Электромеханические характеристики мотор-колёс с асинхронными электродвигателями

В данной работе описаны результаты экспериментальных исследований на универсальном стенде НАМИ электромотор-колес с шиной 26,5-25", разработанных для опытной системы электропривода периодического действия на переменном токе колёс полуприцепа двухзвенного автопоезда большей грузоподъёмности. Основной привод колес тягача автопоезда − механический.

Задачей экспериментальных исследований являлось получение электромеханических характеристик мотор-колеса, на основе которых оценивались тяговые качества автопоезда и основные режимы работы асинхронных двигателей. Для этой системы привода колес двухзвенного автопоезда характерны следующие особенности:

1) при питании асинхронных двигателей мотор-колёс от автономного синхронного генератора за счет действия продольной реакции якоря генератора его напряжение U_д при некоторых постоянных значениях частоты f₁ и тока возбуждения i_в.г. изменяется в зависимости от нагрузки и существенно влияет на форму механической характеристики электродвигателей, а также на тяговые характеристики автопоезда в целом;

2) пределы изменения частоты определяются рабочим диапазоном чисел оборотов теплового двигателя и передачей механического привода тягача (коробки передач), на которой включается система электропривода;

3) двойная кинематическая связь между тепловым и асинхронным двигателями обеспечивает возможность работы тяговых асинхронных двигателей электромотор-колес с рабочим скольжением s_pa6, несколько превышающим критическое s_кp. Выбор величины рабочего скольжения s_pa6 > s_кp позволяет обеспечить на автопоезде удовлетворительное распределение сил тяги как при движении на повороте, так и при буксовании одного из мотор-колёс полуприцепа.

С учетом этих особенностей алектромотор-колёса исследовались при некоторых постоянных значениях тока возбуждения синхронного генератора i_в.г. и частоты f₁, определяемой числом оборотов теплового двигателя в устойчивой части внешней характеристики. При эксперименте исследовалась также устойчивость работы асинхронного двигателя мотор-колеса при скольжении s_раб, несколько превышающим критическое.

На рисунке 1.21 покачан продольный разрез исследуемого электромотор-колеса с тяговым асинхронным двигателем типa ДК-710А и односкоростным плане планетарным редуктором с передаточным числом i_пр = 175,56.

Рис. 1.21. Электромотор-колесо периодического действия с

тяговым асинхронным двигателем

1 - корпус электродвигателя; 2 - торсионный вал; 3 - солнечная шестерня;

4 - возвратные пружины;5 - поршень; 6 - коронная шестерня;

7 - фрикционный многодисковый тормоз; 8 - полость поршня; 9 - шина с ободом; 10 - ступица колеса; 11 - вал электродвигателя

При передаче крутящего момента с вала асинхронного двигателя на ступицу колеса коронная шестерня 6 блокируется фрикционным многодисковым тормозом 7. Фрикционные диски сжимаются кольцевым поршнем 5 при подаче воздуха в полость 8. Асинхронный двигатель отсоединяется oт колеса при деблокировании коронной шестерни 6под действием возвратных пружин 4.

По методике испытаний асинхронный двигатель мотор-колеса питается от синхронного генератора типа СГБ-223/400/4, приводимого во вращение электродвигателем постоянного тока через планетарный двухскоростной редуктор. С помощью системы регулирования приводного электродвигателя обеспечивалось получение его механических характеристик, аналогичных характеристикам дизеля ЯМЗ-238, установленного на автопоезде. Обмотка независимого возбуждения синхронного генератора получала питание от возбудителя постоянного тока типа Г-74. Синхронизация вращения колёс автопоезда и числа оборотов тягового генератора при работе на I и III передачах привода тягача достигалась ступенчатым регулированием частоты системы за счёт переключения передач редуктора генератора. Диапазон изменения частоты на I передаче составлял от 70 до 98 Гц, а на III − от 140 до 196 Гц. Напряжение регулировалось на клеммах асинхронного двигателя изменением тока возбуждения возбудителя синхронного генератора.

При снятии экспериментальных электромеханических характеристик мотор-колеса скорость вращения, момент сопротивления и, следовательно, величина относительного скольжения асинхронного двигателя устанавливались при некоторых постоянных значениях частоты f_i и тока возбуждения i_вг выбором соответствующего режима работы нагрузочной системы стенда. Это позволило испытать асинхронный двигатель мотор-колеса в условиях, наиболее близких к реальным режимам работы электропривода периодического действия на автопоезде.

