Расчет электромеханических характеристик

<10 11 121314 15 16 >

Электромеханические характеристики двигателя постоянного тока на ободе движущего колеса v(I), F₃_M(I), F(I) и η(I) рассчитывают по выражениям:

;

Для того чтобы построить характеристики v(I) и F_Э_M(I) при заданном напряжении на двигателе, должна быть предварительно определена зависимость СФ(I).

Величина СФ, пропорциональная магнитному потоку Ф, имеет размерность В/(км/ч) и представляет э. д. с. двигателя, возбуждаемую при потоке Ф и скорости v,
равной 1 км/ч. Форма кривой СФ(I) зависит как от магнитной, характеристики Ф( ) (где I_В и ω_В соответственно ток и число витков обмоток возбуждения на один полюс двигателя), так и от способа включения обмоток возбуждения двигателя.

При расчете силы тяги двигателя F = F_Э_M - ΔF, необходимо найти ΔF по сумме магнитных и механических потерь в двигателе и передаче.

Механические потери ΔР_М в двигателе прямо пропорциональны частоте вращения. Магнитные потери ΔР_С складываются из потерь на гистерезис и потерь, вызванных вихревыми токами, и зависят от частоты вращения двигателя и его магнитного потока, который определяется током возбуждения. Сумму механических и магнитных потерь обычно представляют в виде семейства кривых в зависимости от частоты вращения якоря (ΔР_М + ΔР_С) = f(n) при различных значениях тока возбуждения I_В На рис. 1 представлены зависимости СФ от магнитодвижущей силы F_m при различных значениях тока якоря и зависимость механических и магнитных потерь от частоты вращения якоря (ΔР_М + ΔР_С) = f(n) при различных значениях магнитодвижущей силы для трамвайного двигателя ДК-254Б. При этом кривая (ΔР_М + ΔР_С) = f(n) при I_В = 0 соответствует одним лишь механическим потерям ΔР_М, а разность ординат между кривыми при F_m = 2780 А и /_в = 0 представляет собой магнитные потери холостого хода, или, как их называют, основные магнитные потери ΔР_С.

Рис.1. Зависимости магнитного потока от магнитодвижущей силыF_mвозбуждения, механических и магнитных потерь от частоты вращения якоря тягового двигателя ДК-254Б

Наряду с основными магнитными потерями, соответствующими холостому ходу электрической машины, при нагрузке возникают добавочные магнитные потери. Их приближенно учитывают умножением основных магнитных потерь на некоторый поправочный коэффициент.

Характеристику η(I) рассчитывают после того, как определены все величины, входящие в нее.

Характеристики двигателей последовательного возбуждения.У двигателей последовательного возбуждения магнитодвижущая сила (м. д. с.) пропорциональна току якоря I. Поэтому зависимость СФ(I) для двигателя последовательного возбуждения близка по форме к зависимости магнитного потока Ф от тока возбуждения I_в, снятой при независимом возбуждении и отсутствии нагрузки.

Чтобы построить зависимость СФ(I), необходимо воспользоваться нагрузочными характеристиками Ф(I_в), снятыми при различных токах якоря. На каждой из кривых Ф(I_в) следует отметить точку, соответствующую току возбуждения I_в, равному току якоря I, для которого построена эта кривая. Соединив полученные точки, находят зависимость СФ(I) (на рис. 2 жирная линия).

В данном случае кривая СФ(I) будет соответствовать не холостому ходу возбужденной машины, а нагрузочному режиму с токами якоря I, равными в любой точке кривой токам возбуждения I_в. На основе этой зависимости можно построить скоростные характеристики двигателя последовательного возбуждения v(I) и электромагнитной силы F_Э_M(I).

Рис. 2. Построение зависимости магнитного потока от тока якоря

Скорость двигателя v, приведенная к ободу движущего колеса, приблизительно обратно пропорциональна потоку; при токе, близком к нулю, она стремится к бесконечности. С увеличением тока скорость вначале резко падает, что соответствует прямолинейной части характеристики СФ(I).

Рис.3. Принципиальная схема включения тягового двигателя последовательного возбуждения (а) и его электромеханические характеристики на ободе движущего колеса (б)

При дальнейшем увеличении тока по мере насыщения магнитной цепи машины скорость снижается в меньшей степени, как это показано на рис. 3.

Электромагнитная сила F_ЭМ= 3,6СФI при малых нагрузках, когда магнитный поток прямо пропорционален току, растет от нуля приблизительно пропорционально квадрату тока, т. е. по параболической зависимости. При дальнейшем увеличении нагрузки по мере насыщения машины кривая F_Э_M(I) отклоняется от параболы и приближается к прямой, т. е. изменяется прямо пропорционально току.

