Коммутацией называется процесс изменения направления тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую

Иметь высокую прочность;

Обеспечивать изменение частоты вращения в широких пределах;

Иметь большую мощность при малых габаритах;

Тяговые электродвигатели в режиме тяги служат для преобразования электрической энергии в механическую энергию, т.е. для образования силы тяги электровоза. В режиме рекуперативного (электрического) торможения - для превращения кинетической энергии поезда в электрическую энергию.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ.

КОНСПЕКТ

ТЕМА: электрические машины электровозов постоянного тока.

1.1. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ.

Тяговые электродвигатели (ТЭД) работают в более тяжелых условиях, чем стационарные электродвигатели, так как подвержены воздействию внешней среды (пыли, влаги, снега, колебаниям температуры внешней среды), вибрации от воздействия пути на электровоз, изменению нагрузки в широких пределах и колебаниям напряжения в контактной сети. Поэтому к ТЭД предъявляется ряд особых требований.

Они должны:

2. обладать высокой перегрузочной способностью и выдерживать час­тые пуски;

4. иметь хорошую коммутацию при динамических воздействиях на него колесной пары, колебаний напряжения в контактной сети и запылен­ности внешней среды остова;

6. устойчиво работать как в режиме двигателя, так и в режиме генера­тора.

Максимальная скорость электровозов ВЛ-10 в/и ограничена 100 км/час по прочности ТЭД.

На ВЛ-10 в/и установлены ТЭД ТЛ-2К1 с независимой системой вентиляции.

1.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

Проводник с током в магнитном поле постоянного магнита. На проводник с током, помещенный в магнитное поле постоянного магнита, действует электромагнитная сила. Эта сила стремится вытолкнуть его за пределы поля, перемещая проводник перпендикулярно магнитным силовым линиям поля. Направление этой силы определяется правилом левой руки: ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные силовые линии поля входили в нее, четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока, расположенный под прямым углом большой палец укажет направление электромагнитной силы F (рис.1.1, а)

Электромагнитные силы образуются в результате взаимодействия магнитного поля проводника с внешним магнитным полем (РИС.1.1, б). С правой стороны магнитные силовые линии обоих полей направлены согласованно, а с левой стороны - направлены навстречу друг другу. Поэтому внешнее магнитное поле с правой стороны усиленное, а с левой стороны наоборот - поле ослабленное. Под действием усиленного магнитного поля проводник выталкивается в сторону ослабленного магнитного поля с силой F. Эта сила пропорциональна силе тока, индукции магнитного поля и длине проводника.

Виток с током в магнитном поле постоянного магнита.

На каждую сторону проводника, изогнутого в виде витка, помещённого в магнитное поле постоянного магнита вертикально, также действуют электромагнитные силы F. Их направление также определяется по правилу левой руки (рис.1,в). Эти две силы F образуют пару сил, под действием которой образуется электромагнитный момент М.

а) в)

б)

Рис. 1. Проводник с током в магнитном поле постоянного магнита (а), образование электромагнитной силы (б), поле постоянного магнита (в).

Он вызывает поворот витка, в данном примере по часовой стрелке и выражается формулой М = F * Д, где: Д – расстояние между витками или плечо этих сил. Виток будет поворачиваться до тех пор, пока он пересекает магнитные силовые линии поля, т.е. пока он не займет положение, перпендикулярное магнитным силовым линиям поля. Дальнейший его поворот прекратится, так как вращающий момент М будет равен нулю.

Вывод: один виток с током. помещенный в магнитное поле постоянного магнита. не будет вращаться постоянно.

Электродвигатель. Для того чтобы вращающий момент был постоянным, необходимо между постоянными магнитами расположить несколько таких витков. В то время, как один виток расположен перпендикулярно магнитным силовым линиям и его М = 0, другой – в это же время пересекает магнитные силовые линии поля и создает вращающий момент. Затем этот момент будет создавать следующий виток и т.д. Такое конструктивное решение и используется в электродвигателе для создания постоянного вращающего момента.

Основные элементы электродвигателя.

Для крепления всех деталей применяют остов (рис.1.2), который является одновременно и магнитопроводом.

Вместо постоянных магнитов применяют электромагниты, называемые главными полюсами. Они состоят из сердечников, изготовленных из листов электротехнической стали, и катушки. Главные полюсы создают основной магнитный поток (магнитный поток возбуждения) двигателя. Катушки полюсов соединяются между собой последовательно и образуют обмотку главных полюсов, или обмотку возбуждения.

Секции (витки), образующие обмотку якоря; комплектуют в катушки и закрепляют в круглом сердечнике. Сердечник изготавливают из листов электротехнической стали. Его напрессовывают на вал вместе с подшипниками, которые закрепляются в подшипниковых щитах остова. Обмотка и сердечник вместе составляют якорь и называются, соответственно, обмотка якоря и сердечник якоря.

