Неустановившиеся процессы в цепи тяговых двигателей высокоскоростного транспорта

Различают два основных вида переходных процессов:

1) электромеханические;

2) электрические.

Электромеханические процессы связаны с изменением нагрузки на валу тягового двигателя. Они, как правило, протекают при постоянном напряжении. Например, увеличение тяговой силы электровоза при выходе с ровного участка на подъем. Ток в двигателе изменяется, но это постепенные изменения, которые, как правило, не приводят к серьезным последствиям. Значительно сложнее электрические переходные процессы.

Причем электрические переходные процессы так же можно разделить на две группы:

1) эксплуатационные;

2) аварийные.

К эксплуатационным переходным процессам относят: трогание с места и разгон электровоза, переход с одного соединения на другое, изменение степени ослабления поля и т. д. К аварийным – броски напряжения в контактной сети, потерю питания с последующим восстановлением, режимы короткого замыкания, в частности круговой огонь на коллекторе.

Особенно опасны резкие толчки напряжения или отрывы токоприемника от контактного провода. При этом происходят процессы, пояснить которые можно диаграммой (рис. 6.27).

Из диаграмм следует, что при резком изменении напряжения ток падает до нуля, а магнитный поток до остаточного значения .

Мгновенное восстановление напряжения не сопровождается мгновенным возрастанием магнитного потока до . Медленное нарастание магнитного потока обеспечено вихревыми токами. При этом ток двигателя мгновенно, или быстрее, нарастает, чем поток и достигает величины

.

В связи с этим бросок тока сопровождается нарушением коммутационного процесса. Нарушение коммутационного процесса вызвано еще и тем, что вихревые токи препятствуют нарастанию тока в дополнительных полюсах, а значит, нарушается баланс между реактивной и компенсационной эдс.

Итак, мы опять столкнулись с влиянием вихревых токов, только теперь уже при переходных процессах.

6.18. Влияние вихревых потоков в магнитопроводах
на протекание переходных процессов

Существует утверждение, что изменение магнитодвижущей силы постепенно продвигает магнитный поток вглубь сечения магнитопровода (рис 6.28), наводя эдс в условных контурах

.

Под действием этой эдс возникают токи

.

Вихревые токи, как бы образуют экран по внешнему контуру магнитопровода, препятствуя изменению потока по всей его площади (рис. 6.29).

Рис. 6.28. Вихревые токи в магнитопроводе главных полюсов

Рис. 6.29. Проникновение магнитного потока в магнитопровод: – глубина проникновения потока; Ву – индукция в зоне проникновения потока; а – ширина магнитопровода; б – длина магнитопровода в осевом направлении; – средний периметр сечения, занятого магнитным потоком

Средний периметр сечения

,

где – периметр сечения магнитопровода; а – величина; к – коэффициент, зависящий от отношения потока Ф в настоящий момент времени к установившемуся значению потока (рис. 6.30). При этом .

Сопротивление контура вихревого тока

,

где – удельное электрическое сопротивление магнитопровода, Ом∙см;
– длина магнитопровода, см.

Глубина проникновения потока

,

исходя из этого

.

Изменение вихревого тока

.

Это наиболее общая формула, характеризующая изменения вихревых токов в зависимости от остальных показателей.

При расчете конкретных участков магнитной цепи формула несколько модифицируется, в основном за счет добавления коэффициентов. Обозначив, постоянную часть приведенной формулы коэффициентом вихревых токов для данного магнитопровода К_вихр, перейдем к другой форме записи

.

Из формулы видно, что вихревой ток прямо пропорционален изменению магнитного потока и чем больше , тем больше тормозящее действие вихревых токов.

На характер процессов, кроме вихревых токов,оказывают влияние как параметры двигателя, так и параметры внешней схемы. Вначале рассмотрим влияние индуктивности обмоток двигателя на характер переходных процессов. Почему именно индуктивности? Форма тока на активных сопротивлениях по существу не отличается от формы напряжения, а емкостные составляющие у двигателя невелики.

