Технический вопрос по эл. двигателям
 

Вопрос состоит в том что я ну ни как не могу понять принцип увеличения мощности тягового двигателя при шунтировании обмотки возбуждения?:confused: Хоть на тепловозе, хоть на электровозе.
Кто поможет допетрить!?

Ну суть физики заключается в том, что при шунтировании обмотки, её магнитное поле ослабевает, а якорю становится легче раскручиваться, то есть насколько я понимаю, увеличивается комутация.
Но может я и не совсем правильно выразился.:confused:

[QUOTE]...а якорю становится легче раскручиваться...[/QUOTE]Чего? :eek:

Ну там взяли наши дюжинные моряки якорь, раскрутили.. :) (Простите не мог удержатся)

Якорь в электродвигателе основная деталь, но "легче раскручиваться" это отжиг =)), вопрос по теме действительно интересный.

Попробуем объяснить так:
В ТЭДах электровозов и тепловозов обмотки якоря и возбуждения включены последовательно, а это значит ток в цепи (на полном возбуждении) будет одинаков. С ростом скорости растёт э.д.с. ,направленная против приложенного к ТЭДу напряжения - общий ток обмоток уменьшается, крутящий момент ТЭДов падает. И вот чтобы расширить динамический диапазон двигателей, параллельно к обмотке возбуждения подключают ("вешают") резисторы ОВ. Как известно при параллельном соединении резисторов ( обмотка тоже сопротивление) общее сопротивление этого участка уменьшается, а значит ток якоря увеличится, практически при неизменившемся токе обмотки возбуждения, крутящий момент двигателя увеличивается.

Или так: поднимаем напряжение на якоре электродвигателя, чтобы проталкивать ток через самоиндукцию (зависит от скорости вращения двигателя, ведь замыкаясь/размыкаясь коллектор создаёт в якорной катушке ни что иное, как переменный ток). Но слишком сильно поднять напряжение не получится, так как есть изоляция и есть искра между щётками и коллектором, которая может разрастись "от щётки до щётки" в обход якоря, с последующим разрушением коллектора.

Не имел дела с машинами постоянного тока, у нас везде были асинхронные переменного, но в теории ИМХО так:

При достижении определенной частоты вращения якоря при максимальном напряжении возникает противоэдс, двигатель теряет крутящий момент на валу, если еще увеличить скорость вращения начнется генераторный режим, применительно к ЖД рекуперативное торможение.

Поскольку напряжение поднимать уже некуда (уперлись в электрическую прочность изоляции), а ехать быстрее очень хочется начинают шунтировать ОВ, это приводит к снижению тока в обмотке и поля соответственно, что смещает точку генераторного режима и при той же скорости вращения и напряжении, на валу снова возникает крутящий момент, мощность двигателя возрастает.

А вот почему она возрастает интересно...

[QUOTE]А вот почему она возрастает интересно...[/QUOTE]потому что катушки якоря создают тем большее реактивное сопротивление, чем больше частота проходящего по цепи тока. А частота равна числу раз замыкания-размыкания каждой из обмоток якоря за одну секунду (т.е. удвоенной частоте якоря)

[QUOTE]начинают шунтировать ОВ, это приводит к снижению тока в обмотке[/QUOTE]суммарный ток через обмотку и шунт наоборот, возрастает. Почему - написано выше.

А причем тут ослабление поля ОВ?

[QUOTE=ПИОНЕР;198644] В ТЭДах электровозов и тепловозов обмотки якоря и возбуждения включены последовательно, а это значит ток в цепи (на полном возбуждении) будет одинаков. Как известно при параллельном соединении резисторов ( обмотка тоже сопротивление) общее сопротивление этого участка уменьшается, а значит ток якоря увеличится, практически при неизменившемся [или уменьшившемся] токе обмотки возбуждения [и появившемся токе через шунт][/QUOTE]__