Для подвода тока к обмотке якоря применяют щёточный аппарат и коллектор, в пластины которого впаивают секции обмотки якоря.

В тяговом электродвигателе обмотка возбуждения и обмотка якоря соединяются между собой последовательно и подключаются к контактной сети. Так как на каждую сторону секций обмотки якоря действуют электромагнитные силы F, в результате взаимодействия этих сил, как рассматривалось выше, и образуется непрерывный вращающий момент М. (рис.1.З, а). Этот момент вращает якорь с некоторой частотой n.

Поскольку электромагнитные силы образуются в результате взаимодействия магнитного поля проводника с внешним полем, то образование вращающего момента электродвигателя можно сформулировать так: «Вращающий момент электродвигателя образуется в результате взаимодействия магнитного поля якоря с магнитным полем главных полюсов».

При вращении секций обмотки якоря в магнитном поле главных полюсов в них индуцируется э.д.с. (электродвижущая сила). Её направление определяется Правилом правой руки (рис.1.З, б): если ла­донь правой руки расположить так, чтобы магнитные силовые линии

а) б) в)

Рис. 1.3. Электрическая схема электродвигателя (а), образование Э.Д.с. (б), правила левой и правой руки (в).

поля входили в ладонь, отогнутый большой палец совместить с направлением движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной э.д.с. Из рис.1.3, б видно, что направление э.д.с. противоположно току, протекающему по секции, а значит, и приложенному к якорю напряжению. Поэтому, чтобы якорь не прекратил вращение, приложенное к нему напряжение должно быть больше суммарной э.д.с. всех его секций. Так как эта э.д.с. направлена против тока, протекающего по секциям обмотки якоря, её называют противоэ.д.с., а поскольку она индуцируется при вращении якоря, её называют ещё и э.д.с. вращения.

Таким образом, при работе электромашины в режиме электродвигателя:

· электромагнитный момент М и частота вращения n совпадают по направлению, что характеризует отдачу машиной механической энергии;

· в проводниках обмотки якоря возникает э.д.с., направленная против тока и внешнего напряжения, что вызывает необходимость потребления машиной электрической энергии.

1.3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

Вращающий момент. Вращающий момент, образующийся на валу якоря, складывается из вращающих моментов, действующих на каждый виток обмотки якоря. Его величина зависит от силы тока, протекающего по обмотке якоря, и величины магнитного потока главных полюсов:

Где С_м – постоянный коэффициент электрической машины, зависящий от её конструкции, числа витков обмотки якоря, длины якоря, диаметра коллектора, числа полюсов, размера Т.д.;

I – сила тока в обмотке якоря;

Ф - величина магнитного потока.

Напряжение на зажимах. Напряжение на зажимах равно сумме противо-э.д.с. и падению напряжения на обмотках двигателя:

где U_д - напряжение на зажимах;

Iд - сила тока двигателя;

Σr_д - сумма сопротивлений обмоток двигателя.

Противоэлектродвижущая сила или противо-э.д.с. Противо-э.д.с., как указывал ось выше, индуцируется в проводниках обмотки якоря при пересечении ими магнитных силовых линий магнитного потока главных полюсов при вращении якоря.

Называется она так, потому что направлена против напряжения, приложенного к двигателю. Её величина зависит от величины магнитного потока и частоты вращения якоря:

где С_Е – постоянный коэффициент противо-э.д.с.;

Ф – величина магнитного потока;

n – частота вращения якоря.

Закон Ома:

-при пуске тягового двигателя электродвигателя: до начала вращения якоря;

- при пуске тягового электродвигателя: якорь начал вращаться, появилась противо-э.д.с.;

- пуск закончен, пусковой резистор выведен;

Где U_д – напряжение на коллекторе;

Σr_д – сумма сопротивлений обмоток тягового двигателя;

Е – противо-э.д.с.;

R_n – величина сопротивления пускового резистора.

Частота вращения якоря. Частота вращения (n) якоря из закона Ома:

отсюда:

Мощность, к.п.д. и нагревание. Мощность тяговых электродвигателей выражается формулой:

Мощность тягового электродвигателя расходуется на преобразование электроэнергии, потребляемой тяговыми электродвигателями из контактной сети, в механическую энергию. Это преобразование сопровождается рядом потерь:

● rРэл. – электрические потери, возникающие из-за нагрева меди проводников обмоток электродвигателя;

● rРмаг. – магнитные потери от перемагничивания магнитной системы сердечников полюсов и якоря, а также от вихревый токов;

· rРщ. – переходные потери в щёточном аппарате, т.е. падение напряжения на щётках (два вольта для щёток с шунтами);.

· rРмех. – механические потери от трения в подшипниках, щёток о коллектор, якоря о воздух.

