Особливості живлення і загальна характеристика системи

НДЧ

ТЯГОВІ ДВИГУНИ ПУЛЬСУЮЧОГО СТРУМУ

Пульсація магнітного потоку

Пульсація струму викликає пульсацію MPC, отже, і відповідних магнітних потоків. Таким чином, по стальних магнітопроводах проходять пульсуючі магнітні потоки, які, як і струми, можуть складатися із сталої і змінної складових. Аналогічні складові містять напруженість і індукцію магнітного поля. Відношення сталих складових індукції і напруженості визначають магнітну проникність для сталої складової потоку , а

змінних складових - для змінної складової потоку . Останню нази-

вають пульсаційною магнітною проникністю сталі. Дальший докладний аналіз показав, що сталь чинить змінній складовій пульсуючого потоку значно більший магнітний опір, ніж його сталій складовій, тобто . Подібне положення наявне навіть при ідеальному розшаруванні магніто- проводу і повній відсутності в ньому вихрових струмів Справа в тому, що по площині перерізу стального магнітопроводу змінні складові потоку роз­поділяються нерівномірно: магнітна напруженість значно збільшується в зовнішніх шарах перерізу і зменшується до його середини. Стала складова індукції однакова по площині S всього перерізу В = Ф/S. Ця обставина істотно впливає на роботу двигуна пульсуючого струму і буде врахована надалі.

Рівень пульсації магнітного потоку оцінюється з допомогою коефіцієнта пульсації магнітного потоку, який можна визначити за магнітною характе­ристикою (рис. 4.4).

Очевидно, зміні струму від Imin до I max відповідає зміна потоку від Фmin до Фmax, а сталій складовій струму I стала складова потоку Ф.

Рис. 4.4

Коефіцієнт пу­льсації потоку:

. (4.4)

Для спрощення розгляду процесу без особливої похибки лінеаризуємо магнітну характеристику в межах відхилень потоку. Тоді

і . (4.5)

Розв’язавши сумісно рівняння (4.3)-(4.5), одержимо:

. (4.6)

У межах лінійних ділянок магнітної характеристики . Як ви-

ходить із (4.6), кофіцієнти пульсацій струму і потоку повинні бути рівними між собою. Але пульсація потоку викликає появу вихрових струмів, які зменшують амплітуду змінної складової потоку. Врахуємо це явище за до­помогою коефіцієнта згладження вихровими струмами кз.в. Очевидно, що зниження змінного магнітного потоку вихровими струмами сильніше в суцільному магнітопроводі, ніж у розшарованому (шихтованому). Тому в першому випадку кз.в 0,25...0,35, а в другому - кз.в 0,55...0,75. 3 урахуван­ням цього коефіцієнт пульсації магнітного потоку за (4.6) набуде вигляду

(4.7)

Із виразу (4.7) видно, що величина кФ значною мірою залежить від коефіцієнта згладження вихровими струмами, який визначається структу­рою магнітної системи двигуна.

Крім цього, «самозгладжування» пульсацій потоку, суттєве зменшення к Ф виникає завдяки шунтуванню обмотки головних полюсів резистором Rш (див. рис. 4.1). Як було показано вище, звичайно ступінь ослаблення збуд­ження ном становить 0,95...0,98. Усе це дозволяє одержати значення к Ф, рівне 0,02...0,05, тобто дуже малу величину.

НДЧ

ТЯГОВІ ДВИГУНИ ПУЛЬСУЮЧОГО СТРУМУ

Особливості живлення і загальна характеристика системи

Тягові двигуни електровозів змінного струму зі статичними перетворю­вачами живляться від знижувального трансформатора через двопівперіод- ний випрямляч, зібраний за некерованою або «напівкерованою» мостовою схемою (рис. 4.1). Така система суттєво відрізняється від системи живлення електровозів постійного струму, які одержують живлення від тягових підстанцій з багатофазним (від 6 до 24 фаз) випрямленням. Як відомо, при такому випрямленні пульсація випрямленої напруги дуже мала і тягові дви­гуни живляться практично постійним струмом. Здійснити таке випрямлен­ня на електровозі неможливо.