Ток, напряжение и мощность асинхронного двигателя мотор-колеса замерялись методом двух ваттметров с использованием приборов электродинамической системы класса 0,2 с расширенным диапазоном частоты. Величина момента мотор-колеса измерялась силоизмерительными датчиками, установленными на стенде, сигнал с которых поступал на электронные потенциометрические приборы. Для того чтобы исключить влияние температуры на форму электромеханических характеристик, они снимались при постоянной температуре перегрева обмотки статора, равной 75°С. Скорость вращения синхронного генератора, а, следовательно, и частота системы, а также скорость вращения электромотор-колёс измерялись индукционными датчиками.

Рассмотрим полученные экспериментальные электромеханические характеристики мотор-колеса при двух основных режимах работы асинхронного двигателя, имеющих место при эксплуатации автопоезда: рабочем, соответствующем скольжению s_paб, и пусковом − при скольжении s_n.

На рисунке 1.22,а и б приведены зависимости крутящего момента мотор-колеса М_к, тока I_д, линейного напряжения U_д и коэффициента мощности асинхронного двигателя в функции частоты системы f₁ для различного возбуждения синхронного генератора при s_pa6 = 0,22 и s_n = 1. Эти характеристики соответствуют режиму работы электропривода при включении 1 передачи трансмиссии тягача.

Как следует из рисунка 1.22, а, для заданного i_в.г= 60 А при увеличении частоты системы от 70 до 98 гц величина М_к.раб изменяется в пределах 4% от 37500 до 36000 Н∙м. На величину М_к.раб значительно влияет ток возбуждения синхронного генератора. При увеличении i_в.г от 40 до 60 А при f₁= const крутящий момент М_к..раб возрастает на 40%.

На напряжение U_д асинхронного двигателя основные параметры системы электропривода f₁ и i_в.г влияют примерно одинаково. С возрастанием частоты от 70 до 98 Гц при постоянных значениях тока возбуждения i_в.г величина напряжения U_д увеличивается на 22%; при увеличении тока возбуждения генератора с 40 до 60 А и постоянных значениях частоты системы − на 24-25%.

Рис. 1.22 Электромеханические характеристики мотор-колеса:
а - в рабочем режиме (S_раб = 0,22); б - в пусковом режиме (Sа ≈ 1)

Величина I_д зависит более существенно от тока возбуждения синхронного генератора, чем от частоты системы. Так, при изменении i_{в г} от 40 до 60 А при постоянных значениях частоты величина тока асинхронного двигателя возрастает на 37%, в то время как с увеличением частоты от 70 до 98 Гц при постоянном токе возбуждения − на 18%. Максимальное значение тока асинхронного двигателя I_д ≈ 213 А соответствует f₁=98 Гц и i_{в г} = 60 А. При этом кратность рабочего тока по отношению к длительному составляет I_д.раб/I_д∞=2,23, что обеспечивает заданную работоспособность электродвигателя по перегреву в системе электропривода.

Коэффициент мощности cos φ_д асинхронного двигателя в рабочем режиме достаточно высокий по величине и в зависимости от тока возбуждении генератора и частоты системы изменяется незначительно. Так, при увеличении тока возбуждения генератора i_{в г} от 40 до 60 А и постоянной частоте изменение cos φ_д не превышает 2-3%. Изменение cos φ_д с увеличением частоты системы f₁, от 70 до 98 Гц при постоянных значениях тока возбуждения составляет около 6% и характеризуется следующими значениями: при f₁ = 70 i_в.г = 60 А, cos φ_д = 0,915 и при i_{в г} = 40 А cos φ_д = 0,885, а при f₁ = 98 Гц i_{в г} = 60 А, cos φ_д = 0,87 и при i_в.г. = 40 А cos φ_д = 0,84.

Аналогично изменяются крутящий момент электромотор-колеса, ток, напряжение, коэффициент мощности асинхронного двигателя в пусковом режиме при s_н = 1 (см. рис. 1.22,б) При пусковом режиме асинхронного двигателя крутящий момент мотор-колеса М_{к п} существенно меньше, чем в рабочем. Кратность рабочего и пускового моментов при f₁ = 70 Гц и i _в.г = 60 А составляет М_к.раб /М_{к п} = 2,23, а при i_{в г} = 40 А − 2,55.