Размер потерь характеризуется отдачей или к.п.д.:

где Р_отд. – отдаваемая мощность с учетом всех потерь;

Р_пот. - потребляемая мощность.

Мощность подразделяется на максимальную, часовую и длительную.

Максимальная мощность. Максимальной мощностью называют мощность, которую может развивать двигатель в течение короткого промежутка времени без появления кругового огня и механических повреждений.

Часовая мощность. Часовой мощностью называют мощность при часовом токе и номинальном напряжении на коллекторе(1500 В); составляет для тягового электродвигателя ТЛ-2К1 670 кВт.

Длительная мощность. Длительной мощностью называют мощность при длительном токе и номинальном напряжении на коллекторе (1500 В); составляет для тягового электродвигателя ТЛ-2К1 575 кВт.

Увеличение часовой и длительной мощности тяговых электродвигателей достигается увеличением, соответственно, часового и длительного тока. Для их увеличения снижают температуру нагрева обмоток тягового электродвигателя принудительным их охлаждением от мотор-вентиляторов.

Часовой ток. Часовым током называют ток, который, протекая по обмоткам тягового электродвигателя в течение одного часа, нагревает их от холодного состояния до предельно-допустимой температуры для данного класса изоляции. Для тягового электродвигателя ТЛ-2К1 он равен 480 А.

Длительный ток. Длительным током называют ток, который, протекая по обмоткам тягового электродвигателя длительно (не менее 8 часов), нагревает их от холодного состояния до предельно-допустимой температуры для данного класса изоляции и не превысит её при любой продолжительности прохождения этого тока. Для тягового электродвигателя он равен 410 А.

Реверсирование тяговых электродвигателей. Реверсирование тяговых двигателей применяется для изменения направления движения электровоза. Оно выполняется изменением направления тока в обмотках возбуждения или в обмотках якорей (рис.1.4). На электровозах последних серий - изменением направления тока в обмотках якорей. Для изменения направления тока реверсивно-селективная рукоятка контроллера машиниста переводится из положения «Вперед» в положение «Назад». При этом получает питание катушка соответствующего вентиля реверсора ПкР и его кулачковые элементы производят переключения в цепи обмоток якорей.

Рис 1.4. Схема реверсирования тяговых электродвигателей: изменение направления тока в обмотках якорей для движения электровоза Вперёд (а); изменение направления тока в обмотках якорей для движения электровоза Назад (б).

Ослабление возбуждения тяговых электродвигателей. Ослабление возбуждения тяговых электродвигателей применяется для увеличения скорости движения электровоза и выполняется путем перевода тормозной рукоятки контроллера машиниста на позиции ОП1, ОП2, ОП3 или ОП4. При этом параллельно двум обмоткам возбуждения тяговых двигателей подключается резистор ослабления возбуждения ROB (рис.1.5), имеющий четыре секции: 1-2,2-3,3-4,4-5. Ток, пройдя по обмоткам якоря, протекает по обмоткам возбуждения и параллельно через соответствующую секцию резистора R_ОВ, подключенную контакторами К1 на ОП1, К1 и К2 на ОП2, К1 и К3 на ОП3 и К1 и К4 на ОП4. Степень ослабления возбуждения на позиции ОП1 =75%, на ОП2 = 55%, на ОП3 = 43% и на ОП4 = 36%, Т.е. на каждой из пози­ций ОП по обмоткам возбуждения протекает ток, равный части тока якоря в процентном отношении указанном выше. Остальная же часть тока якоря протекает по резистору ослабления возбуждения.

Рис 1.5. Схема ослабления возбуждения тяговых электродвигателей.

Свойство обратимости тяговых электродвигателей. Свойство обратимости заключаются в том, что если якорь любого электродвигателя под воздействием внешних, механических сил привести во вращение и сохранить магнитное поле главных полюсов, то в его проводниках, пересекающих магнитное поле главных полюсов, индуцируется э.д.с. При замыкании якоря на внешнюю цепь ней потечёт ток. Это свойство электродвигателя называется обратимостью электрической машины, т. е. он может работать, как в режиме электродвигателя, так и в режиме генератора, превращая механическую энергию в энергию электрическую. Свойство обратимости тягового электродвигателя используется при электрическом торможении электровоза.

1.4. ПОНЯТИЕ О КОММУТАЦИИ.

Коммутация необходима для сохранения постоянным направления тока в секциях обмотки якоря при переходе их из зоны действия одного полюса в зону действия другого полюса. Это, в свою очередь, сохраняет постоянным направление электромагнитных сил, создающих вращающий момент.

