Работа тягового электрического двигателя - Курсовая работа

2.2 Рассчитаем ЭДС, индуктированную в обмотке якоря при номинальном режиме используя выражение 2.3 Определим магнитный поток ТЭД при номинальном режиме используя выражение2.3 Определим магнитный поток ТЭД при номинальном режиме используя выражение Для выполнения данной контрольной работы кривую намагничивания зададим в виде зависимости магнитного потока двигателя от тока возбуждения, выраженной относительно номинальных значений ІВН и ФВН (табл.2) Зависимость магнитного потока от тока возбуждения приведена в графической части на рис.5. 2.5 Из выражения (2) получим расчетную формулу для определения частоты вращения в зависимости от тока якоря n = U - I•?rg / Cn•Ф n1 = 950 - 251.96•0.038/11.6•0.034= 2384 (об/мин); Зависимость частоты вращения от тока якоря приведена в графической части на рис.6.В данном курсовом проекте я рассчитал и проанализировал основные характеристики, определяющие работу тягового электрического двигателя в режиме тяги.

Содержание

Задание

1. Введение

2. Расчетная часть

В данном курсовом проекте я рассчитал и проанализировал основные характеристики, определяющие работу тягового электрического двигателя в режиме тяги.

Номинальный ток ТЭД _________________________________1007,84 А Магнитный поток ТЭД__________________________________0.068 Вб

Конструктивная постоянная СМ___________________________110,83

Конструктивная постоянная CF___________________________414,95

Максимально допустимая сила тяги шестиосного электровоза по

Условиям сцепления____________________________________455,4 КН.

Задание

Целью данной работы является расчет и анализ основных характеристик, определяющих работу тягового двигателя (ТЭД) в режиме тяги.

При использовании расчетных формул необходимо уяснить, как они были получены на основании трех фундаментальных законов физики и какие существуют функциональные зависимости между частотой вращения якоря и скоростью электровоза, вращающим моментом ТЭД и силой тяги на ободе ведущей колесной пары. Особое внимание необходимо обратить на взаимосвязь тока якоря и частоты его вращения.

Исходные данные: ДК=1,25 м - диаметр колес колесной пары;

К=6 - число осей электровоза;

?ДН =0,94 - номинальный коэффициент полезного действия (КПД);

РДН=900 КВТ - номинальная мощность;

UДН=950 В - номинальное напряжение;

NДН=1150 об/мин - номинальная частота вращения;

2р=6 - число полюсов двигателя;

2а=6 - число параллельных ветвей в обмотке якоря;

N=696 - проводников обмотки якоря;

?=2,64 - передаточное число зубчатой передачи.

1. Введение

Сила тяги, необходимая для движения поезда, при электрическом приводе формируется ТЭД в результате преобразования электрической энергии в механическую.

Для уяснения принципа действия электрической машины рассмотрим рис.1. Здесь показаны два полюса электромагнита, создающего магнитное поле. В магнитном поле помещен проводник длиной l (сечение которого изображено кружком), подключенный к внешнему источнику электрической энергии с напряжением U. Под действием подведенного напряжения по проводнику протекает ток i (направление тока показано стрелкой так, что виден конец стрелки). Физические процессы в данной системе определяются тремя фундаментальными законами физики.

а) б)

Рис.1. Электромагнит с помещенным в него проводником. а) Магнитное поле полюсов при отсутствии тока;

б) Возникновение электромагнитной силы.

Основная часть.

Как я уже упомянул, физические процессы в данной системе (рис.1) определяются тремя фундаментальными законами физики.

Между электронами, проходящими по проводнику, и магнитным полем возникают электромагнитные силы, которые, складываясь образуют результирующую силу FЭ, стремящуюся вытолкнуть проводник из магнитного поля. Электромагнитная сила FЭ определяется законом Ампера - на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля действует сила, равная произведению силы тока i, индукции магнитного поля В и длины проводника l: FЭ =i B l

Направление силы можно определить по правилу левой руки или как результат взаимодействия двух магнитных полей. На рис.1 (а) показано магнитное поле полюсов при отсутствии тока в проводнике. Как известно вокруг проводника с током возникает свое собственное круговое магнитное поле, направление которого определяется по правилу буравчика. При этом справа от проводника, где силовые линии поля проводника совпадают с силовыми линиями внешнего магнитного поля, происходит сгущение силовых линий, слева от проводника, где силовые линии поля проводника направлены навстречу линиям внешнего поля, происходит разрежение силовых линий. Магнитные силовые линии обладают свойством упругости, напоминающим свойства резиновых нитей. Стремясь сократиться по длине, они будут выталкивать проводник из области сгущения силовых линий в сторону их разрежения, т.е. справа на лево, рис.1 (б). В результате возникает электромагнитная сила FЭ.