Регулювання тягових двигунів на елек­тровозі можливе трьома способами:

1) зміною коефіцієнта трансформації трансформатора кт, тобто значенням змінної напруги, підведеної до випрямляча;

2) затримкою відкриття тиристорів у кожному періоді Т повторюваності кривої випрямленої напруги на кут α;

3) поєднанням обох цих способів.

Якщо середнє значення випрямленої напруги Ud, а діюче значення напруги на вторинній обмотці трансформатора U2, то їх відношення називають коефіцієнтом випрямлення кв= Ud/ U2 (при повному відкритті тиристорів к в ~ 0,9). При напрузі в контактній мережі Uм середнє значення випрямленої напруги на колекторі двигуна буде становити

(4.1)

де ΔUпр - спад напруги в перетворю­вальній установці.

Вираз (4.1) показує, що шляхом підбору значень к в і к т можливо не тільки регулю­вати значення Uк, але й вибирати його найбільш вигідну величину з огляду на параметри тягового двигуна. Теорією і практикою доведено, що оптима­льним є двигун, у якого величина Uк чисельно дорівнює його потужності. При цьому, правда, через збільшення струму ускладнюється питання з ко­мутаційною апаратурою електровоза, але все ж таки, як правило, прийма­ють Uк ≤1000 В.

Із рівняння (4.1) також видно, що при зміні струму навантаження через падаючу зовнішню характеристику трансформатора і величину ΔUпр на­пруга Uк не лишається постійною, а змінюється в певних межах.

Із рис. 4.2, на якому наведені криві випрямлених напруг і струму, видно, що випрямлена напруга складається з постійної складової Ud і накладеної на неї змінної складової, яка несинусоїдальна і може бути розкладена в ряд Фур’є. Для наших цілей достатньо врахувати лише основну гармоніку, яка при наведеній на рис. 4.1 схемі випрямлення має частоту, рівну подвійній частоті напруги мережі, тобто 100 Гц.

Рис. 4.2

 

Пульсація напруги приводить до пульсацій струму, рівень яких оцінюються коефіцієнтом пульсації

, (4.2)

 

I 2m-амплітудне значення другої гармоніки пульсуючого струму,

;

I - середнє значення випрямленого струму.

Отже,

(4.3)

Якби навантаження випрямляча було суто активним, то струм у такому колі пульсував би подібно випрямленій напрузі. Однак тяговий двигун має певну індуктивність, яка частково згладжує пульсації струму. Крім того, послідовно з двигуном вмикають згладжуючий реактор, індуктивність яко­го дуже велика - приблизно 90 % всього кола. Нею в основному і визначаю­ться параметри кола. Двигуни, у колі яких увімкнуті згладжуючі реактори, називаються двигунами пульсуючого струму. Двигуни, які безпосередньо з’єднані з випрямлячем без згладжуючого реактора, називаються двигунами пульсуючої напруги. В останніх змінна складова струму обмежується тільки індуктивністю обмоток самих двигунів (вони завжди мають послідовне збудження) і змінною складовою проти-ЕРС якоря. Усе це надзвичайно ускладнює роботу і комутацію двигунів пульсуючої напруги, тому вони не знайшли застосування на електрорухомому складі й далі розглядатися не будуть.

Згладжуючий реактор Р являє собою акумулятор, який запасає деяку надмірну енергію в ту частину часу t 1 загального періоду Т повторюваності кривої напруги, коли миттєве значення напруги на випрямлячі більше миттєвого значення напруги на двигуні, тобто uв>uд, і віддає її навантажен­ню протягом часу Т - t 1 коли uв<uд. Таким чином, процес згладження є енергетичний процес, а згладжуючий реактор Р повинен мати певну енер­гоємність, яка визначає його розміри і масу. Отже, змінна складова випрям­леної напруги майже повністю врівноважується спадом напруги на індук­тивних опорах реактора і двигуна. Пульсує лише струм. Якщо величина коефіцієнта пульсації струму кi, перевищує 10 %, то згідно з ГОСТ 2582-81 електричні машини, які живляться таким струмом, називаються машинами пульсуючого струму.

