Рабочие характеристики двигателей

Рабочие характеристики двигателей делятся:

· на электромеханические;

· электротяговые;

· тяговые;

· характеристики мощности.

Электромеханические характеристики – зависимость частоты вращения n, вращающего момента M и коэффициента полезного действия от тока .

Электротяговые характеристики – это зависимости скорости движения локомотива V, касательной силы тяги F и кпд на ободе движущих колес от тока .

Тяговой характеристикой называют зависимость силы тяги двигателя (или локомотива) от скорости движения локомотива.

Характеристикой мощности называют зависимости мощности от скорости движения локомотива.

Электромеханические характеристики

Частота вращения двигателя определяется по формуле

,

где – сопротивление цепи тока тягового двигателя.

Электромагнитный вращающий момент может быть получен из уравнения электромагнитной мощности

или ;

.

Часть момента тратится на преодоление внутренних сил сопротивления

,

где – механические потери; – потери на перемагничивание в стали; – потери на вентиляцию.

Вращающий момент на валу двигателя

.

Электротяговые характеристики

Скоростная характеристика получается из зависимости путем несложных пересчетов

,

где .

Касательная сила тяги на ободе колеса

,

где – КПД зубчатой передачи; – диаметр бандажа колеса.

4.4. Коэффициент полезного действия и потери
в двигателе

Потери в тяговых двигателях (как и вообще в электрических машинах) складываются из электрических магнитных добавочных и механических потерь

.

Естественно, что для расчета этих потерь необходимо определить все составляющие приведенной формулы.

Электрические потери

,

где – сопротивление всех обмоток двигателя; – падение напряжения в щёточных контактах (обычно 2…3 В).

Магнитные потери возникают при перемагничивании сердечника якоря. Их определяют по удельным потерям в зубцах и теле якоря:

,

где – коэффициент магнитных потерь в стали якоря.

Это эмпирический коэффициент, учитывающий увеличение потерь в стали из-за неидеальности шихтовки, наклепа при штамповке и добавочных потерь холостого хода

,

где – удельные потери в электротехнической стали при индукции 1,5 Т_Л и частоте 50 Гц (Вт/кг); – масса стали ярма якоря; – масса стали зубцового слоя якоря; – удельные магнитные потери в ярме якоря; – удельные магнитные потери в зубцовом слое якоря.

Масса ярма (или тела) якоря определяется по формуле

,

где – высота паза якоря; – диаметр отверстия под втулку, на которую набирается сердечник якоря, м; – количество вентиляционных каналов; – диаметр вентиляционных каналов, м.; – коэффициент заполнения пакета якоря сталью; – длина якоря; = 7850 кг/м³ – плотность.

Аналогично определяется масса зубцового слоя

,

где Z – число зубцов якоря; – ширина паза якоря, м.

Удельные потери в ярме якоря могут быть определены по формуле

и в зубцах

,

где – частота перемагничивания якоря,

;

где р – число пар полюсов; n – частота вращения.

Механические потери в двигателе зависят от следующих факторов:

· потерь на трение в якорных подшипниках;

· потерь на трение щеток о коллектор;

· потерь на трение о воздух и вентиляцию при самовентиляции.

Потери на трение в якорных подшипниках качения составляют примерно 0,2 % от часовой мощности тягового двигателя

, КВт.

Вторые из перечисленных потери зависят от силы трения щеток о коллектор, а так же от скорости вращения и могут быть определены

,

где – коэффициент трения щеток о коллектор; – общая площадь щеток; – давление щеток на коллектор.

Тогда потери могут быть определены, как

,

где – линейная скорость коллектора.

Это потери при часовом режиме.

В случае изменения режима, а так же при построении характеристик кпд, потери в подшипниках и от трения щеток о коллектор будут определятся, по формуле

,

где n, – частоты вращения в заданном и часовом режимах.

В случае самовентиляции возникают дополнительные потери, вызванные сопротивлением воздуха

,

где Q – расход воздуха м³/с; Н – напор кг·с/м²; – кпд вентилятора.