Вобщем, объясню так. В коллекторном двигателе есть такое понятие, как противоЭДС. Это так сказать, сопротивление якоря. Оно растёт с ослаблением поля якоря, т.к. последний начинает вращаться БЫСТРЕЕ. От чего начинают быстрее переключаться обмотки. От этого поле статора становится сильнее поля якоря, и возрастает противоЭДС, и как следствие активное сопротивление. Ток падает. А вот теперь мы подключили шунт к ОВ. Так вот шунт взял часть тока на себя, поле ослабло. Поле якоря стало сильнее, сопростивление упало, ток возрос. От этого Поднимается мощьность ТЭДа. А тепеь фишка.
Полезная мощьность ТЭД прямопропорциональна току якоря и обратна току статора. Так вот на ослабленном поле у ТЭДа максисальное КПД. Току тратится столько же, а вот полезная мощьность больше. Вот поэтому на шунтах ездить экономней. Проверенно. Но поле бесконечно ослаблять нельзя. Есть определённая кривая ТЭДа. Она зависит от конструкции ТЭД и железа из которого он сделан.

[QUOTE]Поскольку напряжение поднимать уже некуда (уперлись в электрическую прочность изоляции), а ехать быстрее очень хочется начинают шунтировать ОВ[/QUOTE]

Напряжение на ТЭД не совсем падает. Просто от того что ты дал шунта резко увеличился ток и под действием тока и собственых потерь "просела" ВУ.

ЧТо я и сделал на ВЛ80С-985. Кстати на полном поле куда просче вынести движки при номинальном напряжении, чем на ослабленном, даже при небольшом перенапряжении

[QUOTE]Это так сказать, сопротивление якоря. Оно растёт с ослаблением поля якоря, т.к. последний начинает вращаться БЫСТРЕЕ.[/QUOTE]пропущено звено "щётки всё на меньшее время задерживаются у пластин коллектора, и ток за это время всё меньше успевает нарости на катушках якоря". Иначе говоря, аналогия с компрессором, не успевающим полностью заполниться воздухом с ростом частоты.

[QUOTE]...Полезная мощьность ТЭД прямопропорциональна току якоря и обратна току статора...[/QUOTE]Видимо зависимость не жесткая, а зависит опять же от напряжения и скорости вращения якоря иначе только на шунтах бы и ездили, точнее их можно было бы выкинуть вовсе, ибо запитать ОВ пониженным напряжением не проблема.

Да. Упустил главное - возможность эта появляется только после опредёлёной скорости вращения якоря. Вот это важно.
И ещё - когда мы подключаем шунт - то искуственно уменяшаем сопротивление ОВ. А т.к. они (Оя и ОВ) соединины последовательно, то ток увеличивается во всей цепи. И через якорь тоже.

Кхм... Ни одного правильного ответа. В целом есть мысли, но от и до - нифига.
Значит так:
Наш объект исследований - один ТЭД электровоза (последовательно соединенные обмотка якоря (ОЯ) и обмотка возбуждения (ОВ) и, замыкающий цепь, включенный им последовательно источник напряжения (U = const).
Первое. Замыкаем цепь, электровоз стоит - частота вращения вала ТЭД нулевая (n = 0). Через двигатель пошел ток, определяемый только его сопротивлением (Rоя + Rов). У двигателя появился крутящий момент, равный:
M = с1*Iя*Ф;
где Iя - ток якоря (и на данный момент всего двигателя, т.е. и ОВ тоже);
Ф - магнитный поток обмотки возбуждения, который, грубо говоря пропорционален ее току;
с1 - постоянный коэффициент.
Т.е. чем больше токи ОВ и ОЯ, тем ТЭД сильнее тянет.
Второе. Появилась сила тяги (момент), электровоз поехал. И, так как любая электрическая машина обратима, то двигатель "стал" генератором, вернее пытается им стать .
ЭДС, вырабатываемая в ОЯ равна:
Eя = c2*Ф*n;
где n - частота вращения вала ТЭД (ну или скорость электровоза);
с2 - также постоянный коэффициент.
Следовательно напряжение, приложенное к сопротивлению обмоток ТЭД, снижается (ведь появилась генераторная ЭДС, направленная против напряжения, приложенного к двигателю). Ток двигателя начинает падать.
Вместе с ним падает магнитный поток ОВ (он же пропорционален току).
А еще вместе падает сила тяги - это же произведение Ф и Iя.
Наступает такой момент, когда сила тяги сровнялась с сопротивлением движению на данной скорости и ток больше не падает, а скорость не растет.
// Необольшое отступление: рассмотрен безреостатный пуск без перегруппировки. Камни не кидать - текст учебный. ))))
Что же делать?
Чтобы увеличить силу тяги надо увеличить ток ОЯ или Ф.
- Если увеличить Ф, то возрастет и ЭДС (см. вторую формулу) следовательно ток упадет. Плохо.
- Увеличить ток ОЯ сам по себе сложно (там же последовательное соединение ОЯ и ОВ).
А вот если уменьшить Ф? Шунтируем ОВ резистором. Часть тока пойдет через резистор и ток ОВ уменьшится. А вот ток ОЯ напротив увеличиться, ведь общее сопротивление движка стало меньше. Так как ток ОВ уменьшился, то уменьшился Ф.
Посмотрим по второй формуле: уменьшился магнитный поток ОВ, следовательно ЭДС якоря упала. Увеличивается общий ток и ток якоря двигателя. Момент на валу ТЭД начинает также увеличиваться. Увеличивается скорость... и т.д.

