колесным парам локомотива.

При рассмотрении электромеханических характеристик можно доказать, что мягкие характеристики двигателей последовательного возбуждения обеспечивают более равномерное распределение нагрузок, по сравнению с двигателями согласно-смешанного и параллельного возбуждения.

Изменение нагрузок тяговых электродвигателей при изменении напряжения в контактной сети. Как видно из формулы (4), частота вращения зависит от напряжения на электродвигателе, которое определяется напряжением в контактной сети. Следовательно, при изменении напряжения в контактной сети изменится и зависимость n=f(I) электромеханической характеристики. На рисунке 8 показано влияние изменения напряжения в контактной сети на ток и вращающий момент для двигателя с последовательной и параллельной системой возбуждения. При скачкообразном изменении напряжения частота вращения двигателя в силу инерционных свойств практически не изменяется, следовательно, переход от одной зависимости n=f(I) на другую происходит по горизонтальной линии. Как видно из рисунка изменение тока тягового двигателя и вращающего момента в двигателях последовательного возбуждения достаточно невелико, а в двигателях параллельного возбуждения значительно больше.

Рисунок 8. Влияние изменения напряжения на ток нагрузки и вращающий момент тягового двигателя: а) – двигатель последовательного возбуждения; б) – двигатель параллельного возбуждения.

Таким образом, колебания напряжения вызывают незначительные изменения нагрузок у двигателей последовательного возбуждения. При параллельном возбуждении толчки тока и силы тяги получаются значительно больше и могут отразиться на плавности движения поезда.

Изменения мощности, потребляемой тяговыми электродвигателями при движении по различным элементам профиля. В зависимости от условий движения тяговые электродвигатели э.п.с. развивают различные мощности. При следовании по легким участкам профиля они работают с небольшими нагрузками и потребляемыми мощностями. В случае движения состава на тяжелых подъемах электродвигатели работают с большими токами нагрузки и мощностями. При сохранении режима ведения поезда у тяговых двигателей независимого и параллельного возбуждения из-за жестких характеристик скорость уменьшается незначительно, а, следовательно, потребляемая мощность возрастает практически пропорционально увеличению силы тяги (вращающего момента).

Тяговые электродвигатели последовательного возбуждения благодаря мягким характеристикам при повышении силы тяги снижают скорость движения, следовательно, потребляемая ими мощность и ток оказываются меньше чем у двигателей с жесткими характеристиками, что способствует более равномерной загрузке тяговых подстанций.

Использование пропускной способности линий. Тяговые электродвигатели последовательного возбуждения обеспечивают движение по тяжелым подъемам с меньшими скоростями, чем на более легких участках пути. Участки с тяжелыми подъемами ограничивают число пропускаемых пар поездов. В случае применения тяговых двигателей параллельного возбуждения с жесткими характеристиками скорость движения поездов по всем элементам профиля будет примерно одинаковой и на тяжелых подъемах будет больше чем у двигателей последовательного возбуждения.

По условиям использования пропускной способности двигатели с жесткими характеристиками имеют некоторое преимущество.

Экономичное регулирование скорости движения. Скорость движения поезда при установке на э.п.с. двигателей параллельного и смешанного возбуждения можно легко регулировать изменением магнитного потока за счет воздействия на небольшой по своему значению ток возбуждения. В электродвигателях последовательного возбуждения регулирование магнитного потока требует усложнения силовой цепи и дополнительного оборудования из-за больших токов, протекающих через обмотку возбуждения. Однако в этом случае требуется меньшее число ступеней регулирования благодаря мягким характеристикам и меньшим диапазонам регулирования скорости.

Расход энергии на тягу поездов. При постоянной скорости движения требуется совершать меньшую работу по перемещению поезда. Поэтому при использовании жестких характеристик двигателей параллельного возбуждения расходуется меньше электроэнергии. При мягких характеристиках электродвигателей последовательного возбуждения скорость движения изменяется в широких пределах в зависимости от профиля пути. При равной средней скорости здесь требуется совершить большую работу и израсходовать несколько больше энергии. Это связано с тем, что силы сопротивления движению возрастают с увеличением скорости более интенсивно, чем сама скорость движения. Частично такой перерасход энергии компенсируется снижением потерь в пусковом реостате за счет более низких скоростей выхода на безреостатные характеристики.

Использование рекуперативного торможения. Рекуперативное торможение позволяет уменьшить расход электрической энергии благодаря ее возврату в сеть при движении поезда на спуске или при снижении скорости движения. Тяговые электродвигатели параллельного и согласно-смешанного возбуждения переходят в режим рекуперации (в генераторный режим работы) автоматически при увеличении скорости движения.

Тяговые двигатели последовательного возбуждения в режиме рекуперации устойчиво работать не могут. Поэтому на э.п.с. их переводят на независимое возбуждение от специального преобразователя, что приводит некоторому усложнению оборудования и электрических схем.

Условия сцепления колес с рельсами.В случае использования двигателей параллельного или независимого возбуждения благодаря жестким характеристикам сцепление колесных пар с рельсами восстанавливается быстрее, среднее значение силы тяги по сцеплению, а следовательно, и коэффициент сцепления получается больше, чем у двигателей последовательного возбуждения с мягкими характеристиками.

Из анализа предъявляемых к тяговым двигателям требований видно, что каждая система возбуждения имеет свои преимущества и недостатки. Однако, по таким наиболее важным показателям, как равномерность распределения нагрузок, меньшее изменение нагрузки при колебаниях напряжения в контактной сети, меньшее изменение мощности при движении по различным элементам профиля пути, электродвигатели последовательного возбуждения обладают преимуществами. Поэтому данный тип двигателей используют в качестве тягового на э.п.с. С таким недостатком как более низкий коэффициент сцепления борются при помощи различных систем противобоксовочной защиты. Для обеспечения рекуперации переводят электродвигатели на независимое возбуждение, хотя это и усложняет электрооборудование э.п.с.