Тяговые электрические двигатели постоянного тока. 
Конструктивное исполнение. 
Электромеханические характеристики

Общеизвестно, что принцип работы любой электрической машины независимо от рода протекающего в ней тока (постоянного или переменного) основан на взаимодействии магнитных полей, создаваемых в неподвижной (статор) и подвижной (ротор или якорь) ее частях. При этом магнитное поле в каждой части электрической машины может создаваться различными способами, например, при помощи:

• • двух комплектов обтекаемых токами обмоток (катушек), уложенных в пазах (либо на полюсах) ротора и статора электрической машины;
• • постоянных магнитов, размещенных либо в статоре, либо в роторе и заменяющих один из комплектов обмоток;
• • магнитных полей, создаваемых протекающими в многофазных обмотках статора (ротора) переменными токами, вследствие чего в обмотках ротора (статора) индуцируются токи, создающие магнитные поля;
• • протекающими в многофазных обмотках статора (ротора) токами переменных магнитных полей, пересекающих ротор (статор) с выполненной конструктивно определенным образом магнитной системой (индукторные машины).

Разнообразие вариантов создания магнитных систем породило и большое разнообразие конструктивного исполнения электрических машин.

Для пояснения принципа работы электрической машины постоянного тока на примере двухполюсной системы воспользуемся рис. 3.2, где изображена структурная схема генератора с независимым возбуждением.

Магнитная система машины имеет явно выраженные северный N и южный S полюсы, заканчивающиеся полюсными наконечниками 2. На полюсах расположены обмотки возбуждения /. Статор машины насчитывает четное количество полюсов, как правило, от двух до шести. Ротор машины 5, называемый в машинах постоянного тока якорем, содержит равномерно распределенные по его боковой поверхности продольные пазы, в которые уложена обмотка 4. Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной. При вращении якоря (связанного посредством механической передачи с колесами транспортного средства) проводники его обмотки пересекают силовые линии магнитного ноля машины, что способствует наведению в них ЭДС, которая реализуется в виде разности потенциалов на щетках, располагаемых на геометрической нейтрали. При подключении к щеткам сопротивления нагрузки образуется электрическая цепь, включающая в себя обмотку якоря и нагрузочный резистор. Под действием ЭДС в цепи начинает протекать постоянный ток /₀, способствующий созданию тормозного момента.

Рис. 3.2. Генератор постоянного тока.

В машинах с последовательным возбуждением в начальной стадии электрического торможения поле машины создается остаточным потоком, который, как правило, не превышает 2…5% от номинального значения. Поскольку электрическая цепь помимо резистора нагрузки и обмотки якоря содержит катушки возбуждения, протекающий в ней ток способствует возрастанию магнитного потока в генераторе и дальнейшему увеличению ЭДС до тех пор, пока поле в машине не достигнет номинального значения.

При работе электрической машины в режиме двигателя на начальной стадии пуска магнитное поле — номинальное. В этом случае реализуется максимальный пусковой момент, способствующий быстрому разгону подвижного состава. После выхода на автоматическую характеристику (когда к двигателю приложено номинальное напряжение) для дальнейшего разгона в тяговых электроприводах используется ослабление поля машины, что дает некоторый выигрыш во времени по сравнению с разгоном по автоматической характеристике.

В качестве примера на рис. 3.3 и 3.4 приведены соответственно структурная схема и конструктивное исполнение четырехполюсного тягового электродвигателя.

Из рис. 3.3 видно, что основой конструкции служит остов (станина) 8, на которой укреплены сердечники главных 9 и дополнительных 10 полюсов с размещенными на них обмотками. К торцам остова при помощи болтов крепятся подшипниковые щиты, на которых держится вал 3 якоря 1 двигателя. На вал насажены штампованные листы, в которых имеются вентиляционные отверстия 7 и зубцы 5, образующие тело сердечника якоря 4. В пазах, образованных зубцами якоря, уложена обмотка 6 якоря, соединенная с пластинами коллектора 2. Питание к якорной обмотке и последовательно соединенным с ней катушкам добавочных полюсов подводится через графитовые щетки У/, закрепленные в щеткодержателе, установленном на подшипниковом щите.

Рис. 3.3. Структурная схема четырехполюсного тягового электродвигателя.

Рис. 3.4. Конструктивное исполнение тягового двигателя электровоза.

Рис. 3.5. Двухфазная модель двигателя постоянного тока независимого.

