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
Iв ≡Iд 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 возбужденияα1>α2>α3 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