Улучшить тяговые качества электропривода колес полуприцепа и автопоезда в целом можно форсированием возбуждения синхронного генератора. Так, при f₁ = 70 Гц с увеличением i_{в г} от 60 до 80 А пусковой момент М_{к п} достигает 31000 Н.м, а соотношение рабочего и пускового моментов уменьшается до М_{к ра6}/М_{к п} = 1,21. Получение кратности рабочего и пускового моментов, более близкой к единице, затрудняется ввиду насыщения магнитной цепи синхронного генератора.

При форсировании возбуждения генератора (i_в.г = 80 А) пусковой ток составит I_д.п= 300 А, что превышает на 20% величину тока при отсутствии форсирования возбуждения (i_в.г = 60 А). Кратность пускового тока к длительному при форсировании возбуждения синхронного генератора достигает I_д.раб/I_{д ∞} = 3,14, что является вполне допустимым для двигателя ДК-710А, у которого эта величина может составлять 6,95.

Максимальная величина коэффициента мощности в пусковом режиме при f₁ = 70 Гц и i_в.г = 80 А составляет соs φ _д = 0,735, что превышает величину коэффициента мощности при f₁ = 70 Гц и i_в.г = 60 А на 3%.

Тягово-динамическая характеристика колёс полуприцепа при смешанном приводе определяется оптимальным распределением крутящих моментов между колесами автопоезда в зависимости от условий его эксплуатации. Для этого на электромеханические характеристики М_к.ра6 = φ (i_{в г}) (рис. 1.23) при f₁ = const и соответствующих рабочих скольжениях (s_раб = 0,22 для I передачи коробки передач тягача и s_раб = 0,074 для III передачи) наносят найденные расчётные моменты М_к.р при φ_сц = 0,45.

М_ккГ м

Рис. 1.23. К определению закона регулирования системы электропривода i_вг = φ(f₁)

Из рисунка 1.23 следует, что во всем диапазоне изменения частоты системы как на I, так и на III передачах коробки передач механического привода тягача величина тока возбуждения, при котором обеспечивается расчётный момент М_к.р, практически не изменяется (на I передаче i_в.г = 60-62 А, а на III – i_в.г = 29-32 А). Вспомогательный характер системы электропривода требует получения тяговых характеристик на колесах полуприцепа с помощью простой и надёжной в эксплуатации системы регулирования. В связи с этим ограничились двумя ступенями регулирования тока возбуждения синхронного генератора - на I передаче коробки передач i_в.г = 60 А и на III − i_в.г = 29 А.

На основе эксперимента были построены тяговые характеристики автопоезда F_а = φ(v_a) и полуприцепа F_{к.пр =} φ(v_a) на I и III передачах механического привода тягача(рис. 1.24) при работе дизеля на устойчивой части внешней характеристики.

Рис. 1.24. Гяговые характеристики автопоезда при смешанном приводе

Включение электропривода колёс полуприцепа на I передаче трансмиссии колёс тягача позволяет получить максимальную силу тяги автопоема F_а= 17720 кГ и динамический фактор D_а = 0,45, что на 40% превышает максимальную силу тяги автопоезда (F_а=10500 кГ) при работе одного механического привода колёс тягача.

Выводы по разделу 1.3

1. Экспериментальные электромеханические характеристики мотор-колеса, полученные на универсальном стенде НАМИ при различных постоянных значениях частоты f₁ и тока возбуждения i_в.г позволяют провести анализ рабочего и пускового режимов работы асинхронного двигателя мотор-колеса, а также уточнить тяговые качества автопоезда, оборудованного механическим приводом колёс тягача и электроприводам периодического действия на переменном токе колес полуприцепа, при заданных условиях эксплуатации.

2. Экспериментальные исследования показали, что при работе асинхронного двигателя мотор-колеса со скольжением, превышающим критическое, система электропривода устойчива.

Список литературы к разделу 1.3

1. Буралёв Ю.В. и др. Заявитель НАМИ. Универсальный стенд для испытаний систем электропривода с электромотор-колесами. Авторское свидетельство № 211840 от 6 декабря 1967 г.

2. Буралёв Ю.В. и др. Новые конструкции электромотор-колёс.- М., НИИ-Навтопром, 1967.

З.Эйдинов А.А., Козловский А.Б. Методика испытаний мотор-колёс с асинхронными двигателями на универсальном стенде: Сб. науч. тр. НАМИ.-1970.-Вып. 126.

4. Яковлев А.И., Козловский А.Б., Сафаров Ю.Е. Методика расчёта характеристик электропривода колес полуприцепа двухзвенных автопоездов//Автомоб. промышленность - № 12.- 1969.