Як показує досвід, надійну роботу тягових двигунів пульсуючого струму можна забезпечити при коефіцієнті пульсації струму в номінальному ре­жимі 25...30 %. Звичайно, було б бажано мати менші величини коефіцієнта пульсації, але це вимагало б значного збільшення розмірів і маси згладжую­чого реактора. При малих навантаженнях величина пульсації дещо зростає. Залежність кi від коефіцієнта навантаження кнв (кнв = I/Iном) представлена на рис. 4.3. Обмотка збудження головних полюсів, яка має великий індук­тивний опір, шунтується постійно ввімкнутим активним резистором. У цей резистор відокремлюється незначна частина (2...5 %) сталої складової струму збудження, але через нього проходить майже вся змінна складова струму. Тим самим до мінімуму знижуються пульсації струму збудження, отже, і магнітного потоку головних полюсів. Оптимальні пульсації потоку головних полюсів і параметри кола шунтування встановлюють за умовою забезпечення задовільної комутації, що визначає надійну роботу двигунів пуль­суючого струму. Це питання буде доклад­но розглянуте далі.

Рис. 4.3

Викладена нижче теорія роботи тяго­вого двигуна пульсуючого струму, особ­ливості поведінки сталі в пульсуючому магнітному полі, теорія комутації і спосо­би її покращення розроблені й впрова­джені в практику В.Ю. Скобелевим.

Пульсація магнітного потоку

Пульсація струму викликає пульсацію MPC, отже, і відповідних магнітних потоків. Таким чином, по стальних магнітопроводах проходять пульсуючі магнітні потоки, які, як і струми, можуть складатися із сталої і змінної складових. Аналогічні складові містять напруженість і індукцію магнітного поля. Відношення сталих складових індукції і напруженості визначають магнітну проникність для сталої складової потоку , а

змінних складових - для змінної складової потоку . Останню нази-

вають пульсаційною магнітною проникністю сталі. Дальший докладний аналіз показав, що сталь чинить змінній складовій пульсуючого потоку значно більший магнітний опір, ніж його сталій складовій, тобто . Подібне положення наявне навіть при ідеальному розшаруванні магніто- проводу і повній відсутності в ньому вихрових струмів Справа в тому, що по площині перерізу стального магнітопроводу змінні складові потоку роз­поділяються нерівномірно: магнітна напруженість значно збільшується в зовнішніх шарах перерізу і зменшується до його середини. Стала складова індукції однакова по площині S всього перерізу В = Ф/S. Ця обставина істотно впливає на роботу двигуна пульсуючого струму і буде врахована надалі.

Рівень пульсації магнітного потоку оцінюється з допомогою коефіцієнта пульсації магнітного потоку, який можна визначити за магнітною характе­ристикою (рис. 4.4).

Очевидно, зміні струму від Imin до I max відповідає зміна потоку від Фmin до Фmax, а сталій складовій струму I стала складова потоку Ф.

Рис. 4.4

Коефіцієнт пу­льсації потоку:

. (4.4)

Для спрощення розгляду процесу без особливої похибки лінеаризуємо магнітну характеристику в межах відхилень потоку. Тоді

і . (4.5)

Розв’язавши сумісно рівняння (4.3)-(4.5), одержимо:

. (4.6)

У межах лінійних ділянок магнітної характеристики . Як ви-

ходить із (4.6), кофіцієнти пульсацій струму і потоку повинні бути рівними між собою. Але пульсація потоку викликає появу вихрових струмів, які зменшують амплітуду змінної складової потоку. Врахуємо це явище за до­помогою коефіцієнта згладження вихровими струмами кз.в. Очевидно, що зниження змінного магнітного потоку вихровими струмами сильніше в суцільному магнітопроводі, ніж у розшарованому (шихтованому). Тому в першому випадку кз.в 0,25...0,35, а в другому - кз.в 0,55...0,75. 3 урахуван­ням цього коефіцієнт пульсації магнітного потоку за (4.6) набуде вигляду

(4.7)

Із виразу (4.7) видно, що величина кФ значною мірою залежить від коефіцієнта згладження вихровими струмами, який визначається структу­рою магнітної системи двигуна.

Крім цього, «самозгладжування» пульсацій потоку, суттєве зменшення к Ф виникає завдяки шунтуванню обмотки головних полюсів резистором Rш (див. рис. 4.1). Як було показано вище, звичайно ступінь ослаблення збуд­ження ном становить 0,95...0,98. Усе це дозволяє одержати значення к Ф, рівне 0,02...0,05, тобто дуже малу величину.