Характеристика силы тяги F(I) подобна характеристике электромагнитной силы, но ее ординаты меньше на величину ΔF, определяемую магнитными и механическими потерями в двигателе и потерями в передаче. Поэтому кривая F(I) не проходит через начало координат, а пересекает ось абсцисс при некотором малом токе I_x_, соответствующем холостому ходу машины. При таком токе и номинальном напряжении работа двигателя недопустима из-за резкого повышения частоты вращения якоря.

Характеристика к. п. д. η(I) при малых нагрузках стремится к нулю при токе I_x и силе тяги, равной нулю. Эта точка соответствует холостому ходу, когда вся подведенная мощность затрачивается в основном на покрытие механических потерь. С увеличением нагрузки к. п. д. быстро растет по мере снижения механических потерь и достигает своего максимума в области, близкой кноминальным нагрузкам. Точка расположения максимума к. п. д. зависит от соотношения механических и электрических потерь.

При дальнейшем увеличении нагрузки к. п. д. постепенно снижается в результате увеличения электрических потерь, пропорциональных квадрату тока.

При нагрузке, намного превышающей допустимую, при которой падение напряжения в двигателе 1r становится равным напряжению U_Д, скорость , отданная мощность Fv и, следовательно, к. п. д. станут равными нулю. Этот предельный режим соответствует заторможенному состоянию двигателя, при котором вся подведенная мощность U_ДI затрачивается на покрытие электрических потерь I²r. Электромеханические характеристики на ободе движущего колеса зависят от диаметра колеса D_K, передаточного отношения редуктора μ, и его к. п. д., η_З(рис. 4). Если эти величины изменяются, то изменяется и характер электромеханических характеристик данного двигателя на ободе колеса. Поэтому на электромеханических характеристиках двигателя на ободе колеса обязательно указываются значения D_K, μ и η_З.

Рис. 4. Электромеханические характеристики на ободе движущего колеса тягового двигателя последовательного возбуждения приD_K = 780 мм, μ = 7,98, η_З.=0,97

Характеристики двигателя параллельного возбуждения.У двигателя параллельного возбуждения обмотку возбуждения к сети подключают через регулируемый реостат. Ток возбуждения пропорционален приложенному напряжению, следовательно, магнитодвижущая сила (м. д. с.) не зависит от тока якоря. С увеличением тока якоря I магнитный поток СФ незначительно уменьшается
из-за размагничивающего действия реакции якоря (рис.5). Скоростная характеристика v(I) жесткая, т. е. скорость почти не зависит от нагрузки. С увеличением нагрузки скорость только незначительно уменьшается вследствие увеличения падения напряжения в цепи двигателя 1r.

Рис. 5. Принципиальная схема включения тягового двигателя параллельного возбуждения (а) и его электромеханические характеристики на ободе движущего колеса (б)

Характеристика электромагнитной силы тяги F_Э_M(I) изображается прямой линией, проходящей через начало координат, так как магнитный поток практически постоянен. Сила тяги F отличается от электромагнитной силы на значение потерь ΔF и пересекает ось абсцисс при токе холостого хода I_х.

Если приложить к подвижному составу внешнюю силу, направленную по движению (например, при движении на крутом спуске), то скорость подвижного состава v и э. д. с. Е = СФv начнут увеличиваться. При некоторой скорости, равной v₀, э д. с. двигателя станет равной приложенному напряжению U_д. Ток двигателя в соответствии с выражением станет равным нулю. При дальнейшем увеличении скорости э. д. с. станет больше приложенного напряжения, и ток в двигателе изменит свое направление.

Так как направление магнитного потока при этом не изменится, то сила тяги тоже изменит свой знак и будет направлена против движения, следовательно, станет тормозной силой. Тяговый двигатель при этом автоматически перейдет в генераторный режим и будет отдавать энергию в тяговую сеть.

Такой режим называется рекуперативным торможением. При этом двигатели будут тормозить подвижной состав, одновременно возвращая электрическую энергию в питающую сеть.

Скоростная характеристика двигателя параллельного возбуждения (см. рис. 6) в генераторном режиме расположена во втором квадранте, а характеристики электромагнитной силы и силы тяги (в данном режиме тормозные силы) расположены в третьем квадранте и являются продолжением соответствующих характеристик двигательного режима.

Кривая к. п. д. η(I) двигателя параллельного возбуждения в тяговом режиме имеет такой же вид, как у двигателя последовательного возбуждения. В генераторном режиме к. п. д. представляет отношение отданной электрической мощности к подведенной механической мощности. Он равен нулю при токе якоря, равном току параллельных цепей I_П затем, увеличиваясь, достигает максимума при отрицательных нагрузках, близких к номинальным, и вновь начинает уменьшаться по мере дальнейшего увеличения нагрузки.