Если поместить в магнитное поле не проводник, а виток с током и расположить его вертикально (рис.2 (а)), то применяя правило левой руки к верхней и нижней сторонам витка, получим, что электромагнитные силы FЭ, действующие на них, будут направлены в разные стороны. В результате действия этих двух сил возникает электромагнитный вращающий момент МЭ, который вызывает поворот витка, в данном случае по часовой стрелке.

МЭ= FЭ Д cos ? где ? - угол между направлением внешнего поля и плоскостью витка;

Д - расстояние между сторонами витка.

Виток будет поворачиваться в магнитном поле до тех пор, пока он не займет положение, перпендикулярное магнитным силовым линиям поля (?=90°). При таком положении через виток будет проходить наибольший магнитный поток. Следовательно, виток или катушка с током, внесенные во внешнее магнитное поле, всегда стремятся занять такое положение, чтобы через виток проходил максимальный магнитный поток. Свойство катушки с током поворачиваться в магнитном поле и послужило основанием для создания электродвигателя. Когда проводник под действием внешней силы (у генератора) или под действием электромагнитной силы (у двигателя) начинает перемещаться в магнитном поле в нем индуцируется ЭДС. Это явление называется электромагнитной индукцией. Индуктирование ЭДС в проводнике происходит независимо от того, включен ли он в какую-либо цепь или нет. Значение индуктируемой ЭДС определяется законом электромагнитной индукции Фарадея. Он формулируется следующим образом - индуктируемая ЭДС пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника l и скорости его перемещения и скорости его перемещения v в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля. e=B l v

Если проводник движется под углом ? к направлению поля, то e=B l v sin ?

При вращении витка в магнитном поле (рис.2) с постоянной скоростью v в нем будет индуктироваться переменная ЭДС. Максимум ЭДС будет соответствовать положению (а). ЭДС будет равна нулю в положении (б), когда проводник перемещается вдоль силовых линий, т.е. как бы скользит по ним. а) б)

Рис.2. Рамка в магнитном поле.

Направление ЭДС определяется правилом правой руки. По этому правилу видно, что при изменении направления движения проводника будет изменяться и направление индуктируемой ЭДС.

Из закона сохранения энергии следует, что когда проводник перемещается под действием электромагнитной силы, то это соответствует отдаче проводником механической энергии. Это возможно только в том случае, если к проводнику будет подводиться электрическая энергия. Индуктируемая при этом в проводнике ЭДС должна быть направлена против приложенного напряжения и, следовательно, против тока, который протекает под действием напряжения. Таким образом, индуктируемая в проводнике ЭДС (при двигательном режиме), направлена против тока и препятствует его прохождению по проводнику.

Зависимость между напряжением и током определяется законом Ома для участка цепи, содержащего резисторы и источник ЭДС. Для этого случая он формулируется так - алгебралическая сумма ЭДС, действующих на рассматриваемом участке цепи, равна сумме падений напряжений на резисторах.

U - e=I R

Зависимость между напряжением и током определяется законом Ома для участка цепи, содержащего резисторы и источник ЭДС. Для этого случая он формулируется так - алгебралическая сумма ЭДС, действующих на рассматриваемом участке цепи, равна сумме падений напряжений на резисторах.

U - e=I R

Законы Ампера, Фарадея и Ома рассматривались применительно к отдельному проводнику, находящемуся в магнитном поле. При реализации рассмотренных законов для практических целей, т.е. при разработке конструкции электрической машины поступают следующим образом: Для получения достаточно большого магнитного поля создают магнитную цепь, т.е. совокупность тел, служащих для сосредоточения магнитного поля в определенной части пространства. Магнитная цепь является одним из основных элементов устройств всякой электрической машины. Заметим, что наличие магнитной цепи является необходимым, но не достаточным условием наличия магнитного поля, которое характеризуется индукцией В (числом силовых линий на единицу площади) и магнитным потоком Ф (общим числом силовых линий под наконечником полюса). Обязательным условием появления магнитного поля является прохождение тока по специальным катушкам (катушкам возбуждения), находящимся на сердечнике полюса. Магнитная цепь может быть разветвленной. На рис.3 показана магнитная цепь четырехполюсного ТЭД, т.е. такого двигателя, у которого два северных полюса, два южных и четыре одинаковых катушки возбуждения. В данном случае у четырехполюсной машины число пар полюсов р равно двум: р=2.

Рис.3 Магнитная цепь электродвигателя.

Магнитный поток ФП, возбуждаемый, скажем катушкой W1, проходит сердечник полюса, и воздушный зазор входит в зубы якоря и здесь разветвляется на две равные части ФП/2. Каждая из этих составляющих потока показана на рис.3 одной (средней)

Силовой линией. Равномерное деление потока обеспечивается за счет строгой симметрии геометрических размеров участков для каждой силовой линии.

