Как изменяется скорость дтп при ослаблении возбуждения
Обновлено: 12.05.2024
Глава третья ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ
3.1. Общие сведения
Наиболее широкое применение в электроприводе промышленных установок находят следующие двигатели: асинхронные двигатели, двигатели постоянного тока с независимым, смешанным и последовательным возбуждением, синхронные двигатели, вентильно-индукторные двигатели и линейные. Двигатели постоянного тока используются в электроприводе механизмов, требующих по технологическим условиям регулирования скорости в широком диапазоне. При этом двигатели со смешанным и последовательным возбуждением, как правило, применяются в разомкнутых системах тягового электропривода. Двигатели с независимым возбуждением в настоящее время являются основой замкнутых систем регулируемого электропривода и наиболее широко используются в массовых тиристорных электроприводах постоянного тока. Асинхронные короткозамкнутые и синхронные двигатели имеют основное применение в массовых нерегулируемых электроприводах. Благодаря конструктивной простоте и меньшей металлоемкости подавляющее число нерегулируемых электроприводов малой и средней мощности выполняется на базе асинхронных короткозамкнутых двигателей. В нерегулируемых электроприводах средней и особенно большой мощности применяются синхронные двигатели, которые рассчитываются на работу с опережающим cos и могут служить источником реактивной мощности для питающихся от той же сети асинхронных двигателей и тиристорных электроприводов постоянного тока. Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в электроприводах механизмов, требующих регулирования скорости, либо при необходимости ограничения пусковых токов, потребляемых из сети электроприводом. Проектирование, наладка и эксплуатация электроприводов и схем их электроснабжения требуют глубоких знаний свойств электрических машин с позиций их использования.
Для облегчения понимания и усвоения материала данной темы необходимо повторить ряд основополагающих вопросов из курса электрических машин. К их числу относятся устройство машин постоянного и переменного тока и назначение их основных элементов, статические механические характеристики, понятие реакции якоря и условий коммутации токов на коллекторе машины постоянного тока, представления о магнитном поле машины при холостом ходе и под нагрузкой и об основных его характеристиках. Полезно запомнить ряд основных соотношений, таких, как выражения ЭДС вращения и электромагнитного момента машины, схемы замещения и векторные диаграммы машин переменного тока, частотные характеристики апериодического звена, изученные в курсе теории автоматического управления.
Изучение свойств электромеханических преобразователей осуществляется на основе анализа статических и динамических механических характеристик, определяющих зависимость электромагнитного момента двигателя от напряжения или частоты, скорости ротора и параметров электрических цепей.
3.2. Математическое описание процессов преобразования энергии в двигателе постоянного тока с независимым возбуждением
Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением имеет обмотку якоря и обмотку возбуждения, которые в общем случае получают питание от независимых источников постоянного тока. Необходимым условием непрерывного процесса электромеханического преобразования энергии является протекание переменных токов хотя бы по части обмоток машины. Выполнение этого условия в машине постоянного тока обеспечивается работой коллектора, коммутирующего постоянный ток, поступающий в якорную обмотку со стороны источника питания, с частотой эл, равной электрической скорости ротора. Таким образом, с точки зрения внутренних процессов двигатель постоянного тока является машиной переменного тока и уравнения, описывающие его механическую характеристику, являются частным случаем обобщенного математического описания процессов электромеханического преобразования энергии.
Модели двигателя постоянного тока соответствует включение обмоток двухфазной обобщенной машины по схеме, показанной на рис. 3.1, а. Здесь обмотка статора по оси включена на постоянное напряжение uв, а обмотка по оси пока не используется. Обмотки фаз 2d и 2q ротора питаются переменными токами i2d и i2q от преобразователя частоты ПЧ, осуществляющего коммутацию токов i2d и i2q в функции угла поворота ротора эл, с частотой эл. Если в качестве ПЧ используется механический коммутатор — коллектор машины, то схема на рис. 3.1, а представляет собой модель двигателя постоянного тока. В случае, когда в качестве ПЧ используется вентильный преобразователь частоты, коммутируемый датчиком углового положения ротора ДУ, эта же схема является схемой модели вентильного двигателя. Поэтому анализ электромеханических свойств двигателей постоянного тока в пределах допущений, лежащих в основе общей модели, справедлив и для вентильного двигателя на базе синхронной машины, получающего питание от мощной сети постоянного тока. В рассматриваемой модели МДС статора создается постоянным током возбуждения iв = i1, поэтому она ориентирована по оси и неподвижна в пространстве. Соответственно и МДС ротора при вращении ротора со скоростью должна быть неподвижна относительно статора, а это возможно при условии, что МДС ротора вращается относительно ротора против его вращения со скоростью - . Для выполнения данного условия необходимо, чтобы обмотки фаз ротора обтекались переменными токами i2d и i2q, изменяющимися с частотой эл по закону
Рис. 3.1. Двухфазная модель двигателя постоянного тока
Магнитодвижущая сила ротора в этом случае будет вращаться относительно ротора со скоростью - в соответствии с выбранным чередованием фаз, оставаясь неподвижной относительно статора.
