Расчет электромеханических характеристик

Электро­механические характеристики двигателя постоянного тока на ободе движущего колеса v(I), F_3M(I), F(I) и η (I) рас­считывают по выражениям:

;

;

;

.

Для того чтобы построить характеристики v(I) и F_ЭM(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_ЭM - Δ F, необходимо найти Δ F по сумме магнитных и механических потерь в двигателе и передаче.

Механические потери Δ Р_М в двигателе прямо пропор­циональны частоте вращения. Магнитные потери Δ Р_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 (Δ Р_М + Δ Р_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 (Δ Р_М + Δ Р_С) = f(n) при различных значениях магнитодвижущей силы для трамвайного двигателя ДК-254Б. При этом кривая (Δ Р_М + Δ Р_С) = f(n) при I_В = 0 соответствует одним лишь механическим поте­рям Δ Р_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 Δ Р_С.

 

 

 

Рис.1. Зависимости магнитного потока от магнитодвижущей си­лы F_m возбуждения, 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_ЭM(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_ЭM(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 Δ F, 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 при D_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_ЭM(I) изображается прямой линией, проходящей через начало координат, так как магнитный поток практически постоя­нен. Сила тяги F отличается от электромагнитной силы на значение потерь Δ F 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_ЭМ уменьшается и при токе рекуперации Iо падает до нуля, так как намагничивающая сила становится равной нулю.

Сила тяги F меньше электромагнитной силы на значе­ние потерь Δ F. 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)

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Diana 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
2. DSM-IV-TR: Основные характеристики.
3. I Общая характеристика загрязнений естественного и антропогенного происхождения
4. II. Характеристики суицидальной идеаторной активности
5. U-образные характеристики синхронного генератора
6. U–образные и рабочие характеристики синхронного двигателя
7. А 5. Клиническая характеристика ХОБЛ при среднетяжелом и тяжелом
8. Административные запреты и ограничения в структуре правового статуса государственных гражданских служащих в Российской Федерации: понятие и содержательная характеристика.
9. Активный транспорт ксенобиотиков через биологические мембраны: опре-деление и характеристика основных механизмов.
10. Алкалоиды, общая характеристика
11. Анализаторы. Общая характеристика
12. Аналитический метод расчета рабочих характеристик асинхронных двигателей