У чому особливостіперегрупування двигунівшунтуванням резисторами?

6 УПРАВЛІННЯ ЗБУДЖЕННЯМ ТЯГОВИХ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ

Процес пуску рухомого складу міського електричного транспорту можна розділити на дві стадії: першу, при якій виводяться пускові опори, і другу, коли змінюється величина збудження тягового електродвигуна. Рухомий склад міського електричного транспорту працює в режимах частих пусків і зупинок. Величина втрат у пускових реостатах залежить від величини пускового струму, прискорення і швидкості виходу на природну автоматичну характеристику. Ця швидкість, за інших рівних умов, обернено пропорційна магнітному потоку двигунів. Тому на рухомому складі міського електричного транспорту знайшли застосування тягові електродвигуни із широким діапазоном регулювання швидкості шляхом зміни магнітного потоку. Це забезпечує значне зменшення втрат електроенергії в пускових реостатах і розширює область економічного регулювання швидкості зміною збудження. Вони виконуються з малим насиченням магнітного ланцюга при номінальному режимі і з великим повітряним зазором. При однаковій силі тяги в області високих швидкостей і ослабленому полі вони дозволяють одержати більш низько розташовану швидкісну характеристику при повному полі. Режим повного поля ТЕД звичайно короткочасний, тому обмотка збудження в цьому режимі може бути розрахована на роботу з перевантаженням. За номінальний режим, при якому обмотка збудження може бути розрахована на тривалий струм, може бути прийнято ослаблення поля, наприклад, на 50 %. У двигунах змішаного збудження при повному полі створюється перевантаження обмотки паралельного збудження. Регулювання швидкості при ослабленні поля можна виконувати одним з наступних способів:

- відключенням частини витків обмотки послідовного збудження;

- паралельним приєднанням до обмотки послідовного збудження шунтуючих резисторів;

- регулюванням величини струму в обмотці паралельного збудження (у ТЕД змішаного збудження);

- комбінацією перших двох способів;

- регулюванням збудження за допомогою спеціального збуджувача;

- імпульсним регулюванням збудження (при використанні тиристорних або транзисторних перетворювачів).

Оскільки величина поля визначається величиною намагнічуючої сили ТЕД, ступінь ослаблення поля можна оцінити коефіцієнтом регулювання

, (6.1)

де - намагнічуючі сили на ослабленому і повному полі.

Коефіцієнт звичайно менше одиниці і може вимірюватися як у відсотках, так і у відносних одиницях. Відношення намагнічуючих сил дорівнює відношенню магнітних потоків на прямолінійній ділянці характеристики намагнічування. На насиченій частині кривої за умовами однакової зміні намагнічуючих сил , магнітний потік змінюється менше, тоді

. (6.2)

При регулюванні поля відключенням частини витків головного полюса коефіцієнт регулювання збудження

, (6.3)

де - число витків, що залишилося після відключення;

- повне число витків обмотки збудження.

а)

б)

Рис. 6.1 - Схеми ослаблення поля відключенням частини витків

обмотки збудження

Секція обмотки збудження, що виключається, повинна бути від’єднана від ланцюга, інакше вона виявиться замкнутою закоротко і при різких змінах струму ТЕД у ній буде наводитися електрорухома сила взаємоіндукції, як у вторинній обмотці трансформатора. Оскільки закорочена, в ній виникають струм і намагнічуюча сила, яка буде спрямована зустрічно потоку збудження обмотки, що залишилася. У результаті буде затримуватися процес зміни магнітного потоку і при різких коливаннях напруги в контактній мережі може бути порушені нормальна комутація і виникнути коловий вогонь на колекторі тягового електродвигуна.

Спосіб регулювання швидкості відключенням частини витків обмотки збудження застосовують звичайно при відносно неглибокому ослабленні поля, коли ослаблення виконується однією ступенню (рис. 6.1а.).

При багатодвигунних схемах (рис. 6.1б) можна зменшити процес коливання сили тяги, якщо виконувати відключення обмоток по черзі. При цьому якщо двигуни з'єднані послідовно - буде значна різниця в напругах якорів, а якщо паралельно, то виникає різниця струмових навантажень. На рис. 6.1б показаний двоступінчастий перехід. При цьому на початку включається контактор 2 і відключається контактор 1, виводячи частину витків обмотки двигуна першого , а потім включається контактор 3 і відключається контактор 2, виводячи частину витків другого двигуна . Тут перша ступінь ослаблення поля використовується як перехідна.

Виконуючи певним чином переключення в обмотці збудження і підбираючи певне число витків у секціях, можна досягти регулювання ослаблення поля в досить широкому діапазоні (рис. 6.2).

Рис. 6.2 - Схема ослаблення збудження переключенням обмоток

При числі витків першої секції в два рази більше числа витків другої секції схема дозволяє послабити поле до 33 % третьої ступені. На першій ступені ослаблення поля відключається друга секція: контактор 2 включений, а контактор 1 – відключений, при цьому . На другій ступіні ослаблення поля обмотки включені паралельно з контакторами 2 і 3 , при цьому: . На третій ступені відключається контактором 2 перша секція обмотки і виходить .

При використанні шунтуючих резисторів залишається незмінним число витків, а змінюється струм обмотки збудження, тому

, (6.4)

де - відповідно струм збудження і струм якоря тягового

електродвигуна.

Величину коефіцієнта регулювання збудження можна також визначити за співвідношенням опорів обмотки збудження і ланцюга шунта :

; (6.5)

. (6.6)

Таким чином маємо

(6.7)

або

(6.8)

З рівняння (6.8) видно, що можна одержати будь-яку величину ослаблення поля. Звичайне ослаблення поля здійснюють ступінчастою зміною опору . На рис.6.3 показана одна ступінь ослаблення поля.