Если быть внимательным, то можно заметить, что при уменьшении магнитного потока Ф, которое достигается при шунтировании ОВ резистором (а это и есть ослабледние поля), один множитель формулы момента на валу растет (Iя), а другой уменьшается (Ф). Но из-за нелинейной зависимости Ф от Iов ток якоря растет сильнее, чем уменьшается магнитный поток, и, следовательно, ослабление поля позволяет увеличить силу тяги (и скорость) электровоза без дополнительного увеличения напряжения на ТЭД.

P.S. И еще маленькое замечание: коэффициенты с1 и с2 зависят от параметров тягового двигателя, а также от используемых единиц измерения. Если все мерить в системе СИ (даже частоту вращения в рад/сек), то эти коэффициенты равны между собой и рассчитываются исходя из параметров обмоток двигателя.

Просто и понятно, даже не интересно =)), Aleks, без обид :drinks:

[QUOTE=Zabor;198726]Просто и понятно, даже не интересно =))[/QUOTE]
За просто и понятно спасибо. ;) Стараюсь объяснить так, чтобы те, кто хочет, поняли.
А вот за "даже не интересно" мне полагается обидется. :rofl:

Тут рассмотрен простой случай, когда ОВ и ОЯ запитаны от одного источника напряжения. Но ведь шунтирование ОВ резистором, как ни крути, это потери. Что если подключить ОВ и ОЯ к разным источникам?
На первый взгляд, это как минимум позволит избежать потерь на шунтирующем резисторе. А на второй взгляд, позволяет реализовать ещё несколько интересных моментов вроде рекуперации (или я заблуждаюсь и оно реализуется совсем не так?)
Хотелось бы столь же интересное, понятное описание и таких механизмов тоже. :o

Хочу добавить к сказанному [B]Aleks[/B]'ом. Для лучшего восприятия.

Подключение сопротивления параллельно ОВ ТЭД правильнее называть не ослаблением поля, а увеличением тока якоря.

Замечу, что при одном токе якоря сила тяги ТЭД ниже при ослабленном поле.

Евгению: КПД двигателя в режиме ОВ ниже. Сопротивление в цепи ТЭД - оно что, КПД повышает?

Забору: ТЭД последовательного возбуждения не перейдёт автоматически в режим электрического торможения, если его раскрутить посильнее. Если на валу двигателя нет нагрузки, он пойдёт вразнос, пока не развалится (обычно разрывается бандаж якоря и разваливается его обмотка + круговой огонь).

Аналитику: электрическое торможение и реализуется переключением ТЭДов с последовательного на независимое возбуждение. Беда в том, что получение требуемых характеристик ЭПС при этом требует довольно сложной аппаратуры и, желательно, электронного управления. Это стало возможным у нас не так давно, да и то ещё не совсем получается (пример - ЭС4К).