Характеристики двигателя согласно-смешанного возбуждения.Двигатели смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения: последовательную и параллельную. У двигателя согласно-смешанного возбуждения м. д. с. обеих обмоток складывается. Следовательно, суммарная магнитодвижущая сила

,

где I и ω_c - соответственно ток якоря и числовитков последовательной обмотки возбуждения;

I_Шиω_Ш - соответственно токи число витков параллельной обмотки
возбуждения.

Если величину обозначить через I₀, то м. д. с. машины согласно-смешанного возбуждения будет равна . Таким образом, двигатель согласно-смешанного возбуждения можно представить как машину с одной последовательной обмоткой возбуждения, по которой протекает ток якоря I и некоторый дополнительный ток I₀. Зависимость СФ(I) двигателя согласно-смешанного возбуждения имеет такой же вид, как и у двигателя последовательного возбуждения, с той лишь разницей, что кривая СФ сдвинута влево от начала координат на значение тока I₀, как это показано на рис. 7.

Таким образом, при токе якоря, равном нулю, м. д. с. и поток не равны нулю, а создаются током Iо, т. е. м. д. с. параллельной обмотки.

Скоростная характеристика двигателя v(I) имеет примерно такой же вид, как и у двигателя последовательного возбуждения, но сдвинута влево на ток I₀. В действительности скоростные характеристики двигателя согласно-смешанного и последовательного возбуждения несколько отличаются по форме, так как при одинаковых м. д. с. токи якоря, а следовательно, и падение напряжения в силовой цепи двигателя будут различны.

Рис. 7. Принципиальная схема включения тягового двигателя согласно-смешанного возбуждения (а) и его электромеханические характеристики на ободе движущего колеса (б)

При токе якоря, равном нулю, в двигателе согласно-смешанного возбуждения остается м. д. с. параллельной обмотки ω_Ш. Это обеспечивает автоматический переход в генераторный режим (режим рекуперативного торможения). При этом ток якоря изменяет свое направление, а ток в параллельной обмотке протекает в том же направлении, что и в двигательном режиме, поэтому в режиме рекуперативного торможения машина работает, как генератор встречно-смешанного возбуждения. При этом м. д. с. последовательной обмотки вычитается из м. д. с. параллельной обмотки. Поэтому с увеличением тока рекуперации магнитный поток в машине будет уменьшаться, скорость сильно возрастет и будет стремиться к бесконечности при токе рекуперации, равном Iо.

Характеристика электромагнитной силы тяги F_ЭМ(I) в двигательном режиме практически прямолинейна, вследствие того, что машина работает в насыщенной области магнитной характеристики. При переходе в генераторный режим электромагнитная сила тяги меняет знак и становится тормозной силой, препятствующей движению подвижного состава. По мере увеличения тока рекуперации электромагнитная сила F_ЭМ = 3,6СФI сначала возрастает по абсолютному значению. При больших токах рекуперации абсолютное значение F_ЭМуменьшается и при токе рекуперации Iо падает до нуля, так как намагничивающая сила становится равной нулю.

Сила тяги F меньше электромагнитной силы на значение потерь ΔF. При этом в двигательном режиме сила тяги F по абсолютному значению меньше, а в генераторном режиме больше электромагнитной силы F_ЭМ.

Характеристики η(I) как в двигательном, так и тормозном режиме имеют такой же вид, как и у двигателя параллельного возбуждения. К. п. д. равен нулю в тяговом режиме при токе холостого хода I_х, а в генераторном режиме - при токе якоря I_ш.

Характеристики двигателя встречно-смешанного возбуждения.У двигателя встречно-смешанного возбуждения м. д. с. обеих обмоток не складывается, а вычитается при двигательном режиме. Двигатель встречно-смешанного возбуждения, у которого м. д. с. параллельной обмотки больше м. д. с. последовательной обмотки, непригоден для электрической тяги из-за его электрической неустойчивости. Двигатель встречно-смешанного возбуждения, у которого м. д. с. последовательной обмотки больше м. д. с. параллельной обмотки, обладает практически такими же характеристиками, как и двигатель последовательного возбуждения. Отличие заключается в том, что начало кривой СФ(/) сдвигается от начала координат вправо на значение тока . Поэтому на это же значение тока сдвигаются вправо все электромеханические характеристики (рис. 8).

Рис. 8. Принципиальная схема включения тягового двигателя встречно-смешанного возбуждения (а) и его электромеханические характеристики на ободе движущего колеса (б)

<10 11 121314 15 16 >

Дата добавления: 2017-03-12; просмотров: 2496;

Поиск по сайту

Узнать еще