Так как поле неподвижно относительно статора, для получения математического описания динамических процессов преобразования энергии в двигателе постоянного тока целесообразно использовать преобразование , , d, q -> , (к = 0). Осуществим с помощью формул (2.16) преобразование токов i2d и i2q к осям , :
Следовательно, в осях , действительным переменным токам обмотки ротора эквивалентна одна якорная обмотка, обтекаемая постоянным током iя и создающая поле, неподвижное в пространстве и направленное по оси , совпадающей с осью щеток двигателя. В реальной машине по оси щеток направлены также МДС обмоток дополнительных полюсов ДП и компенсационной обмотки КО, с учетом которых схема модели двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в осях , представлена на рис. 3.1,б. Для получения уравнений динамической механической характеристики двигателя постоянного тока можно непосредственно воспользоваться преобразованными уравнениями обобщенной машины в осях , :
(3.1)
В соответствии с рис. 3.1,6 в (3.1) можно принять
Показанные на рис. 3.1,б обмотки машины, расположенные на статоре по оси , непосредственно в процессе электромеханического преобразования энергии не участвуют. Обмотка ДП обтекается током якоря и обеспечивает вблизи оси щеток , т. е. в зоне, где осуществляется коммутация тока в проводниках обмотки якоря, магнитное поле такого направления и значения, при котором процессы коммутации протекают наиболее благоприятно. Компенсационная обмотка КО является распределенной обмоткой, закладываемой в пазы на главных полюсах аналогично якорной обмотке. Вследствие протекания по ней тока якорной цепи она создает МДС, компенсирующую МДС реакции якоря по поперечной оси . В машинах без компенсационной обмотки эта реакция якоря искажает форму поля под главными полюсами и в связи с насыщением магнитопровода создает размагничивающую продольную составляющую. Благодаря действию КО влияние поперечной реакции якоря на поле главных полюсов существенно уменьшается. С учетом сказанного можно выразить потокосцепления обмоток через токи:
(3.2)
Здесь Lв — полная индуктивность обмотки возбуждения, а Lя — суммарная индуктивность рассеяния обмоток ЯО, ДП и КО, так как основная МДС обмотки ЯО по оси компенсируется МДС компенсационной обмотки. Соответственно сопротивление Rя включает в себя все сопротивления обмоток якорной цепи двигателя. С учетом введенных обозначении и (3.2) система уравнений (3.1) запишется в виде
(3.3)
Нетрудно видеть, что первые два уравнения полученной системы представляют собой уравнения Кирхгофа для цепей возбуждения и якоря машины, причем последний член уравнения для цепи якоря есть ЭДС двигателя:
(3.4)
где k = pnN/2а - конструктивный коэффициент; N - число активных проводников; а — число параллельных ветвей якорной обмотки. Момент в (3.3) с учетом (3.4) определяется соотношением
(3.5)
Следовательно, для записи уравнений механической характеристики двигателя постоянного тока можно, как это принято, непосредственно использовать схему его цепей на постоянном токе, приведенную на рис. 3.2. На этой схеме и в дальнейшем изложении вспомогательные обмотки ДП и КО не показываются, а их сопротивления и индуктивности рассеяния учитываются в Rя и Lя. Получение уравнений (3.3) из уравнений обобщенной машины, выполненное здесь, имеет целью показать универсальные возможности методики описания динамических процессов преобразования энергии. С учетом (3.4) и (3.5) систему (3.3) можно представить в виде
(3.6)
Рис. 3.2. Естественная схема включения двигателя с независимым возбуждением
