Для ЛАТЭД важны исследования, направленные на выявление влияния частоты питающего тока и параметров ЛАТЭД на развиваемую силу тяги, потребляемую мощность и ускорение (рис. 5.5), а также на уточнение методов расчета сопротивлений его эквивалентной схемы замещения. При этом необходимо иметь в виду следующее [23, 24, 68], В токе индуктора из высших гармоник наиболее резко выявлена пятая (ее амплитуда при всех частотах составляет 10-15% амплитуды первой гармоники). Высшие временные гармоники тока индуктора развивают незначительное тяговое усилие, и его величина не превышает 3% общего развиваемого тягового усилия. При частотах питающего тока /<30 Гц реализуется малое тяговое усилие Рх и одновременно этот режим сопровождается значительными нормальными усилиями притяжения; наиболее благоприятные ЧаСТОТЫ Лежат В интервале [1/Рхтах^[1^!1"Рг=0
Рис. 5.4. Зависимости сил сопротивления движению От скорости:
1 — аэродинамической; 2 — электромагнитной для ЭМП; а -электродинамической для ЭДП
Рис. 55. Характеристики ЛАТЭД в диапазоне пуск — итлх:
I. 2 — Р^) соответственно для ЛАТЭД с мощностью 4.5 н 2,5 МВт; 3. 4 — то же для /Чи); 5, 6 — то же для а(о)
Рис. 5.6. Зависимости мощности, силы тяги и ускорения от скорости движения экипажа:
сплошные кривые — режим тяги; штриховые -• режим рекуперативного торможения при токе ЛАТЭД; /і — 1000 A-const, — результирую щие силы, действующие иа экипаж и при этом обеспечивается близкое к наибольшему зндчение энергетического коэффициента. При пуске в диапазоне частот 0,5-250 Гц и зазорах 15-50 мм при двустороннем и одностороннем включении индукторов при частотах до 100 Гц поверхностный эффект практически не приводит к изменению параметров схемы замещения. Однако в результате большого немагнитного зазора в ЛАТЭД его коэффициент рассеяния в 1,6 раза больше, чем у вращающихся асинхронных машин. Увеличение ширины реактивной шины сопровождается снижением ГГ и соэф при одновременном увеличении тока индуктора. Повышение электропроводности вторичного элемента сопровождается уменьшением наибольшего диапазона значений Рх (наиболее резко при высоких скоростях движения и совсем незначительно при низких). Зависимость сое ф (я) в ЛАТЭД в отличие от вращающихся двигателей достигает своего наименьшего значения при отрицательном скольжении. Это значит, что переход из двигательного режима в генераторный происходит при 5=50<0.
Значение яо может быть и положительным, что зависит от скорости движения и параметров ЛАТЭД. Влияние несинусои-дальности питающего тока и напряжения проявляется, прежде всего, в ухудшении энергетических показателей ЛАТЭД примерно на 18%. В ОЛАТЭД с шихтованным обратным магнито-проводом нормальная сила больше, чем в массивном. При его отсутствии сила является отталкивающей и возрастает с увеличением скольжения.
Многие свойства рабочих характеристик ЛАТЭД были рассмотрены в главе 3 на базе рис. 3.3, 3.5, 3.29. При работе на экипаже БЭПС от момента пуска до заданных ограничений его характеристики имеют зависимости, показанные на рис. 5.5, а в режиме тяги и торможения — на рис. 5.6.
Генераторный режим торможения ЛАТЭД возможен либо при независимом возбуждении, т. е. при потреблении намагничивающего тока /ц из сети, либо при самовозбуждении, когда
на экипаже имеется автономный источник тока в том числе и возбуждающая емкость.
С помощью выражений а=^- и 3=^2-
/1я /1н можно убедиться, что рекуперация электроэнергии возможна не во всем диапазоне генераторного торможения [32], а лишь при а=сопэ1 в некоторой зоне, ограниченной значениями Ргр1 и Ргр2, где мощность, генерируемая ЛАТЭД, превосходит мощность его потерь, а избыток ее возвращается в контактную сеть. При Р=р2р1 и р = Ргрг обе мощности становятся взаимно равными и рекуперация электроэнергии не происходит. Когда р< <р2р1 и р>Р2р2, генерируемой мощности становится недостаточно для покрытия потерь ЛАТЭД и они компенсируются мощностью, потребляемой из контактной сети. Зона рекуперации, определяемая параметрами ргр! и р2рг, не является постоянной
Рис. 5.7. Тяговые характеристики (?/, I, Д) и закон изменения тормозного усилия:
а — характеристики, приведенные к двум ОЛАД‘2000; б — закон регулирования иіф(^) и /(у) в режиме служебного торможения; в -то же в режиме экстренного торможения; 1 — генераторный режим; 2 — режим противовключення; 3 — динамический режим
Рис. 58. Магнитные характеристики ЛАТЭД:
1, 2 — и0(^ >5 3-вольт-амперные характеристики ис(1с) возбуждающих емкостей и зависит от а. С уменьшением а мощность, генерируемая ЛАТЭД, снижается и при некотором значении а=а2р она становится равной мощности потерь.