[QUOTE=Aleks;198711]Второе. Появилась сила тяги (момент), электровоз поехал. И, так как любая электрическая машина обратима, то двигатель "стал" генератором, вернее пытается им стать .
ЭДС, вырабатываемая в ОЯ равна:
Eя = c2*Ф*n;
[/QUOTE]Я бы здесь написал иначе: проводники обмотки якоря начинают двигаться в магнитном поле главных полюсов и в них, по закону электромагнитной индукции, что мы изучали еще в школе, возникает электродвижущая сила, направленная навстречу приложенному напряжению. И далее по тексту :)

[QUOTE] Что если подключить ОВ и ОЯ к разным источникам?[/QUOTE] Это называлось ВЛ12 и было дорого и сложно.

[QUOTE]позволяет реализовать ещё несколько интересных моментов вроде рекуперации (или я заблуждаюсь и оно реализуется совсем не так?)[/QUOTE] Именно так. ОВ запитывается от возбудителя (или ВУВ на переменниках) с измененным относительно тяги направлением тока.

[QUOTE]Подключение сопротивления параллельно ОВ ТЭД правильнее называть не ослаблением поля, а увеличением тока якоря.[/QUOTE] Правильнее как раз-таки "ослабление поля" или "ослабление возбуждения" (старый вариант). ГОСТ такой.

[QUOTE=Analytic;198743]Что если подключить ОВ и ОЯ к разным источникам?[/QUOTE]
Как будем получать напряжение для питания ОВ, применительно к постоянке?
Скажем, у электровоза ВЛ10 (движок ТЛ-2К) сопротивление ОВ одного ТЭД 0,025 Ом. При токе 500 А напряжение всего 12,5 В. На все 8 движков 100 В.
Откуда возьмем постоянное напряжение с такими параметрами?

[QUOTE=Combine;198783]Правильнее как раз-таки "ослабление поля" или "ослабление возбуждения" (старый вариант). ГОСТ такой.[/QUOTE]

Я имел ввиду физический смысл.

Чтобы разогнаться дальше - нужно увеличить силу тяги, для этого нужно увеличить ток якоря, для чего можно зашунтировать ОВ, чтобы снизить ЭДС вращения.

Дык я же не без нагрузки предлагал раскручивать, имелось в виду принудительное раскручивание вала при том же напряжении.

А кстати почему не перейдет в режим генератора?

[QUOTE=Analytic;198743]. Что если подключить ОВ и ОЯ к разным источникам?[/QUOTE]
Получится схема с независимым возбуждением.

В этом случае ослабление поля можно сделать плавным.

[QUOTE=Zabor;198842]Дык я же не без нагрузки предлагал раскручивать, имелось в виду принудительное раскручивание вала при том же напряжении.

А кстати почему не перейдет в режим генератора?[/QUOTE]

Ну вот представьте: частота вращения двигателя постоянного тока

n=(U-IaR)/(CeФ);

где
U - напряжение, приложенное к цепи двигателя;
Ia - ток якоря;
R - суммарное сопротивление цепи якоря двигателя;
Ce - машинная постоянная;
Ф - магнитный поток главных полюсов.

Таким образом, частота вращения обратно пропорциональна току нагрузки. При нагрузке на валу менее примерно 25% от номинальной и номинальном напряжении двигатель идёт вразнос.

Если же мы понизим напряжение и попытаемся подкрутить двигатель от внешнего источника мех. энергии, компенсируя потери на трение, ЭДС вращения будет увеличиваться до тех пор (одновременно ограничивая ток двигателя), пока потребление энергии двигателем не сведётся только к нагреву обмоток Ia^2*R. Частота вращения же может быть какой угодно.

В пределе (R=0) ЭДС вращения сравняется с напряжением питания и всё - тока нет, возбужения нет и взяться ему неоткуда.

Поэтому генератор последовательного возбуждения самостоятельно работать не может, всегда нужно начальное возбуждение. Да и по характеристикам такой никому не нужен.

[QUOTE=Aleks]Шунтируем ОВ резистором. Часть тока пойдет через резистор и ток ОВ уменьшится. [/QUOTE]
Имеется вопрос. ВЛ10 идёт на ПВ с током ТЭДов 300А. На сколько снизится ток обмотки возбуждения при включении позиции ОВ1 (75%)?