возбуждения Начала и концы обмотки якоря и соединенных последовательно с ней катушек добавочных полюсов обозначены Я-ЯЯ, а главных полюсов К-КК соответственно.

Из теории электрических машин известно, что любой электромеханический преобразователь в динамике может быть представлен в виде двухфазной модели, которая получила название обобщенной электрической машины. Применительно к двигателю постоянного тока с независимым возбуждением двухфазная модель имеет вид, показанный на рис. 3.5.

В отличие от ранее рассмотренной конструкции в модель включена компенсационная обмотка КО, используемая как дополнительное средство для компенсации влияния реакции якоря на поле машины. Обычно эта обмотка, укладываемая в тело полюсного наконечника главного полюса, используется в двигателях большой (несколько сотен киловатт) мощности.

Электромагнитные процессы, протекающие в машине в двигательном режиме в осях, а и р, описываются системой уравнений [8].

где и и /*ь R и % - напряжение, ток, активное сопротивление и потокосцепление, относящиеся к системе возбуждения; и₂, h, /?2 и 4*2 — напряжение, ток, активное сопротивление и потокосцепление, относящиеся к якорю машины; р_п — количество пар полюсов машины;

(c)ад = р_п(0 — угловая скорость вращения магнитного поля машины.

В соответствии с рис. 3.5 в системе уравнений (3.1) можно принять:

Показанные на рис. 3.5 обмотки машины, расположенные на статоре по оси а, непосредственно в процессе электромеханического преобразования энергии нс участвуют. Обмотка добавочных полюсов 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. Вследствие протекания по компенсационной обмотке тока якорной цепи она создает МДС, компенсирующую МДС реакции якоря по поперечной оси а. В машинах без компенсационной обмотки 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:

где L, — полная индуктивность обмотки возбуждения; - суммарная индуктивность рассеяния обмоток ОЯ, ДП и КО, не учитывающая основную МДС обмотки ОЯ по оси а, действие которой компенсируется МДС КО. Сопротивление /?_я1 включает в себя активные электрические сопротивления всех обмоток якорной цепи двигателя.

С учетом введенных обозначений и (3.2) система уравнений (3.1) запишется в виде.

Первые два уравнения полученной системы представляют собой уравнения Кирхгофа для цепей возбуждения и якоря машины, причем последний член уравнения для цени якоря есть ЭДС двигателя:

где к = p_nN/2na — конструктивный коэффициент; N — количество активных проводников; а — количество параллельных ветвей якорной обмотки; Ф — поток машины.

Момент в (3.3) с учетом (3.4) определяется соотношением.

Следовательно, для записи уравнений механической характеристики двигателя постоянного тока можно, как это принято, непосредственно использовать схему его цепей на постоянном токе (рис. 3.6). На этой схеме и в дальнейшем изложении вспомогательные обмотки ДП и КО не показаны, а их сопротивления и индуктивности рассеяния учитываются в /?"v и L_av. Вывод системы уравнений (3.3) из уравнений обобщенной машины показал универсальные возможности методики описания динамических процессов преобразования энергии.

Рис. 3.6. Схема подключения обмоток двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

С учетом изложенного математическая модель двигателя независимого возбуждения имеет вид.

На основе второго уравнения системы уравнений (3.6) получаем уравнение электромеханической характеристики двигателя.

Используя третье уравнение математической модели, нетрудно получить зависимость угловой скорости вращения вала двигателя в функции момента (механической характеристики):

При постоянстве потока в машине соотношения между скоростью и током якоря (моментом, развиваемым на валу) описываются выражениями.

и.

При исследовании динамики электроприводов используется такой показатель, как статическая жесткость механической характеристики р_сг, получить которую можно, продифференцировав последнее выражение по скорости:

Модуль статической жесткости определяется выражением.

Используя выражения для обозначения модуля статической жесткости и уравнение (3.10), достаточно просто получить уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в виде

где о)₀ = ЩкФ — точка холостого хода.

Отсюда нетрудно найти зависимость А/(со), которая имеет вид

Полученные аналитические зависимости позволяют сделать вывод о том, что статическая механическая характеристика линейна и носит падающий характер. Крутизна падения зависит от величины модуля статической жесткости, который, как было показано выше, прямо пропорционален потоку и обратно пропорционален величине активного сопротивления якорной цепи двигателя.