Для ОЛАД-2000 действительный коэффициент а2р = 0,02. Это означает, что при частоте /[ — 0,02 рекуперация невозможна, а тормозное усилие соответствует мощности потерь [32]. Требуемые Гв и базовые Кай, ?Лфб характеристики, приведенные на рис. 5.7, показывают, что рекуперативное торможение позволяет реализовать требуемый закон изменения тормозного усилия ЛАТЭД в широком диапазоне скоростей.
При конденсаторном торможении связь между частотой генерируемых в обмотке индуктора колебаний он и параметрами ЛАТЭД с возбуждающей емкостью Св на его зажимах определяется соотношением
Анализ выражения (5.5) показывает: что при у-й) Св->-бо; что диапазон v конденсаторного торможения ограничен и осуществить таким способом остановочное торможение экипажа невозможно. Емкость Св должна выбираться из условия возбуждения ЛАТЭД при у„, при больших же скоростях емкостный ток необходимо ограничивать. Графики на рис. 5.8 поясняют процесс возбуждения ЛАТЭД и регулирования емкости при торможении и уменьшении скорости экипажа от до v/’, а также позволяют сделать вывод о том, что, подбирая закон регулирования /с=/ц, можно произвести торможение при а = const или Fa = const. Магнитная цепь ЛАТЭД обычно не насыщена, Uo">Uo’ и, следовательно, тормозное усилие в довольно широких пределах. Тормозное усилие ограничивается насыщением магнитов цепи, а также нагревом индуктора ЛАТЭД в связи с увеличением намагничивающего тока /„.
Конденсаторное торможение может быть как рекуперативным, так и реостатным. В последнем случае генерируемая эле ктроэнергия теряется на реостате и торможение возможно при отключенной сети, что позволяет его рассматривать как один из вариантов аварийного торможения. Характеристики конденсаторного торможения аналогичны характеристикам рекуперативного торможения.
Динамическое торможение ЛАТЭД осуществляется при подключении обмотки индуктора к источнику постоянного тока. Сила такого торможения определяется соотношением где
Дг0==2;/пр.0е()та&/а;
Ки К2 — коэффициенты, учитывающие конечные размеры индуктора по длине и ширине.
Механическую характеристику ЛАТЭД в этом случае целесообразно выразить в относительных единицах [41], принимая за базисную величину усилие
1 /2
Лб= у М’ ~~ ЪаЧрхк], (5.6)
где 6’=&вб — расчетный немагнитный зазор; — коэффициент зазора; 2а — расчетная ширина магнитопровода, большая, чем ширина пакета индуктора 2с.
На основе формулы (5.6)
г>,=гу о,(5.7)
где гг, -относительная сила динамического торможения; гг0,- составляющая относительной силы динамического торможения, обусловленная основной волной магнитного поля; г*г*~ составляющая относительной силы от полей продольного краевого эффекта.Тяг* — компонента относительной силы, определяющая силовое воздействие постоянной составляющей поля.
Значения выражения (5.7) при его решении для случаев однослойной и двухслойной обмоток различны.
Анализ зависимостей, описывающих динамическое торможение, показывает, что под влиянием продольного краевого эффекта механическая характеристика ЛАТЭД в режиме динамического торможения отличается от аналогичной зависимости для обычных двигателей. При этом угол ф сдвига стоячей волны первичной токовой нагрузки относительно начала координат влияет на тормозную силу. Она может как увеличиваться, так и уменьшаться (рис. 5.9, а, б). Это объясняется тем, что интенсивность полей продольного краевого эффекта зависит от расположения стоячей волны линейной нагрузки обмотки индуктора по отношению к началу координат. Соответственно и
параметр зависит от угла ф. Чем меньше е = е0п* (где у* — относительная скорость движения реактивной шины; ео = = роУ®/а2-добротность ЛАТЭД в тяговом режиме; у-уг^/б’)> тем ближе по абсолютной величине к я/2 значение угла ф, при котором продольный краевой эффект положительно влияет на />,. Это является следствием зависимости протекания процессов при входе реактивной шины в магнитное поле индуктора от ее параметров [41].
