Составляющие алектромагиитиого момента в асинхронном тяговом двигателе

В АТД могут иметь место следующие составляющие электромагнитного момента при установившемся режиме: основной постоянный момент от первых гармоник тока и магнитного потока, постоянные моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка, постоянные моменты от высших пространственных гармоник поля, переменные моменты от высших временных гармоник тока и первой гармоники потока.

Следует оценить их применительно к короткозамкнутому асинхронному тяговому двигателю.

Момент от первых гармоник тока и потока. Эго основной электромагнитный момент, передаваемый на вал двигателя за вычетом небольшой доли момента, уравновешивающего момент от сил трения в машине. Основной момент определяется по выражению (7.8).

Моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка. Токи высших гармоник обмотки статора создают магнитные потоки гармоник тех же номеров и соответствующие нм токи в обмотке ротора. От взаимодействия токов и потоков гармоник одинаковых номеров возникают постоянные моменты, которые могут действовать согласно либо встречно по отношению к основному моменту. Моменты от токов и потоков 5-й и 11-й гармоник направлены против основного момента; моменты от 7-й и 12-й гармоник токов и потоков действуют согласно с основным моментом. Моменты этой группы

1

М_у = -- рт_г и>! ки> Фу I'tyCos у_2у. (7.10)

V 2

Следует отметить, что эти моменты невелики, а суммарный их эффект в сопоставлении с основным моментом незначителен и ими можно пренебречь.

Небольшие значения этих моментов объясняются следующим образом. Потоки Ф_у невелики даже при значительных гармониках тока в обмотке статора 1\_у из-за сильного демпфирующего действия коротко-замкнутой обмотки ротора. Значение cos фгу также невелико из-за повышенных индуктивных сопротивлений токам высших гармоник.

Кроме того, половина моментов действует встречно оставшейся половине моментов от высших гармоник.

Моменты от высших пространственных гармоник поля. Эта группа моментов имеет место у асинхронных двигателей при питании их и синусоидальным током. Из-за зубчатости статора и ротора в зазоре возникают высшие пространственные гармоники поля. Наиболее существенная нз них-зубцовая гармоника, обусловленная открытыми пазами статора. При прямом пуске асинхронного двигателя (без регулирования частоты) на неустойчивой части характеристики момента могут иметь место значительные провалы, связанные именно с этими моментами. Моменты от пространственных гармоник поля достаточно хорошо изучены [10, 541 и рядом мер, прежде всего выбором числа пазов статора и ротора, скосом пазов, могут быть заметно ослаблены.

Для АТД существенно то, что при частотном регулировании может быть всегда обеспечена его работа в устойчивой области, в том числе и при пуске. Поэтому отрицательное воздействие моментов от высших гармоник поля для АТД обычно несущественно.

Переменные моменты от высших гармоник тока и первой гармоники потока. Эти элементы могут быть весьма значительными, что следует из численного выражения для них:

(7.11)

г_х и г'_г\ де, и х'_г - активные и индуктивные сопротивления фаз статорной и роторной обмоток, приведенные к статорной обмотке для первых гармоник тока.

Частота изменений моментов М\_у равна 6/_хя, где п = 1, 2, 3, ... и /_х - частота изменения потока. Это нетрудно показать на примере моментов от 5-й и 7-й гармоник тока.

Магнитное поле от 5-й гармоники тока вращается в направлении встречном направлению вращения ротора и поля первой гармоники, создавая в роторе токи 6-й гармоники. Магнитное поле 7-й гармоники вращается в том же направлении, что и ротор, а также поле первой гармоники, создавая в роторе также токи 6-й гармоники. По этой причине переменный момент от этих двух гармоник имеет частоту, шестикратную по отношешенню к основной частоте [₁. Гармоники тока 11-я и 13-я будут создавать момент частотой 12/_хит. д.

Значительные переменные моменты имеют место н у коллекторных тяговых двигателей переменного тока и тяговых двигателей пульсирующего тока. Частота этих моментов при частоте питающего электровоз напряжения (50 Гц) равна 100 Гц. Они уравновешиваются динамичесними моментами малой амплитуды и демпфируются упругими элементами узла тяговой передачи и крепления тягового двигателя. Опыт показывает, что указанные моменты не оказывают заметного влияния на тяговые свойства электровоза. В одинаковой мере это относится и к электровозу с асинхронными тяговыми двигателями при скоростях движения, близких к номинальной и выше.

Иное дело пуск. Здесь частота питающего напряжения может со-ставлять0,8-I Гц и частота знакопеременного момента-всего 5-6 Гц. Кроме того, пуск обычно осуществляется при повышенных токах и магнитных потоках. К тому же при малой частоте совфгу близок к единице, что и определяет повышенную амплитуду переменного низкочастотного момента.

В этом случае переменный момент будет оказывать существенное силовое воздействие на элементы тягового привода, подвески и крепления тягового двигателя. Наблюдаются раскачивания остова тягового двигателя с низкой частотой («шаговый эффект»), которые могут усилиться, если собственная механическая частота колебаний конструкции привода близка к частоте возмущающего переменного момента.

Эксперименты показали, что, несмотря на значительные переменные моменты, у АТД электровоза ВЛ80^а заметного снижения тяговых свойств при пуске не наблюдалось. Для уменьшения переменного момента при пуске следует уменьшить амплитуды высших гармоник напряжения либо повысить пусковую частоту, что приводит к росту сопротивления обмоток. Если эти меры не будут приняты, переменный момент может достигать 0,2-0,25, от основного момента, как это и имело место у тягового двигателя НБ-602 электровоза ВЛ80^а.

Были рассмотрены только электромагнитные моменты при установившемся режиме. При переходных процессах возможно значительное увеличение момента из-за больших токов в обмотках статора, например при включении полного напряжения на вращающийся тяговый двигатель, поскольку при этом нндуктивое сопротивление роторной обмотки невелико и уголф₂ между током /г и ЭДС ротора мал. Переходные процессы в цепи тяговых асинхронных двигателей изучены недостаточно, и достоверных методов их инженерного расчета пока нет.