[QUOTE=Слесарь;198858]
Поэтому генератор последовательного возбуждения самостоятельно работать не может, всегда нужно начальное возбуждение. [/QUOTE]
Может использоваться остаточный магнитный поток главных полюсов.
На ОПЭ1 был предусмотрен работы ТЭД в режиме реостатного торможения с самовозбуждением при отсутствии напряжения в КС,

[QUOTE=Слесарь;198858]Поэтому генератор последовательного возбуждения самостоятельно работать не может, всегда нужно начальное возбуждение.[/QUOTE]Пример 1: Я устранял неисправность на электровозе, токоприемник опущен, тормоза отпущены, собрана схема тяги. ЧМЭ3 не смог сдвинуть электровоз с места, пока я не отключил линейные контакторы.
Пример 2: В депо пригнали сгоревший электровоз спустя сутки после пожара. Некоторые ТЭД оказались разогреты до температуры свыше 100 градусов. На этих двигателях кабели оказались сварены между собой.
Пример 3: Во время передвижения по деповским путям разобранного электровоза без батарей и основного электрооборудования, в его кабине возникло задымление. При осмотре обнаружен обгоревший провод амперметра ТЭД, лежащий на корпусе.
Пример 4: Во время проследования сплотки из двух электровозов, дежурная по переезду сообщила о сильном искрении под колесом второго локомотива. При осмотре обнаружен "залипший" по неизвестной причине линейный контактор, а на соответствующем колесе - множество ползунов. (Кстати, к вопросу о невозможности наделать ползунов при реостатном торможении).

[QUOTE=ПИОНЕР;198873]Имеется вопрос. ВЛ10 идёт на ПВ с током ТЭДов 300А. На сколько снизится ток обмотки возбуждения при включении позиции ОВ1 (75%)?[/QUOTE]

Ток возбуждения не изменится. Ток якоря увеличится до 400 А.


[QUOTE=Oleg Izmerov]Может использоваться остаточный магнитный поток главных полюсов.[/QUOTE]

Может. Только велико время нарастания тормозной силы. Кроме того, не среверсировались ОВ - и всё, пропало остаточное намагничивание. То есть, при несрабатывании схемы повторный сбор схемы не даст торможения. Не совсем надёжно.

[QUOTE=alexcat;198887]Пример 1:
Пример 2:
Пример 3:
Пример 4: [/QUOTE]

Да-да! Это всё очень верно. Только вот когда не надо...

Для рабочего тормоза в большом диапазоне скоростей такая схема не приемлема.

[QUOTE=Analytic;198743]Что если подключить ОВ и ОЯ к разным источникам?
:o[/QUOTE]

Так это и реализовано на модернизированном электровозе со смешанным возбуждение вл80см

[QUOTE=Pahann4;198891]Так это и реализовано на модернизированном электровозе со смешанным возбуждение вл80см[/QUOTE]Смешанное возбуждение и независимое - разные вещи.

[QUOTE=alexcat;198892]Смешанное возбуждение и независимое - разные вещи.[/QUOTE]

Так на нём как я понял можно ток возбуждения выбирать отдельно. или нет?

[QUOTE=Pahann4;198893]Так на нём как я понял можно ток возбуждения выбирать отдельно. или нет?[/QUOTE]Про ВЛ80см не могу точно сказать, но на ВЛ80С-СВ, также со смешанным возбуждением, имеется возможность подпитки последовательной обмотки возбуждения от отдельного регулируемого источника. Последовательное возбуждение при этом не прекращается.

[QUOTE=Слесарь;198890]Да-да! Это всё очень верно. Только вот когда не надо...[/QUOTE]Пример 5: При испытаниях электровоза после ТР-3 выявлено неправильное подключение одного ТЭД. Электровоз был отправлен в обкатку с отключенным ТЭД (выключен разъединитель ОД). В результате ТЭД сгорел.

[QUOTE=alexcat;198895]Про ВЛ80см не могу точно сказать, но на ВЛ80С-СВ, также со смешанным возбуждением, имеется возможность [/QUOTE]

Ошибся :o , я имел ввиду ВЛ80С-СВ!

[QUOTE=alexcat;198896]Пример 5: [/QUOTE]

(Хватается за голову и страшно кричит) Хватит! Довольно!...:crazy:

Вы хочете примеров? Их тоже есть у меня! Но не будем об этом...:)

:)