Введение

м в цепь якоря добавочного резистора можно изменять крутизну характеристики, как это показано на рис. 3.7, я, получив тем самым реостатные характеристики, проходящие через точку номинального холостого хода (c)ономПри изменении модуля жесткости механической характеристики путем регулированием поля Ф, которое в машине может быть только ослаблено, получаются характеристики различной крутизны, пересекающие оси координат в различных точках. На рис. 3.7, б показано их положение. Для вычисления значений скоростей холостого хода со₀ и моментов А/кз в режиме короткого замыкания для каждой величины поля следует воспользоваться соотношением (3.10). При построении этих характеристик надо иметь в виду, что их рабочий участок двигателя ограничивается его перегрузочной способностью и, как показано на рис. 3.7, б утолщенными отрезками характеристик, лежит вблизи скорости идеального холостого хода. Нетрудно видеть, что ослабление поля в пределах рабочих нагрузок увеличивает скорость двигателя.

Рис. 3.7. Характеристики двигателя постоянного тока независимого.

возбуждения Пуск тягового электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением можно осуществлять и без изменения модуля жесткости механической характеристики. Для этого необходимо плавно изменить напряжение питания цепи якоря. На рис. 3.7, в показаны кривые, соответствующие различным значениям напряжений, меньшим номинального. Пуск двигателя, основанный на принципе плавного изменения напряжения, предпочтителен, поскольку при этом создаются наиболее благоприятные условия для его работы. Такой способ управления реализуется с помощью преобразователей постоянно-постоянного тока силовых полупроводниковых приборов, о которых будет рассказано далее.

Здесь уместно заметить, что применение подобного рода преобразователей позволяет обеспечить быстродействие защиты тяговых двигателей от перегрузок и предупредить протекание по ним токов короткого замыкания. Кроме того, исключается появление скачков подводимого к двигателю напряжения, наблюдающегося при прохождении секционных разделов контактной сети.

В приводах постоянного тока на транспорте преимущественное распространение получили тяговые двигатели последовательного возбуждения, магнитное поле в которых создается обмоткой, обтекаемой током якоря. Колебания величины тока в процессе пуска приводят к форсированному изменению потока в магнитной системе машины, что влечет за собой появление вихревых токов, наводящихся в полюсах и станине. При этом вихревые токи существенно влияют на характер протекающих в двигателе электромагнитных процессов, неучет которых искажает реальную картину переходных процессов.

На практике при проведении тягово-энергетических расчетов используют электромеханические характеристики двигателей постоянного тока, отражающие зависимость скорости v подвижного состава и тягового усилия F на ободе колеса в функции тока якоря у (/") и Р (1_Я), которые достаточно просто пересчитываются из полученных выше зависимостей с учетом передаточного числа редуктора /_р и диаметра колеса D_K транспортного средства в соответствии с соотношениями.

где М_к — тяговый момент на колесе.

При этом следует учитывать потери в механической передаче, определяемые ее КПД, которые приводят к уменьшению реального тягового усилия на ободе колеса. Методика расчета потерь в механической передаче достаточно подробно изложена в курсе «Теория электрической тяги» и поэтому здесь не приводится.

Кроме того, при проведении тягово-энергетических расчетов используется кривая КПД тягового двигателя г|(/_я), отражающая его зависимость от тока якоря.

Электромеханические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением приведены на рис. 3.8.

Если обмотка возбуждения рассчитана на питание от того же источника, что и цепь якоря, то ее подключают параллельно якорной цепи. В этом случае электрическую машину называют двигателем с шутовым возбуждением.

При изучении динамических свойств тяговых двигателей с независимым возбуждением используется структурная схема, построенная на базе математической модели, полученной из системы уравнений (3.6) заменой в ней производных на преобразователь Лапласа d/dt = р:

Рис. 3.8. Электромеханические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, приведенные к ободу колеса.

где Т_в = LJR_B — электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения; Т_я — L, sJR& — электромагнитная постоянная цепи якоря; к_ф = Ф//" - коэффициент, соответствующий линейной части кривой намагничивания двигателя.

Из структурной схемы, отображающей математическую модель тягового двигателя независимого возбуждения (рис. 3.9, а), видно, что:

• • цепь возбуждения двигателя представляет собой апериодическое звено с постоянной времени Г_в, лежащей обычно в пределах от 0,2 с (для машин мощностью в несколько десятков киловатт) до 5 с — для машин в сотни и тысячи киловатт;
• • каналами управления двигателя при питании его от тяговой сети служат: канал управления полем (и_и) и канал управления напряжением питания якорной цепи (и_я).