6.19. Влияние индуктивности обмоток тяговых машин
на переходные процессы

Если на время «отбросить» параметры внешней цепи, то с учетом влияния вихревых токов можно записать уравнение для двигательного режима машины

, (3)

где – индуктивность всех обмоток двигателя; – эдс самоиндукции обмотки возбуждения

.

Индуктивность обмотки возбуждения очень велика и составляет примерно

.

Теперь рассмотрим определение каждой составляющей формулы (3). Из уравнения (3) видно, что именно индуктивные составляющие будут влиять на характер протекания процессов в тяговом двигателе.

Полная индуктивность обмотки якоря

состоит из: – индуктивности, обусловленной потоком реакции якоря; – индуктивности, вызываемой местными (в якоре) потоками рассеяния.

Не проводя промежуточных преобразований для равномерного воздушного зазора можно записать

,

где К_в – коэффициент воздушного зазора; К_н – коэффициент для учета насыщенности магнитной цепи (определяется по графикам в зависимости от индукции в зубцовом слое).

Индуктивность обмотки якоря, обусловленная местными потоками

,

где – проводимость рассеяния паза.

Индуктивность компенсационной обмотки определяется аналогично:

,

где – проводимость рассеяния, состоящая из рассеяния в пазах, по сторонам зубцов и в лобовых частях обмотки.

Индуктивность обмотки главных полюсов

,

где i – ток намагничивания

.

Индуктивность обмотки добавочных полюсов

,

где 1,3 – коэффициент, учитывающий распределение потока рассеяния по высоте; – коэффициент рассеяния дополнительного полюса.

Таким образом, определены факторы, влияющие на характер переходных процессов в двигателе.

6.20. Влияние параметров внешних цепей
на переходные процессы

Рассмотрим широко применяемую схему подключения тяговых двигателей на подвижном составе (рис. 6.31).

Назначение всех элементов схемы хорошо известно. Подробная схема (только с одним двигателем) уже рассматривалась. Сложность расчета связана с тем, что полученная схема нелинейна из-за сглаживающего реактора, индуктивного шунта и обмоток двигателя.

Рис. 6.31. Схема подключения тяговых двигателей

Показанная схема, если сделать допущение о симметричности ветвей с тяговыми двигателями может быть описана следующей системой уравнений

,

где – индуктивность обмоток якоря, добавочных полюсов, компенсационной обмотки; – эквивалентное сопротивление якорной цепи;

,

где = 0,07…0,12 Ом – эквивалентное сопротивление трансформатора; rш1, rш2, rв – активные сопротивления шунтирующих цепей и обмотки возбуждения, Ом; С – конструкционная постоянная машины.

По приведенным уравнениям можно сделать следующие замечания. Считается, что индуктивности зависят от токов, но при быстроизменяющихся процессах индуктивное сопротивление не успевает изменяться, поэтому в уравнения можно подставлять значения индуктивного сопротивления, которые были при установившихся значениях тока. Для учета влияния вихревых токов в эти уравнения можно включить и значение тока намагничивания

;

,

тогда

,

где – нагрузочная характеристика.

Полученная система уравнений полностью описывает переходные процессы в цепи тягового двигателя. Решается она на ЭВМ методами интегрирования дифференциальных уравнений.

6.21. Мероприятия, направленные на облегчение
протекания переходных процессов

Расчеты переходных процессов дают возможность выбрать параметры силовой цепи электровоза таким образом, чтобы обеспечить надежную работу двигателя и электровоза в целом.

Поэтому, задаваясь значениями бросков токов, можно оценить максимально допустимые значения индуктивностей шунта и сглаживающего реактора. Это позволяет уменьшить металлоемкость оборудования и одновременно снизить потери.

Важен правильный выбор номинальности коэффициента возбуждения . Этот параметр существенно влияет на переходные процессы, в частности на амплитуду броска тока.

Снижение влияния выхревых токов можно достичь, используя следующие мероприятия:

1) шихтовку элементов магнитной цепи дополнительных полюсов;

2) образование второго зазора под дополнительными полюсами.

Выполняя второй зазор, следует не забывать о том, что это приведет к падению напряженности и необходимо будет увеличивать мдс за счет увеличения числа витков.

7. Нагревание и охлаждение тяговых
электрических машин