Рис. 6.3 - Схема ослаблення збудження з використанням активного опору

За допомогою додаткових контакторів можна одержати практично будь-яке число ступенів ослаблення поля.

Вказані способи регулювання збудження мають такі недоліки:

- при регулюванні поля з використанням переключення обмоток тягового електродвигуна необхідно мати додаткові виводи від обмоток збудження, що приводить до деякого збільшення радіальних розмірів, ваги й ускладненню конструкції тягового електродвигуна. Але при використанні секціонування обмоток виходять більш стабільні швидкісні й тягові характеристики ТЕД, тому що на ступінь ослаблення поля практично не впливає температура обмоток збудження;

- при регулюванні поля з використанням активних опорів крім резисторів і контакторів потрібні додаткові апарати - індуктивні шунти. Але при використанні шунтуючих резисторів на відхилення характеристик від розрахункових впливає температура обмоток, опір контактів і проводів у силовому ланцюзі, а також допуски на шунтуючі опори.

Система регулювання збудження з використанням спеціального збудника подана на рис. 6.4.

Рис. 6.4 - Регулювання збудження з використанням збуджувача

Принцип дії такого способу полягає в тому, що паралельно обмотці збудження С1-С2 через додатковий резистор R підключається спеціальний збуджувач В. Змінюючи збудження збуджувача, можна змінювати струм збудження двигуна. Такий збуджувач може бути як електромагнітний, так і напівпровідниковий. Ця схема знайшла застосування при необхідності зміни збудження двигунів послідовного збудження в режимі рекуперації. Резистор R необхідний, щоб від одного збуджувача можна було здійснювати живлення декількох обмоток збудження паралельно включених тягових електродвигунів.

При імпульсному регулюванні збудження паралельно обмотці збудження підключають імпульсний електронний регулятор, що діє як шунтующий опір. Завдяки своїй швидкій дії імпульсний регулятор дозволяє зберегти чіткий розподіл струму якоря між обмоткою збудження і регуляторів перехідних режимів, що важливо для доброї комутації ТЕД.

Спосіб регулювання магнітного потоку для тягових електродвигунів змішаного збудження залежить від його виконання. При перевазі намагнічувальної сили паралельної обмотки збудження ослаблення поля здійснюється зменшенням струму в ній шляхом введення в її ланцюг опору.

При переважанні намагнічувальної сили послідовної обмотки збудження звичайно перша ступінь ослаблення поля виконується відключенням шунтової обмотки, а наступні ступені - шляхом шунтування серієсної обмотки активним опором (тролейбус ЗіУ-9).

6.1 Процеси, що відбуваються в ТЕД при шунтуванні обмотки збудження активним опором

Розглянемо роботу електродвигуна в момент підключення активного опора паралельно обмотці збудження ТЕД при таких допущеннях: момент опору на валу двигуна має постійне значення; напруга живлення двигуна є незмінною; коефіцієнт регулювання збудження складає 50%. Ці умови можно записати у скороченому вигляді наступним чином . Як тільки обмотка збудження буде зашунтована активним опором, частина струму відгалужуватися в опір, струм якоря при цьому буде дорівнюватиме

. (6.9)

Зменшення обумовлене зменшенням магнітного потоку, що при приводить до зменшення електрорухомої сили , тоді струм якоря зростає до величини

. (6.10)

Збільшення струму якоря відбувається за рахунок зниження Е і зменшення активного опору ТЕД. Збільшення струму якоря приводить до збільшення струмів і , а збільшення викликає деяке збільшення магнітного потоку.

Рівняння електрорухомої сили до і після ослаблення поля мають вигляд:

; (6.11)

. (6.12)

При незмінній напрузі можна дорівняти праві сторони рівнянь:

. (6.13)

З цього виразу визначимо :

. (6.14)

Падіння напруги на активному опорі якоря для ТЕД при номінальному режимі складає 0,025U, а .

Тому

. (6.14а)

Знайдемо величину падіння напруги на обмотці якоря через значення ЕРС двигуна з урахуванням виразу (6.14а):

. (6.15)

Вираз (6.14) набуває вигляд:

. (6.16)

При незмінній частоті обертання маємо

. (6.17)

Зі сказаного випливає, що наприкінці електромагнітного процесу (при ) при переході від повного поля, коли , і зменшенні його до струм якоря збільшується в два рази, а магнітний потік залишається майже незмінним (у даному разі магнітний потік зменшився на 3 %).

Цей процес відбувається швидкоплинно при підключенні шунтующого опору до обмотки збудження. На рис.6.5 графічно представлено зміну параметрів ТЕД при підключенні активного опора паралельно послідовній обмотці збудження двигуна.

Рис. 6.5 - Зміна параметрів тягового електродвигуна при ослабленні поля

У момент часу t₁ відбулося підключення резистора до обмотки збудження тягового електродвигуна. У результаті цього магнітний потік зменшився на 3 % з до , струм якоря значно зріс з до і так само значно зріс електромагнітний момент ТЕД з до . Під впливом надлишкового моменту (заштрихована область) швидкість обертання якоря тягового електродвигуна зростає. Це приводить, у свою чергу, до зростання електрорухомої сили і зменшення струму якоря , а, як наслідок, і струму збудження, що викликає зменшення магнітного потоку . Поки є надлишковий електромагнітний момент, відбувається зміна вищезгаданих параметрів. У момент t₂ , коли - режим стабілізується і двигун починає працювати при моменті опору з наступними параметрами, які мають такі співвідношення , , і .