Я
При ф=- + я МДС на конце индуктора максимальна, появление продольного краевого эффекта наибольшее, поэтому величина в этом случае максимальна, а в результате максимально И Гр
Значение угла ф определяется схемой соединения обмоток индуктора при торможении, примеры которых приведены на рис. 5.9, г. Каждой из них соответствуют свои как коэффициент схемы Ксх, равный отношению амплитуд линейных токовых нагрузок обмотки индуктора и максимально нагруженной фазы Ал,ф, так и угол -ф: для схем 1 и 2 Ксх=1,5; ф- соответственно 30 и 270°, для схем 3 и 4 /Ссх= 1,73, а ф- 0 и 60°. На рис. 5.9, а видно значительное влияние указанных схем на механические характеристики ЛАТЭД с однослойной обмоткой индуктора, особенно с уменьшением 2р, поскольку при малом 2р продольный краевой эффект проявляется сильнее. При двуслойной обмотке уже при 2р=10 с этим влиянием можно не считаться, так как характеристики ГдД’У*) слабо зависят от ф (см. рис. 5.9, б).
При выборе схемы торможения необходимо учитывать, что базисная сила по выражению (5.6) пропорциональна квадрату линейной нагрузки Ксх¦ Чем выше Ксх и | ф | ближе к я/2 в принятой схеме, тем больше при одинаковых постоянном токе и относительной скорости тормозная сила (см. рис. 5.9, в).
Следовательно, для ЛАТЭД с двуслойной обмоткой и 2р^6 при любом ф влияние продольного краевого эффекта можно не учитывать, а при однослойной обмотке учет его необходим при ф, близком к я/2. Пренебрегать им допустимо лишь при ф <С30° и 2р^ 10.
Учет поперечного краевого эффекта при определении характеристик ЛАТЭД сказывается так же, как и в двигательном режиме, в том, что зависимости />Д’цв) становятся мягче (см. рис. 5.9, а), чем для бесконечно широкой машины. Их максимумы уменьшаются по абсолютной величине и сдвигаются в сторону больших скоростей у*, тормозные усилия увеличиваются в области больших скоростей и уменьшаются при у* меньше критической.
Из рис. 5.10 видно, что тормозное усилие и замедление (кривые 4 и 5) при динамическом торможении имеют наибольшие
Рис. 5.10. Характеристики ЛАТЭД в тормозных режимах:
1, 2, 3 — противовключення при /=1000 А и ^=10 Гц; 4, 5 — динамическом; 6, 7, Я —
при /1-5. Гц значения в зоне низких скоростей, уменьшаясь в несколько раз при v„. Динамическое торможение можно рассматривать как один из способов аварийного торможения. Оно осуществляется переводом ТПЧ в выпрямительный режим. В этом случае на экипаже должен быть источник постоянного тока (аккумуляторная батарея).
Торможение БЭПС противовключением ЛАТЭД можно осуществить изменением направления перемещения магнитного поля относительно направления движения его индуктора. Достигается это сравнительно просто путем переключения двух фаз ЛАТЭД или автономного инвертора. Последний при частотном управлении позволяет регулировать частоту питающего напряжения и в этом тормозном режиме, что обеспечивает потребное изменение тормозной силы. Такое торможение рекомендуется применять в зоне низких скоростей, где рекуперативное и динамическое торможение малоэффективно. Оно может обеспечить полную остановку экипажа, однако при этом должна быть исключена возможность обратного хода. Это следует из кривых, данных на рис. 5.10.
Одним из способов торможения экипажей БЭПС может быть асимметричное включение обмоток индуктора ЛАТЭД. При этом результирующее усилие будет тормозным, если сумма сил, обусловленных прямым и обратным полями, будет меньше ну ля. При определении выражения этой суммы сил может быть использована зависимость [28]
Из ее анализа следует, что тормозное усилие имеет место в диапазоне скольжений зк = 0-1 только в случае, если ^1. При его уменьшении резко сокращается и область торможения. Например, при ?к=0,6 ЛДТЭД развивает тормозное усилие в диапазоне скольжений 5=0-=-0,2, в силу чего такой способ торможения нельзя считать перспективным для широкого внедрения.
В целом возможность применения ЛАТЭД в качестве электромагнитного тормоза актуальна. Поэтому является важным определение законов регулирования напряжения и тока электроснабжения в зависимости от скорости движения для обеспечения заданного замедления в различных режимах торможения БЭПС.
Для получения законов регулирования тока и напряжения в функции скорости, а также требуемого значения зависимости Рв(и). можно воспользоваться выражением Г511
где /-"„б — тормозное усилие ЛАТЭД базовой характеристики в заданном режиме; /іф.б — фазный ток базовой характеристики; ?/іф — фазное напряжение при электроснабжении обмотки током.
Имея базовые характеристики /•’вб(н), ^Лф.б(ц) и используя зависимости (5.9) и (5.10), можно получить закон регулирования иіф(у) и /іф(і>) для ЛАТЭД при движении экипажа БЭПС с заданным замедлением.