Математическое описание механической характеристики двигателя постоянного тока (3.6) при переменном потоке нелинейно в связи с тем, что ЭДС двигателя е и электромагнитный момент М пропорциональны произведениям потока соответственно на скорость и ток якоря. Во многих случаях двигатель с независимым возбуждением работает при постоянном потоке Ф = const, при этом уравнения механической характеристики линеаризуются и после преобразований математическое описание динамических процессов преобразования энергии в двигателе с независимым возбуждением представляется в виде следующего уравнения механической характеристики:
(3.7)
Подстановка М=kФiя в (3.7) дает уравнение электромеханической характеристики:
(3.8)
Как частный результат полученного математического описания могут быть определены уравнения статических электромеханической и механической характеристик двигателя. При постоянном потоке уравнения этих характеристик с помощью (3.7) и (3.8) при dM/dt = diя/dt = 0 записываются в виде
(3.9)
(3.10)
Рассматривая полученные уравнения, можно заключить, что при Ф = const электромеханическая и механическая характеристики двигателя с независимым возбуждением линейны. Поэтому положение каждой характеристики может быть охарактеризовано двумя точками: точкой идеального холостого хода, в которой Iя=0; М = 0, и точкой короткого замыкания, в которой = 0. В соответствии с (3.9) и (3.10) первой из них соответствует скорость идеального холостого хода:
(3.11)
Второй соответствуют момент Мкз и ток Iкз короткого замыкания. Их можно определить, решив (3.9) и (3.10) относительно тока и момента:
(3.12)
(3.13)
Положим в этих уравнениях = 0, получим
(3.14)
Важным показателем электромеханических свойств двигателя является модуль статической жесткости механической характеристики ст. Зависимость ст от параметров двигателя получим, продифференцировав в соответствии с (2.48) уравнение (3.13) по скорости:
(3.15)
Следовательно, модуль статической жесткости определяется соотношением
(3.16)
С помощью (3.11) и (3.16) уравнение статической механической характеристики двигателя с независимым возбуждением может быть записано в следующих формах:
(3.17)
(3.18)
(3.19)
Уравнение электромеханической характеристики с учетом (3.11) и (3.14) может иметь следующие формы записи:
(3.20)
(3.21)
Тяговые электродвигатели постоянного и пульсирующего тока имеют, как правило, последовательное возбуждение. Управление возбуждением таких двигателей возможно двумя способами: шунтированием обмотки возбуждения резистором rш (рис. 2.21, а) или импульсным регулятором.
Рис. 2.21. Варианты схем ослабления возбуждения: а — шунтирование обмотки возбуждения, б — секционирование обмотки возбуждения
Контактор 1 предусмотрен для того, чтобы при ослабленном возбуждении не образовался короткозамкнутый контур, который будет замедлять изменение магнитного потока и способствовать увеличению бросков тока.
Недостаток такого способа — необходимость одинакового изменения числа витков на каждом из полюсов тягового двигателя. При этом усложняются межкатушечные соединения внутри остова тягового двигателя и практически невозможно реализовать несколько ступеней ослабления возбуждения. Такой способ регулирования возбуждения в настоящее время не применяется.
Современные тяговые электродвигатели с номинальным напряжением 750 В допускают глубокое ослабление возбуждения до 0,2.
Обычно в качестве номинальных принимают данные и характеристики при полном возбуждении. Но для некоторых видов ЭПС, основное время работы которых протекает при ослабленном возбуждении, в качестве номинального принимается режим ослабленного возбуждения. При этом часть пуска происходит при повышенных тепловых нагрузках обмотки возбуждения. Такой режим принято называть усиленным возбуждением. Следует иметь в виду, что форма кривой намагничивания тягового электродвигателя не зависит от тепловой нагрузки обмотки возбуждения и определяется режимом полного возбуждения β = 1.
Характеристики ТЭД при ослабленном возбуждении.