При питании двигателя от источника напряжения и постоянном магнитном поле в машине структурная схема может быть преобразована к виду, показанному на рис. 3.9, б. В этом случае величина индуктивности обмотки возбуждения для токов, лежащих на линейном участке кривой намагничивания, может быть определена по выражению.

где А:_Нас ⁼ IJU ном — коэффициент насыщения;

/в, — величина тока возбуждения;

w_B — количество витков обмотки возбуждения на полюсе;

Ф"ом — величина потока машины, соответствующая номинальному току /_в ном цепи возбуждения.

Если работа двигателя совершается в области насыщения магнитной цепи, величину индуктивности обмотки возбуждения следует определять по выражению.

Рис. 3.9. Структурная схема тягового двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

В том случае, когда поток машины неизменный, исходная структурная схема преобразуется к виду, показанному на рис 3.9, в. Тогда тяговый двигатель представляется апериодическим звеном с постоянной времени Т_я. Величина индуктивности цепи якоря может быть определена по формуле.

где у = 0,6 — для машин, не содержащих компенсационную обмотку, и.

у = 0,25 — для остальных.

Постоянная времени цепи якоря у тяговых двигателей Т_я = = 0,02…0,1 с. Большими значениями Т_я обладают двигатели без компенсационной обмотки и тихоходные.

Принципиальная электрическая схема цепи двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением и соответствующая ей двухфазная модель показаны на рис. 3.10, а и 3.10, б соответственно.

Включение обмотки возбуждения в цепь тока якоря приводит к тому, что при протекании переходных процессов создаваемый в главных полюсах машины поток непостоянен, а это вызывает появление в сердечниках полюсов вихревых токов. В первом приближении влияние вихревых токов учитывается добавлением короткозамкнутой обмотки w_BT на оси Р, имеющей условное количество витков, обтекаемых током /_в.т и связанной с потоком машины Ф по продольной оси Р коэффициентом связи, равным единице.

Рис. 3.10. Схема подключения обмоток двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (а) и его двухфазная модель (б).

Вихревые токи создают в сердечнике главных полюсов магнитные поля, препятствуя мгновенному изменению потока в машине при изменении тока якоря. Наиболее часто на электроподвижном составе встречаются режимы пуска и торможения двигателя, характерной особенностью которых является значительное отклонение (до 10… 15%) от среднего значения тока якоря при реостатном пуске и до 2…5% - мри импульсном регулировании.

Математическая модель двигателя последовательного возбуждения, учитывающая приведенные выше замечания, имеет следующий вид: где /?_av = /?_я + Лдп ⁺ /?_в — суммарное сопротивление цепи якоря, включающее в себя активное сопротивление обмотки якоря, добавочных и главных полюсов соответственно;

= Ь_я + ?дп + суммарная индуктивность цепи якоря.

Величина индуктивности обмотки якоря значительно меньше, чем у обмоток добавочных и главных полюсов, поэтому в расчетах ею обычно пренебрегают.

Используя математическую модель (3.12), нетрудно получить электромеханические характеристики двигателя, приняв неизменными для каждого значения скорости величины тока и потока: di/dt = 0 и d/dt = 0. Тогда /_вт = 0 и справедливы полученные ранее для двигателя незави;

симого возбуждения выражения (3.9) и (3.10):

Рис. 3.11 Электромеханические характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, приведенные к ободу колеса.

Поскольку величина потока в магнитной цепи двигателя непостоянна, электромеханические характеристики двигателя последовательного возбуждения отличаются от характеристик двигателя независимого возбуждения и имеют вид, показанный на рис. 3.11.

Пояснения, сделанные при построении характеристик на ободе колеса для двигателя независимого возбуждения, справедливы и для двигателя последовательного возбуждения.

При изучении динамических свойств тяговых двигателей с последовательным.

возбуждением используется структурная схема, построенная на базе математической модели, полученной из системы уравнений (3.12). Для представления математической модели в удобном для разработки структурной схемы виде выполним некоторые преобразования.

Используя первое уравнение системы (3.12), заменим последнее слагаемое во втором уравнении в соответствии с выражением.

где /?', — приведенное к цепи якоря сопротивление контура протекания вихревых токов.

где R я?= R& + R'в._т — эквивалентное активное сопротивление цепи якоря;

Т'_я = L"zJ R я! — постоянная времени цепи якоря.