Далее каждая составляющая потока проходит по ярму якоря, через зубы якоря, находящиеся под полюсом S1 (или S2), и через воздушный зазор попадает в сердечник полюса S1 (S2), на котором расположена катушка W1 (W4), и через станину попадают в начало рассматриваемого пути. Магнитная цепь всегда замкнута - это важнейшее свойство магнитных силовых линий. Таким образом, в поведении магнитного потока участвуют одновременно катушки возбуждения двух соседних полюсов разной полярности.

Для установления зависимости (характеристики намагничивания) между магнитным потоком полюса ФП и током, протекающем по катушке возбуждения ІВ, нужно выполнить сложный расчет. Обращаем внимание на недопустимость предположения о том, что между потоком и током существует прямопропорциональная зависимость.

Реализовать большой вращающий момент, как это следует из формул, можно, только имея проводник большой длины, который должен иметь возможность вращаться в магнитном поле. Конструктивно эту задачу решают следующим образом: Из отдельных листов электротехнической стали, имеющих зубчатую форму, собирают сердечник, который помещают между полюсами с минимальными воздушными зазорами (около 5 мм), Сердечник насажен на вал, закрепленный в подшипниках. На сердечнике должен быть размещен проводник. Т.к. длина сердечника по габаритным соображениям ограничивается 400-420 мм, то конструктивно проводник l выполняется в виде набора отдельных проводников, соединенных по определенной схеме. Вся совокупность проводников, расположенных в пазах сердечника якоря, называется обмоткой, характеризующейся числом проводников - N и схемой их соединения между собой - 2а. Величина 2а - число параллельных ветвей обмотки. Характерной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора. С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней электрической цепью. Назначение коллектора состоит в изменении направления тока в проводнике при его перемещении от полюса одной полярности к полюсу другой полярности. Такой переход должен сопровождаться изменением направления тока в проводниках, чтобы электромагнитный момент действовал все время в одном и том же направлении (имея один и тот же знак).

Принцип подключения обмотки якоря к пластинам коллектора показан на рис.4 (а).

К каждой пластине коллектора подсоединяется конец предыдущего и начало следующего витка. В результате получаем замкнутую обмотку, состоящую из N совершенно одинаковых проводников. Однако если измерить ЭДС индуктированную в проводнике по закону Фарадея, то она окажется различной как по величине, так и по направлению. В проводниках, перемещающихся под северными полюсами, ЭДС для этого случая на рис.4 (а) показано против часовой стрелки). Проводники, расположенные под южным полюсом пересекают магнитные силовые линии, направленные относительно проводника в обратном направлении (рис.3), поэтому в них индуктируется ЭДС Е2 и Е1 другого направления - на рис.4 (а) они показаны по часовой стрелке.

Рис.4 Соединение обмоток якоря между собой.

На геометрической нейтрали, т.е. на линии, проведенной по середине между полюсами различной полярности, проводник не пересекает силовых линий и индуктированная в нем ЭДС равна нулю. Если теперь на коллекторные пластины, связанные с проводниками, пересекающими геометрическую нейтраль, поставить щетки, соединить их через одну между собой в 2 группы и подвести к ним постоянное напряжение, то: вся вращающаяся обмотка якоря окажется разбитой на параллельные ветви с током, неподвижным в пространстве. Число параллельных ветвей 2а будет равно числу главных полюсов 2р (рис.4 (б));

замыкание щеткой двух соседних коллекторных пластин, и следовательно, замыкание накоротко связанного с ним проводника не сопровождается появлением тока короткого замыкания, т.к. в проводнике не индуктируется ЭДС. при дальнейшем движении коллектора произойдет размыкание коллекторных пластин и проводник окажется включенным в ветвь обмотки, расположенной под полюсом другой полярности. Ток и индуктированная ЭДС изменят направление (рис.4).

В заключении заметим, что показанная на рис.4 (а) конструкция обмотки хорошо иллюстрирует принцип соединения проводников между собой и их подсоединение к коллектору, но имеет ряд конструктивных недостатков. В современных машинах применяются якоря барабанного типа, в которых обмотка выполняется в виде витков, объединенных в секцию (у ТЭД секция состоит из одного витка). Совокупность деталей - сердечника, обмотки, коллектора и вала называется якорем электрической машины.1. Зарохович А.Е., Крылов С.С. "Основы электротехники для локомотивных бригад". М.: Транспорт, 2010.

2. Уздин М.М., Ефименко Ю.И. и др. "Железные дороги. Общий курс". СПБ.: Информационный центр "Выбор", 2009.

Размещено на