При реостатном пуске и изменении напряжения Uд изменяется только скоростная характеристика двигателя V(I), а характеристика силы тяги F(I) остается без изменения. В отличие от этих способов ослабление возбуждения влияет на обе характеристики:
Причем величина магнитного потока Ф определяется не током якоря I, а током возбуждения
Рис. 2.22. Электромеханические характеристики при ослабленном возбуждении
Ослабление возбуждения ТЭД в этих условиях приведет к снижению скорости электровоза и увеличению потерь в резисторе г.
На рис. 2.22 приведены характеристики силы тяги, а также скоростная и тяговая характеристики при полном и ослабленном возбуждении (ПВ и ОВ).
- При ослабленном возбуждении тягового электродвигателя ординаты характеристики F(7) всегда уменьшаются, а ординаты характеристики V(I) всегда увеличиваются.
- При малом сопротивлении в цепи электродвигателя ординаты тяговой характеристики с ослабленным возбуждением
увеличиваются. При большом сопротивлении в цепи электродвигателя ослабление возбуждения приводит к уменьшению ординат тяговой характеристики.
Во всех случаях имеет место точка пересечения тяговых характеристик при полном и ослабленном поле. Но при малом сопротивлении в цепи тягового двигателя эта точка соответствует току, значительно превышающему максимально допустимый.
- При использовании ослабления возбуждения для повышения скорости поезда целесообразно сперва постепенно снизить до нуля величину сопротивления дополнительного резистора r в цепи якоря и только после этого применять ослабление возбуждения.
4. Ослабление возбуждения можно использовать для ограничения силы тяги на маневровых позициях. При этом на первой маневровой позиции сразу включают последнюю ступень ослабления возбуждения, а на последующих позициях постепенно усиливают возбуждение. Сопротивление пусковых резисторов начинают уменьшать только после перехода на полное возбуждение. Такое решение использовано на электровозах ВЛ10, ВЛ11 и ВЛ15.
Определение ступеней ослабления возбуждения.
Предельное значение коэффициента ослабления возбуждения βмин определяется двумя ограничениями.
- По реактивной ЭДС в коммутируемой секции, которая ограничивает максимальный ток якоря.
- По максимальному межламельному напряжению в зоне наибольшего искажения магнитного поля ТЭД под влиянием реакции якоря.
Величина βмин определяется при проектировании и испытании тяговых электродвигателей. У современных ТЭД при Сдн = 750 В, вмин = 0,2, а при Г = 1500 В, βΜΗΗ = 0,36.
Ступени ослабления возбуждения выбирают из условия, чтобы обеспечить переход с одной ступени на другую при одинаковых колебаниях тока.
Рис. 2.23. К расчету ступеней ослабления возбуждения: а — переход при неизменной скорости; б — учет увеличения скорости при переходе
Обозначение величин в формуле соответствуют рис. 2.21, а.
Для определения магнитного потока Ф по току возбуждения Iв и решения обратной задачи используем зависимости
Рис. 2.24. Диаграмма для выбора ступеней ослабления возбуждения при разной неравномерности пуска
Переходные процессы при регулировании возбуждения тягового двигателя. Электромагнитные процессы в тяговом электродвигателе при шунтировании обмотки возбуждения активным резистором rш и индуктивностью Lm (рис. 2.25, а, б, в), можно описывать следующей системой уравнений:
Рис. 2.25. К расчету переходных процессов при ослабленном возбуждении: а — расчетная схема; б —изменение магнитного потока; в — постоянные времени вихревых токов
Рис. 2.26. Переходные процессы при ослабленном возбуждении
Назначение индуктивного шунта.
Как было показано ранее, основная функция индуктивного шунта (ИШ) состоит в ограничении бросков тока при восстановлении напряжения после его кратковременного снятия. Кажется, что эту задачу можно выполнить и без индуктивного шунта, если в цепь катушки контактора Ш включить блокировку реле напряжения PH (рис. 2.27). При этом снятие напряжения сети будет приводить к автоматическому переходу на полное возбуждение. Однако опыты показали, что подобная схема не может защитить тяговые двигатели от круговых огней. Это указывает, что индуктивный шунт кроме основной выполняет еще следующие дополнительные функции.
Рис. 2.27. Схема отключения шунтирующей цепи при снятии напряжения сети
1. Ограничение бросков тока при колебаниях напряжения контактной сети. При этом ток не падает до нуля, однако индуктивности цепей ТЭД уменьшаются вследствие насыщения магнитной системы и поэтому броски тока не уменьшаются. Вместе с тем в этом режиме схема защиты с PH (см. рис. 2.27) не работает, и индуктивный шунт остается единственным способом ограничения бросков тока.