Увеличение значения знаменателя в выражении для постоянной цепи якоря говорит о возрастании времени переходного процесса в двигателе последовательного возбуждения по сравнению с двигателем независимого возбуждения. Согласно [8] постоянная времени растет на 10…20%.

При работе тягового двигателя на линейной части кривой намагничивания, когда зависимость между потоком машины и током якоря определяется соотношением Ф (/_я) = /:ф/_я (рис. 3.12, а), структурная схема имеет вид, показанный на рис. 3.12, б. В том случае, когда зависимость между потоком машины и током якоря определяется соотношением Ф (/_я) = Ф₀ + к'ф/_я, структурная схема имеет вид, показанный на рис. 3.12, в.

Тяговый двигатель постоянного тока смешанного возбуждения содержит две обмотки, одна из которых включается последовательно с якорной обмоткой, вторая параллельно цепи якоря. Поток в магнитной цепи двигателя определяется суммарной величиной напряженности магнитного поля //v, создаваемого каждой из обмоток:

ГДе //поел ^— /яИ'посл И /Ашр ^— /в'^пар;

Рис. 3.12. Структурная схема тягового двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

В зависимости от соотношения напряженностей, создаваемых каждой из обмоток, двигатель называется су першу нтовым или суперсериесным. В первом случае преобладающая намагничивающая сила (до 80% от суммарной величины) создается обмоткой параллельного возбуждения, во втором — последовательного.

Схема подключения обмоток двигателя постоянного тока смешанного возбуждения и его двухфазная модель показаны на рис. 3.13.

Математическая модель двигателя смешанного возбуждения имеет следующий вид:

где R_nар и L_Iiap — величины активного сопротивления и индуктивности параллельной обмотки возбуждения;

~ R* + /?посл + Ядп — сопротивления обмоток якоря, последовательного возбуждения и добавочных полюсов соответственно;

= Ь_я + L_nocn + Ljxn — индуктивности обмотки якоря, последовательного возбуждения и добавочных полюсов соответственно.

Рис. 3.13. Схема подключения обмоток двигателя постоянного тока смешанного возбуждения и его двухфазная модель.

Сопоставляя математические модели двигателей последовательного и смешанного возбуждений, нетрудно заметить их схожесть. Различие заключается только в том, что при /" = 0 магнитный поток машины смешанного возбуждения не равен нулю, поэтому скорость подвижного состава ограничена значением.

где к — коэффициент приведения угловой скорости вращения вала тягового двигателя к линейной скорости подвижного состава. Электромеханические характеристики двигателя смешанного возбуждения приведены на рис. 3.14.

В процессе пуска двигателя после выхода на естественную характеристику осуществляется переход на характеристики ослабленного поля, который достигается сначала уменьшением тока до нуля в параллельной обмотке, а затем шунтированием обмотки последовательного возбуждения. После уменьшения тока возбуждения до нуля в параллельной обмотке двигатель смешанного возбуждения превращается в двигатель последовательного возбуждения и повторяет его характеристики.

Рис. 3.14. Электромеханические характеристики двигателя постоянного тока смешанного возбуждения, приведенные к ободу колеса.

Рис. 3.15. Структурная схема тягового двигателя постоянного тока смешанного возбуждения.

Произведя преобразования в системе уравнений (3.14), аналогичные тем, что были сделаны для двигателей независимого и послсдовательного возбуждений, получим систему уравнений для построения структурной схемы двигателя смешанного возбуждения:

где Гпар = Lna/Knap — постоя иная времени цепи обмотки параллельного возбуждения;

Т_я = - постоянная времени цепи якорной обмотки.

Для двигателей смешанного возбуждения, как и для двигателей независимого возбуждения, характерно, что при нулевом значении тока в цепи якоря машина обладает определенным потоком. Кривая зависимости между потоком машины и током якоря рассчитывается соотношением Ф (/_я) = Ф_пар + *ф/'_я (рис. 3.15, а). Величина магнитного потока, создаваемого параллельной обмоткой возбуждения, обычно лежит в пределах линейного участка кривой Ф (/) намагничивания стали и может быть рассчитана по соотношению HI = i"w_a = i_Bw_B. Тогда /" = и, воспользовавшись тем, что на линейной части кривой Ф ⁼ k>получаем Ф_пар = k^i_BwJw_%.

Структурная схема показана на рис. 3.15, б.