Процесс коммутации разделяется на три стадии (РИС.1.6):

1 – со щёткой соприкасается первая коллекторная пластина коллектора. Первая половина тока 2Iя обмотки якоря величиной Iя протекает по коммутируемой секции (проводники 1-4) и проводнику 3 в правую параллельную ветвь обмотки якоря, а вторая половина этого тока – по проводнику 2 в левую параллельную ветвь, Т.е. коммутируемая секция находится в правой параллельной ветви этой обмотки.

2 – со щёткой соприкасаются 1 и 2 коллекторные пластины коллектора. Половина тока обмотки якоря величиной Iя протекает по проводникам обмотки якоря 2 и З, соответственно, в левую и в правую ветвь обмотки. По коммутируемой секции, в идеальном случае, ток не проходит.

3 – со щёткой соприкасается только 2 коллекторная пластина коллектора. Теперь половина тока обмотки якоря величиной Iя протекает по коммутируемой секции (проводники 4-1) и по проводнику 2 в левую параллельную ветвь обмотки якоря, т.е. коммутируемая секция перешла из правой параллельной ветви обмотки якоря в левую и в ней, как видно из рисунка 1.6, направление тока изменилось на противоположное.

Характерной является вторая стадия. Процесс коммутации начинается в момент соприкосновения со щёткой первой коллекторной пластины и заканчивается в момент схода с неё второй коллекторной пластины в течение времени Тк = 0,001 - 0,0001 сек. За это время на этой стадии коммутации происходит следующее:.

· в коммутируемой секции в момент закорачивания её щёткой ток спадает до нуля, а затем в конце этой стадии, Т.е. в момент схода щётки с первой пластины изменяет свое направление на противоположное. Поэтому в ней, из-за изменения направления тока, индуцируется Э.Д.с. самоиндукции. Кроме того, щётка соединяет более двух пластин и в коммутации участвует несколько секций. Изменение направления тока в них, а значит и магнитного потока, приводит к появлению в этих секциях э.д.с. взаимоиндукции. Сумма этих двух Э.Д.с. и составляет реактивную э.д.с. е_р, которая наводит в коммутируемой секции добавочный ток коммутации I_к. Величина этого тока выражается формулой:

где е_р – реактивная э.д.с.; r_к – сопротивление коммутируемой секции.

Рис. 1.6. Три стадии коммутации.

· величина тока коммутации I_к большая. Во-первых, из-за того, что незначительно сопротивление коммутируемой секции. Во-вторых из-за того, что её составляющие э.д.с. самоиндукции и э.д.с. взаимоиндукции большие по величине: незначительно время коммутации, поэтому большая скорость изменения направления, а значит и большая величина этих составляющих и реактивной э.д.с;

· направление тока коммутации I_K такое же, как и в начале коммутации, так как реактивная э.д.с. препятствует изменению направления тока,т.е. поддерживает прежнее направление тока;

Исходя из того, что между коллекторными пластинами и краями щетки проходят два различных тока, и учитывая направление тока коммутации, можно сделать вывод:

величина тока между щёткой (сбегающий её край) и 1-ой коллекторной пластиной будет равна: I₁ = Iя+Iк (плотность тока повышенная);

- величина тока между щёткой (набегающий её край) и 2-ой коллекторной пластиной будет равна: I₂ = Iя- I_K (плотность тока пониженная).

При сходе со щётки первой коллекторной пластины между её сбегающим краем и пластиной, из-за повышенной плотности тока, возникает искрение. При соответствующих условиях оно может превратиться в дуговой разряд, а затем и в круговой огонь.

1.5. КЛАССЫ КОММУТАЦИИ.

1-искрение отсутствует. Тёмная коммутация.

1 - слабое точечное искрение под небольшим краем щётки.

- слабое точечное искрение под большим краем щётки.

2 – искрение под всем краем щётки.

3 – искрение под всем краем щётки и наличие крупных вылетающих искр.

Классы 2 и 3 не допустимы.

1.6. ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ КОММУТАЦИИ.

Существуют два пути улучшения коммутации. Первый путь это уменьшение величины тока коммутации, а второй - компенсирование реактивной э.д.с. в коммутируемой секции.

Уменьшение тока коммутации выполняется следующим образом:

· увеличением сопротивления коммутируемой секции: применение графитированных щёток с повышенным внутренним сопротивлением, применение разрезных щёток, наличие политуры на рабочей поверхности коллектора;

· уменьшением реактивной Э.Д.с. путём уменьшения индуктивности обмотки якоря: неглубокие пазы в сердечнике якоря для катушек его обмотки (4,5 - 5 см), применение одновитковых секций, уменьшение длины секций, укорачивание шагов обмотки якоря, выравнивание индуктивности катушки обмотки якоря путём укладки одной её стороны на дно одного паза сердечника, а другой стороны - сверху другого паза, уменьшение толщины щётки (уменьшается э.д.с. взаимоиндукции).

Дата добавления: 2017-01-14