ТЭМ переменного тока. Тяговые генераторы переменного тока

ТЭМ переменного тока.

Тяговые генераторы переменного тока. Особенностью расчета тяговых генераторов переменного тока является то, что они имеют два номинальных режима – номинальный режим при максимально допустимом напряжении  и номинальный режим при максимально допустимом токе. В остальном, их расчет аналогичен расчету промышленных генераторов, работающих на преобразовательную установку.

Тяговые электродвигатели переменного тока. Развитие силовой полупроводниковой техники обусловило внедрение на тепловозах асинхронных короткозамкнутых тяговых электродвигателей (АТД). Особенностью использования АТД в условиях тяги является его работа с переменными значениями частоты вращения ротора  и механического момента , которые изменяются в широких пределах. Значения коэффициентов регулирования по скорости АТД и моменту .

Особенностью тяговых электродвигателей переменного тока является то, что они получают питание от инвертора, на выходе которого напряжение значительно отличается от синусоидального. Так как инвертор работает на противо-эдс статорной обмотки двигателя, имеющую синусоидальную форму, то ток в фазе определяется разницей между приложенным ступенчатым напряжением и синусоидальной противо-эдс.

На практике расчет параметров АТД выполняется для номинального режима ( который соответствует пороговой скорости тепловоза) в предположении, что двигатель работает от синусоидального источника напряжения. В дальнейшем, при расчете характеристик двигателя учитывается, что напряжение на его входе имеет сложный гармонический состав, который определяется типом инвертора и характеристиками самого АТД.

Исходными данными для расчета АТД являются механическая мощность , номинальное значение линейного напряжения на входе , максимальная  и расчетная   скорости тепловоза.

Расчет основных параметров режимов работы  сводится к определению ориентировочных значений  электрических и механических нагрузок двигателя, по которым выбираются его конструктивные параметры. Для выполнения расчетов на основании характеристик двигателя-прототипа предварительно принимаются  значения коэффициента полезного действия  и коэффициента мощности . С учетом принятых значений полная расчетная мощность на входе в двигатель

.

Предварительное значение основной гармонической тока статора, с учетом того, что АТД имеют статорную обмотку, фазы которой соединены по схеме «звезда»

.

Значение номинальной частоты питающего напряжения определяется исходя из характеристик тиристоров, которые обеспечивают устойчивую коммутацию при частоте  не более 150Гц., и допустимой частоты вращения ротора АТД, которая  по механической прочности подшипников не должна превышать . Вследствие того, что габарит и масса электродвигателя определяются отношением  , желательно, возможный скоростной диапазон двигателя использовать полностью, т.е. обеспечить работу двигателя с возможно большей частотой вращения ротора. Этому условию соответствует работа двигателя с  при , а частота вращения ротора при номинальном режиме работы  выразится соотношением:

  .

Из соотношения  можно определить требуемое значение передаточного отношения тягового редуктора.  .

Если по условиям изготовления тягового редуктора не удается реализовать значение , то следует откорректировать значение   с учетом того, что число зубьев малой шестерни не можем быть меньше , а зубчатое колес должен вписываться в габарит тягового редуктора.

Таким образом, окончательно 

Частота вращения поля при номинальном режиме  работы

 ,

где  - номинальное скольжение ротора. Опыт проектирования показывает, что для АТД оптимальные значения скольжения (при которых удается получить наибольшее значение механического момента) составляют . Причем на всех других режимах работы АТД при оптимальном управлении им в электрической передаче тепловоза . Соответственно, частота вращения поля АТД при : .

Частота питающего напряжения на номинальном режиме работы

,

где  - число пар полюсов. Как правило,  или . Значение  принимается из условия, чтобы при максимальной частоте вращения ротора частота питающего напряжения не превышала 150 Гц: .

Расчет параметров статора. Параметры статора определяются возможностью размещения активной части машины в заданных габаритах.

Максимально возможный внутренний диаметр статора определяется размером централи  (расстоянием от оси АТД до оси колесной пары тепловоза):  , где  - наружный диаметр моторно-осевых подшипников АТД;  - толщина остова в местах расположения вкладышей. Окончательно принимают ; опыт проектирования показывает, что в этот габарит можно вписать АТД мощностью до . Внешний диаметр активной части статора  принимают  меньше, чем полученное значение : .

Для уменьшения тока намагничивания двигателя и повышения тем самым коэффициента мощности воздушный зазор делают .

Параметры обмотки определяются электрической и магнитной нагрузкой статора.

Ток фазы  статора связан с линейной нагрузкой: , где  - число фаз обмотки статора; - число витков на фазу; - внутренний диаметр статора. Значение  определяется рекомендуемыми значениями индукции в ярме статора (аналогично ТЭД). Для тепловозов с диаметром колеса 1050 мм . Поскольку значения величин   и  заданы, то после определения  определено произведение  , которое позволяет выбрать тип обмотки. Для тепловозных АТД  применяется симметричная комбинированная обмотка (рис. 17); в этом случае число пазов статора на полюс и фазу   должно быть целым, а полное число пазов статора определится как . На тяговых электродвигателях применяются только шаблонные двухслойные обмотки, что позволяет лучше использовать объем паза и повысить эффективность теплоотвода от проводников.

Число последовательных витков в фазе обмотки статора , где   - число эффективных проводников в пазу, - число параллельных ветвей обмотки статора; при двухслойной комбинированной обмотке  . Опыт проектирования АТД показывает, что для создания требуемого значения магнитного потока в ограниченных габаритах  , поэтому значение  позволяет выполнять обмотку с .

Шаги по пазам обмотки выбирают таким образом, чтобы ее относительный шаг , где  , - первый частичный шаг. При таком значении  в кривой э.д.с. отсутствуют кратные 3-ей пространственные гармонические и содержится наименьшее число гармонических 5 и 7-го порядков,. Вследствие того, что  в значении обмоточного коэффициента для основной гармонической э.д.с. должно учитываться укорочение  шага обмотки. Поэтому обмоточный коэффициент статорной обмотки , где  - коэффициент укорочения шага обмотки;  - коэффициент распределения основной гармонической э.д.с. обмотки статора.

Сечение проводника  выбирают таким, чтобы плотность тока в обмотке не превышала допустимого значения  .

Геометрия паза формируется  исходя из условий, что ширина зубца  (*) (рис. 19), индукция в зубце с учетом насыщения магнитной цепи не должна превышать допустимого значения (**),  а высота элементарного проводника катушки (рис. 19); при большей высоте проводника добавочные потери от высших гармонических составляющих тока достигают больших значений, уменьшая кпд АТД.