Сравнение двигателей различных систем возбуждения

Требования, предъявляемые к тяговым двигателям.

Основными требованиями, которым должны удовлетво­рять тяговые двигатели, являются:

электрическая устойчивость, т. е. способность автома­тически стремиться к состоянию электрического равно­весия при переходе с одного режима на другой;

механическая устойчивость, т. с. способность автомати­чески приближаться к состоянию динамического равно­весия;

равномерное распределение нагрузок между парал­лельно работающими двигателями;

максимальное использование сцепного веса;

устойчивость коммутации;

наименьшее воздействие на энергосистему;

возможность плавного регулирования скорости и при­менения рекуперации;

простота конструкции.

Электрическая устойчивость.Анализ электрической устойчивости работы тяговых двигателей проводится при следующих допущениях:

пренебрегаем вихревыми токами, возникающими вдвигателе;

рассматриваем только силовую цепь двигателя и счи­таем, что при случайных отклонениях от состояния равновесия всиловой цепи токи в параллельных ветвях остаются неизменными.

Для силовой цепи двигателя постоянного тока уравне­ние переходного процесса можно представить в виде

, (1)

где U_Д - напряжение, приложенное к двигателю; СФv - э. д. с. двигателя; I - ток якоря двигателя; r - сопротивление цепи двигателя; L - индуктивность силовой цепи двигателя.

Если по каким-либо причинам произойдет увеличение тока, электрически устойчивая система будет стремиться вернуться к положению равновесия, т. е. уменьшить ток.

При этом производная будет отрицательной. Если же произойдет случайное уменьшение тока, возврат к поло­жению электрического равновесия должен сопровождать­ся увеличением тока. Отсюда следует, что в электрически устойчивой системе знаки отклонения тока и производ­ной противоположны. Условие электрической устойчивос­ти системы в данном случае может быть записано в виде

. (2)

Из выражения (1) следует

. (3)

Следовательно, условие электрического равновесия запишется в виде

,

или

,

откуда следует, что

Как следует из полученного соотношения, для того, чтобы система находилась в состоянии электрического равновесия, необходимо, чтобы при увеличении тока э. д. с. двигателя СФv, которая уравновешивается разностью приложенного напряжения U_Д и падением напря­жения Ir, возрастала бы в большей степени, чем эта разность.

На рис. 1 представлены диаграммы напряжений (U_д, э. д. с. СФv и падений напряжения для двигателей последовательного (а), параллельного (6), согласно-смешанного (в) и встречно-смешанного (г) возбуждения.

Рис. 1. К анализу электрической устойчивости двигателей последовательного возбуждения (а), параллельного (б), согласно0смешанного (в) и встречно-смешанного (г)

На приведенных диаграммах кривые э.д.с. СФv подобны кривым СФ(I) для каждой системы возбуждения двигателей. Напряжение U_Д, приложенное к двигателю, принимается постоянным, а линии (U_Д - Ir) представ­ляют разность между приложенным к двигателю напря­жением U_Д и падением напряжения в цепи двигателя. Ординаты заштрихованных площадей представляют собой значения и характеризуют знак и скорость изменения тока. Точки пересечения О являются точками электриче­ского равновесия, так как в этих точках и .

Как следует из приведенных диаграмм, электрически устойчивыми являются двигатели последовательного, согласно-смешанного и параллельного возбуждения. Причем у двигателя параллельного возбуждения характе­ристика СФv(I) дважды пересекается с прямой U_Д - Ir в точках О и О'. Но условие устойчивого электрического равновесия

соблюдается только в точке О.

Двигате­ли встречно-смешанного возбуждения в точке О и парал­лельного в точке О', которые соответствуют значитель­ным нагрузкам, неустойчивы, так как

Анализ электрической устойчивости двигателя последовательного возбуждения показывает, если в точке О электрического равновесия произойдет случайное увеличение тока на некоторое значение ΔI, то разность U_Д - Ir станет меньше э. д. с. СФv. Э. д. с. самоиндукции станет отрицательной, а это приведет к тому, что ток станет убывать. Ток будет уменьшаться до тех пор, пока U_Д - Ir не сравняется с СФv., т. е. система возвратится в положение электрического равновесия. И наоборот, при случайном уменьшении тока на некоторое значение ΔI от точки О электрического равновесия, СФv станет меньше U_Д - Ir.Э. д. с. самоиндукции станет положительной, что приведет к возрастанию тока. Таким образом, подтверждается электрическая устойчи­вость двигателя последовательного возбуждения.

Механическая устойчивость. Из уравнения движения подвижного состава в режиме тяги

следует, что динамическое равновесие будет определяться равенством

F_Л - W = 0.

Характеристика двигателя будет механически устойчи­ва, если справедливо соотношение

.

Тогда:

или

.

Производная силы тяги по скорости должна быть меньше производной противодействующей силы. На рис. 2 представлены тяговые характеристики F_Л(v), кривые сопротивления движению W(v) для двигателей последовательного (а), параллельного (6), согласно-смешанного (в) и встречно-смешанного (г) возбуждения. Точки пересече­ния О кривых F и W соответствуют установившимся скоростям , т.к. в них и . Ординаты заштрихованных площадей представляют величины, пропорциональные ускорению с соответствующими знаками.

Рис. 2. К анализу механической устойчивости двигателя последовательного (а), параллельного (б), согласно-смешанного (в) и встречно-смешанного (г)

Устойчивым динамическим равновесием обладают дви­гатели последовательного (а) и согласно-смешанного возбуждения (в), поскольку сила тяги F_Л , падает, а сила сопротивления движению W растет с увеличением скорости v. Так, при случайном увеличении скорости на некоторое значение Δv сила тяги F_Л станет меньше силы сопротивления W. Ускорение становится отрицательным, это приведет к тому, что скорость поезда будет уменьшаться, пока не достигнет прежней скорости v'. Двигатель параллельного возбужде­ния (б) устойчив только при небольших нагрузках (точка О). При больших нагрузках (точка О'), чему соответствует большее сопротивление движению W, двигатель параллельного возбуждения становится механически неустойчивым, так как при случайном увели­чении скорости сила тяги F_Л становится больше силы сопротивления W.

Двигатель встречно-смешанного возбуждения с пре­обладающей параллельной обмоткой (г) механически неустойчив, поэтому он не применяется в электрической тяге.