- Ограничение бросков тока при восстановлении сцепления после разносного боксования. Восстановление сцепления с подачей песка после разносного боксования приводит к резкому возрастанию тока в якоре (рис. 2.28). При отсутствии ИШ ток нарастает в основном в шунтирующей цепи, вследствие чего происходит глубокое ослабление поля и может возникнуть круговой огонь.
- Ускорение размагничивания ТЭД при коротком замыкании на его зажимах. Если Lш=0, то нарастание тока короткого замыкания под действием ЭДС вращения происходит через шунтирующий резистор в обход обмотки возбуждения, имеющей значительную индуктивность (рис. 2.29, а). При этом магнитный поток ТЭД и ЭДС вращения первое время сохраняют свои величины за счет действия вихревых токов. Вследствие этого генераторный ток достигает недопустимо большой величины, вызывающей круговой огонь на коллекторе:
Рис. 2.28. Изменение тока ТЭД при боксовании и подаче песка
Рис. 2.29. Контур тока при коротком замыкании на входе ТЭД: а — при отсутствии ИШ; б — при наличии ИШ
Таким образом, индуктивный шунт кроме своей основной функции выполняет еще ряд дополнительных. Необоснованный отказ от применения индуктивного шунта может привести к возникновению кругового огня на коллекторе ТЭД в ряде особых случаев.
Импульсное регулирование возбуждения применено на электровозах ЧС 2Т, ЧС 200, ЧС 6 и ЧС 7 в режиме реостатного торможения с независимым возбуждением. Источниками питания обмотки возбуждения служат аккумуляторная батарея или падение напряжения на тормозном резисторе, включенные через разделительные диоды Д1—Д3 (рис. 2.30).
При отпирании коммутирующего тиристора Т1 коммутирующий конденсатор С заряжается от напряжения Uo через обмотку возбуждения ОВ (рис. 2.30, а). После окончания заряда конденсатора ток снижается до нуля и тиристор Т1 запирается.
При отпирании главного тиристора Т2 обмотка возбуждения получает питание через диод Д8.
Одновременно начинается колебательный разряд конденсатора С по контуру L1, Д4, Т2 и полярность конденсатора С изменяется (рис. 2.30, б). Это необходимо для того, чтобы при открытии коммутирующего тиристора Т1 образовывался контур С—Т2—Т1 и происходило запирание главного тиристора Т2 (рис. 2.30, в). После этого ток возбуждения продолжает протекать за счет ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения, замыкаясь через диод Д5 (рис. 2.30, г). Напряжение на обмотке возбуждения UOB имеет вид прямоугольных импульсов с амплитудой U0 и длительностью Ти (рис. 2.30, д). Ток возбуждения определяется средним значением напряжения на обмотке возбуждения
где Т — период импульсов управления тиристорами.
Ток возбуждения регулируется изменением промежутка времени Ти между управляющими импульсами, подаваемыми на главный и коммутирующий тиристоры.
На вагонах метрополитена серии 81-717-714 применено импульсное регулирование последовательного возбуждения. Упрощенная схема приведена на рис. 2.31.
Рис. 2.30. Независимое возбуждение ТЭМ от импульсного регулятора напряжения: а — заряд коммутирующего конденсатора; б — питание обмотки возбуждения и перезаряд конденсатора; в — запирание главного тиристора; г — затухание тока в обмотках возбуждения; д — осциллограмма напряжения и тока
Рис. 2.31. Импульсное регулирование возбуждения на вагонах метрополитена серии 81-717-714:
а — заряд коммутирующего конденсатора; б — ослабление возбуждения и перезаряд конденсатора; в — запирание главного тиристора; г — осциллограммы тока возбуждения и напряжений на элементах схемы
где Т — период следования импульсов управления тиристорами; Ти — длительность импульса, т.е. сдвиг по времени между импульсами управления Т5 и Т1.
Импульсное регулирование возбуждения позволяет увеличивать силу тяги и скорость ЭПС без бросков тока при плавном его изменении. Импульсное регулирование возбуждения применено также на электропоезде ЭР200.
Читайте также: