Анализ электромеханических характеристик.

Постановка вопроса.

Прежде чем проводить эксперимент, целесообразно сделать следующее:

- теоретически определить вид электромеханических характеристик

ηд = f(Iд);Мд = f(Iд); nд = f(Iд) и построить их качественные зависимости;

- проанализировать тенденцию изменения частоты вращения nд, момента Мд и КПД ηд от величины тока нагрузки Iд, а также от подведенного напряжения Uд и коэффициента ослабления тока возбуждения α1= Iв/Iд; α1= 1; α2 < α1; α min< α3< α2.

- определить рациональный диапазон изменения тока нагрузки Iд.

Рассмотрим отдельно каждую из характеристик.

Характеристика nд = f(Iд).

Данная электромеханическая характеристика называется также скоростной характеристикой.

В общем случае частота вращения якоря ТЭД постоянного тока nд


изменяется путем регулирования напряжения подводимого к ТЭД Uд магнитного потока полюсов Ф и падением напряжения цепи якоря

(Rд+Rп) - сопротивление пусковых резисторов.

 

Рис.3 Электромеханическая (скоростная) характеристика

ТЭД nд = f(Iд).

 

На тепловозах применяются только первые два способа. Третий способ связан с большими потерями энергии, применяется на электроподвижном составе и ниже не рассматривается.

В ТЭД с последовательным возбуждением ток возбуждения Iв=αIд.При малых и средних нагрузках магнитную цепь двигателя можно считать ненасыщенной, в этом случае

Ф=kIв=kαIд ,

где k-коэффициент пропорциональности

и следовательно,

 

Где Се’= Сеk- новый коэффициент.

Из (1) видно, что скоростная характеристика имеет гиперболический характер. Характеристики такого вида называются мягкими.

По мере увеличения тока Iд двигатель насыщается сильнее, и характеристика становится более полной постепенно переходя в прямую линию.

С увеличением напряжения Uд частота вращения n возрастает. Чем больше величина напряжения Uд=const, тем скоростная характеристика n=f(Iд) располагается выше (рис. 3.).

Влияние коэффициента ослабления тока возбуждения α. С уменьшением тока возбуждения (магнитного потока) частота вращения возрастает. Чем меньше коэффициент ослабления тока возбуждения α, тем скоростная характеристика n=f(Iд) располагается выше,

P.S. При изменении подведенного напряжения по закону и поддержание мощности на зажимах ТГ (Pг=const) при α1= 1; α2 < α1; α min< α3< α2 скоростные характеристики носят аналогичный характер.

Из формулы и характеристик (рис.3.) видно, что двигатель последовательного возбуждения нельзя пускать в режимах близких к холостому ходу (без нагрузки на валу), так как при этом частота вращения якоря резко возрастает и возможны механические разрушения ТЭД (разрыв бандажей, порча обмотки якоря и т.д.).

Такие режимы могут возникнуть при работе ТЭД на испытательном стенде учебной лаборатории, локомотивном депо и т.д.

Характеристика Мд = f(Iд).

Такая электромеханическая характеристика называется также моментной характеристикой.

Анализ моментной характеристики проведен на основе формулы электромагнитного вращающего момента

М =СмФIд,

где - постоянная двигателя (обозначения приведены выше).

Также как и ранее принимаем допущение, что магнитная система ТЭД не насыщается Ф=kIв=kαIд,

Где Cм’= Cм’k -коэффициент.

Момент двигателя с последовательным возбуждением зависит от квадрата тока якоря (это обстоятельство важно при трогании тепловоза с места, когда ТЭД должен развивать большой вращающий момент).

Анализ моментной характеристики показал, что при небольших токах нагрузки, когда электромагнитная система ненасыщенна, характеристика имеет вид параболы. С увеличением тока нагрузки Iд магнитная цепь двигателя насыщается и пропорциональность между потоком Ф и током

IвIд нарушается.

Характеристика при этом отклоняется от параболы, возрастает все медленнее в области больших нагрузок (при насыщении) переходит в прямую линию.

 

Рис.4. Механическая характеристика ТЭД с последовательной обмоткой возбуждения

Влияние напряжения Uд. При увеличении подведенного напряжения и при той же токе нагрузки возрастает частота вращения якоря ТЭД . При этом согласно механической характеристики ТЭД с последовательным возбуждением (рис. 4), момент двигателя уменьшается по гиперболическому закону. Таким образом, чем больше подведенное напряжение Uд, тем моментная характеристика располагается ниже (рис.5).

Рис.5. Электромеханическая (моментная) характеристика ТЭД Мд = f(Iд).


Влияние коэффициента ослабления тока возбуждения α.

Чем меньше ток возбуждения, тем момент при том же токе якоря Iд становится меньше. С уменьшением коэффициента ослабления тока возбужденияα123 моментная характеристика располагается ниже (рис. 5)

P.S. При тепловозном режиме работы моментные характеристики изменяются аналогично.

Характеристика . Коэффициент полезного действия

представляет собой отношение полезной мощности (для двигателя -

это мощность, развиваемая на валу) к подведенной

где - суммарная мощность потерь.

Потери мощности снижают КПД, вызывают нагрев и ухудшают эксплуатационные свойства. Они бывают следующих видов: магнитные (в

стали) , механические , электрические и добавочные

Потери - называются основными. С изменением

нагрузки двигателя изменяются все виды его потерь. Магнитные потери (потери в стали), складываются из потерь на вихревые токи и перемагничивание (гистерезис), возникающие в сердечнике якоря. Они зависят от частоты перемагничивания (частоты вращения якоря), магнитной индукции, толщины листов стали, её магнитных свойств и качества изоляции листов.

Механические потери складываются из потерь на трение в подшипниках, на трение щеток об коллектор, трение вращающихся частей о воздух. Механические потери возрастают с увеличением скорости вращения.

Следует отметить, что сумма магнитных и механических потерь мало изменяется в зависимости от нагрузки. Это объясняется тем, что с

увеличением тока индукции растут, тогда как частота вращения уменьшается. Механические и магнитные потери называют постоянными.

Электрические потери - это потери в обмотках составляющих цепь

якоря и потери в щеточном контакте

,

где падение напряжения в переходном контакте между

щетками и коллектором.


В процессе работы ТЭД нагревается, что влияет на сопротивление его обмоток, поэтому сопротивление приводится к

рабочей температуре , согласно ГОСТ 2582.

где - температурный коэффициент сопротивления

меди;

Т - температура окружающей среды, °С.

Величина энергетических потерь возрастает с увеличением тока нагрузки. Электрические потери это переменные потери.

Добавочные потери складываются из трудно учитываемых потерь: магнитных потерь в полосных наконечниках; потерь в сердечнике якоря, вызванных искажением основного магнитного потока действием реакции якоря; потерь от вихревых токов в меди обмотки якоря и т. п.

Принято считать, что добавочные потери очень малы. Они составляют в номинальном режиме около 0,5% мощности двигателя и изменяются пропорционально квадрату тока нагрузки /4/.

Аналитические зависимости получать сложно. В каждом

случае К.П.Д. двигателя определяется в результате расчетов, проведенных для конкретного ТЭД. Такая методика расчета приведена в /6/.

Ниже представлены рабочие (рис. 6) и универсальные (рис. 7) электромеханические характеристики тягового электродвигателя ЭД118 в

рабочем диапазоне изменения тока нагрузки и напряжения