На рис. 5.7 приведены базовые тормозные характеристики ОЛАД-2000, исходные и расчетные данные для которых взяты из табл. 3.1, а параметры Л = 127 кА/м и /іф=1,1 кА определены на основе двумерной теории [30]. В генераторном режиме расчеты тормозных характеристик целесообразно проводить при фиксированных частотах электроснабжения, например при /і = = 10, 15, 25, 50, 100, 150, 180 Гц. На основании полученных характеристик может быть построена базовая тяговая характеристика /’’вб (у) с учетом эффективности и экономичности торможения, т. е. при максимуме КПД и /1фб = сопз1 (см. рис.5.7,а).
Для нахождения базовой характеристики Нфб(у) (рис. 5.7, а) при заданном законе регулирования /г Вб (у)ч=тах могут быть использованы зависимости и (Л ф (/))„=тах. Тре буемые характеристики V 1Ф(у) и /1 (у) в режиме рекуперации для служебного и экстренного торможений приведены на рис. 5.7, б и 5.7, в.
Критерием, определяющим применимость ЛАТЭД в качестве электрического тормоза БЭПС с ЭМП, следует считать тепловое состояние индуктора и реактивной шины. Мощность торможения Рв, развиваемая ЛАТЭД и выделяемая в реактивной шине в виде теплоты, может быть определена на основе уравнения равноускоренного движения БЭПС при допущении, что его торможение производится с заданным а = сопзф и зависимостей для составляющих динамического усилия, действующего на экипаж. Тогда мощность торможения
= Р’в’О = V (Дл — Дад — а тепловые потери в обмотке индуктора
ЬР1 = ±г1ф(—^-V.
3 ф V СЛфЧ соэ 9 /
При представлении индуктора однородным телом, тепловых процессов в тормозных режимах — нестационарными с изменяющейся во времени тепловой нагрузкой зависимость превышения температуры от времени можно записать в виде уравнения [43]
вт = вы + (0<+1 —8«)(1-ехр ), (5.11)
где 0,+1 — среднее превышение температуры при изменении скорости от VI до и,+) и действии средней нагрузки Рж на этом приращении скорости; 0;+1- среднее установившееся превышение температуры при действии нагрузки Р.+ь 0а1 — среднее превышение температуры за время (ж при приращении скорости от Vi- до У1 и действии средней нагрузки в этом интервале скоростей; Тэ — эквивалентная постоянная времени нагрева.
Так как при изменении нагрузки для каждого режима торможения установившееся 0оо. ж пропорционально нагрузке, то будет справедливо условие
Из-за краткости действия нагрузки в реактивной шине процесс ее нагрева можно рассматривать адиабатическим. В этих условиях теплообмена с окружающей средой нет. Вся выделяющаяся энергия идет на нагрев и будет Ар.ш — Рв/Л?р.ш, а время ее выделения М?.т-Ьл.а/и, т. е. определяется длиной ЛАТЭД и скоростью движения экипажа.
Мощность, выделяемая в одном метре длины реактивной шины, ДРрли=Рв/?л.д, а превышение ее температуры где С, рР.ш и Ур.ш — соответственно удельная теплоемкость, плотность материала и объем реактивной шины.
На рис. 5.11, а приведены зависимости мощности тепловыделения в индукторе АР1 и мощности торможения Рв в шине от скорости, а на рис. 5.11, б показано изменение среднего превышения температуры обмотки и скорости индуктора во времени при торможении с различными замедлениями. Эти кривые получены по таким исходным данным: длина экипажа 25 м; площадь поперечного сечения 12 м2; число ЛАТЭД-2; мощность 1250 кВт; ?Лф=1,73 кВ; г1ф=0,0436 Ом; 7.л.д=4,3 м; Г| = 0,6; созф = 0,6; 2ЛРИИ в установившемся режиме 85,9 кВт; среднее установившееся превышение температуры обмотки индуктора в тяговом номинальном режиме 147°С.
Из анализа характеристик (см. рис. 5.7 и рис. 5.11) следует, что для служебного торможения могут быть использованы все три рассмотренных режима торможения. Звеном, ограничивающим применение ЛАТЭД в качестве электрического тормоза, является индуктор. Наибольшее замедление зависит от теплового состояния и класса нагревостойкости изоляции обмотки. Применение ЛАТЭД для аварийного режима с замедлением а=6 м/с2 исключается.
Для режима экстренного торможения с точки зрения токовой нагрузки индуктора, а следовательно, его теплового состояния наиболее предпочтительным является генераторный способ в сочетании с противовключением.
⇐Условия и устройства для получения электромеханических характеристик ЛТЭП с ЛАТЭД | Транспорт с магнитным подвесом | Электромеханические характеристики систем ЛСТЭП в разных режимах⇒