К добавочным потерям обычно относят потери, связанные с вихревыми токами в меди обмотки якоря. Вызваны они, как правило, искажением магнитного поля реакции якоря.

Есть несколько способов определения добавочных потерь. Самый простой из них, это определение потерь в процентном отношении от магнитных потерь по диаграмме (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Зависимость отношения добавочных потерь от магнитных

Таким образом, имея потери в двигателе, можно определить, кпд отнесенный к валу двигателя как

.

Если машина в генераторном режиме,

,

кпд отнесенный к ободам движущей колесной пары

,

где – кпд зубчатой передачи. Обычно определяется по диаграмме в функции от мощности.

Таким образом определяются зависимости, описывающие электромеханические и электротяговые характеристики. Вид этих характеристик приведен на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Общий вид электромеханических и электротяговых характеристик электродвигателя

Осталось определить тяговую характеристику, т. е. зависимость

При заданной скорости движения силу тяги можно определить, используя уравнения мощности, реализуемой на ободе колеса

,

так как то,

.

5. Принципы регулирования режимов работы
тяговых двигателей

В условиях эксплуатации необходимо непрерывно менять режимы работы двигателя, поддерживая ток и силу тяги в допустимых или в необходимых пределах. Это же можно сказать и о скорости.

Для того чтобы было наглядно видно, какие из параметров тягового двигателя можно регулировать, запишем ещё раз формулу для расчета скорости

.

Из этого уравнения видно, что регулировать скорость можно изменением напряжения на коллекторе, изменением тока и магнитного потока.

Допустим, что формула записана для одного значения скорости и напряжения тогда если напряжение стало , то характеристику скоростную можно пересчитать по формуле

.

На электровозах переменного тока применяют либо ступенчатое регулирование напряжения за счет секционирования обмотки трансформатора (ВЛ80к), либо плавное регулирование – с использованием тиристорных регуляторов (ВЛ80р, ВЛ85).

На электровозах постоянного тока обычно используют два способа регулирования напряжения: это переключение числа последовательно включенных двигателей, т. е. изменение так называемой группировки двигателей (С, СП, П), либо включение в цепь двигателей пусковых реостатов и за счет падения напряжения на них, снижение напряжения на тяговых двигателях.

При этом напряжение на двигателе можно определить как

,

где – напряжение контактной сети; – число последовательно включенных двигателей в сети; m – число параллельных двигателей; – сопротивление пускового реостата.

Тогда скорость при включении сопротивления будет определяться, как

.

Как уже отмечалось, можно регулировать скорость и с помощью изменения магнитного потока, достигается это несколькими способами:

1) секционированием катушек главных полюсов;

2) изменением тока возбуждения (при независимом возбуждении);

3) шунтированием обмотки возбуждения резистором.

Первый способ очень дорог и не удобен, так как для его реализации требуется усложнение конструкции машины. Второй способ не может быть реализован у двигателей последовательного возбуждения.

Третий способ самый распространенный. Обмотка возбуждения шунтируется резистором и индуктивным шунтом, включенным с ним последовательно. Шунт ставят для защиты двигателей от резких бросков напряжения. Его наличие позволяет относительно плавно изменяться току в двигателе при бросках напряжения.

Степень регулирования оценивается коэффициентом возбуждения :

,

где – ток в обмотке при ослабленном и полном возбуждении.

Для получения скоростных характеристик при ослабленном возбуждении обычно используют метод, основанный на примерном равенстве магнитных потоков при одинаковой скорости движения в случае полного и ослабленного возбуждения (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Скоростные характеристики при ослаблении поля

Получение зависимости силы тяги от тока при ослабленном возбуждении (рис. 5.2) основано на том, что при токах и магнитные потоки приблизительно равны

.

Степень ослабления поля зависит от допустимого межламельного напряжения. У машин с компенсационной обмоткой .

Рис. 5.2. Электротяговые характеристики при ослаблении поля

Регулировочные свойства машины принято оценивать коэффициентом регулируемости

,

где = 1,6…2 – коэффициент насыщения.

6. Коммутация тяговых двигателей
постоянного тока