Пусковые усилия тягового линейного асинхронного двигателя с регулируемым сопротивлением короткозамкнутой обмотки вторичного элемента
- Авторы: Соломин В.А.1, Соломин А.В.1, Чехова А.А.1
-
Учреждения:
- Ростовский государственный университет путей сообщения
- Выпуск: Том 7, № 2 (2021)
- Страницы: 87-96
- Раздел: Оригинальные статьи
- URL: https://journals.eco-vector.com/transsyst/article/view/71997
- DOI: https://doi.org/10.17816/transsyst20217287-96
- ID: 71997
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Обоснование: Разработка и исследование линейных тяговых приводов для магнитолевитационного транспорта является актуальной задачей. Линейные асинхронные двигатели могут использоваться в качестве тяговых машин для перспективного подвижного состава.
Цель: Исследование пусковых характеристик регулируемого тягового линейного асинхронного двигателя с изменяемым сопротивлением короткозамкнутой обмоткой вторичного элемента.
Методы: Теоретическим путем получены соотношения для расчета тяговых пусковых усилий регулируемого линейного асинхронного двигателя с различными конструкциями короткозамкнутой обмотки вторичного элемента.
Результаты: На основании полученных соотношений выполнены расчеты пусковых тяговых усилий линейных асинхронных двигателей, предназначенных для использования на перспективных видах транспорта.
Заключение: Результаты расчета пусковых тяговых усилий регулируемых линейных асинхронных двигателей позволяют обоснованно выбирать режимы включения двигателя в зависимости от конструкции обмотки вторичного элемента.
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование транспортных коммуникаций имеет большое значение для развития современного общества. Свою заметную роль в этой области играют принципиально новые виды транспорта, способные перемещать на большие расстояния с высокими скоростями людей и различные грузы. Магнитолевитационный транспорт (МЛТ) развивает скорости бесконтактного с путевой структурой движения экипажей в диапазоне 350-500 км/ч. Скорости движения свыше 1000 км/ч могут быть достигнуты при использовании вакуумного магнитолевитационного транспорта (ВМЛТ). В качестве приводных электрических машин систем МЛТ и ВМЛТ используются линейные тяговые двигатели, преобразующие электроэнергию непосредственно в поступательное перемещение. Линейные тяговые двигатели для магнитолевитационного транспорта и ВМЛТ бывают синхронными и асинхронными. На нынешнем этапе развития техники и технологий многие инженеры и ученые полагают, что линейные асинхронные двигатели (ЛАД) имеют хорошие перспективы для МЛТ и ВМЛТ, так как системы торможения высокоскоростных поездов оказываются более эффективными. Одним из достоинств тяговых ЛАД является простота их включения (пуска в ход) по сравнению с линейными синхронными двигателями. Новый вид линейных асинхронных двигателей с регулируемыми сопротивлениями короткозамкнутых обмоток их вторичных элементов (ВЭ) обеспечивает повышение пусковых и регулировочных свойств, при применении их на высокоскоростных видах транспорта. Представленная работа посвящена рассмотрению особенностей пуска в ход тягового ЛАД с регулируемым сопротивлением короткозамкнутой обмотки вторичного элемента.
ПУСКОВЫЕ УСИЛИЯ ТЯГОВОГО ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Пусковые характеристики асинхронных двигателей с короткозамкнутыми обмотками роторов достаточно подробно описаны в [1–3]. Тяговые и промышленные приводы с линейными асинхронными двигателями исследованы в [4–14], в которых изложены вопросы теории и расчета ЛАД, в том числе рассмотрены вопросы пуска в ход и регулирования скорости. Линейные асинхронные двигатели с изменяемыми сопротивлениями короткозамкнутых обмоток [10] позволяют регулировать пусковые тяговые усилия в широком диапазоне. Последнее обстоятельство делает данные электродвигатели предпочтительными для высокоскоростного транспорта.
Соотношения для расчета механических усилий, в том числе и пусковых асинхронных двигателей с короткозамкнутыми обмотками роторов приведены в [1–3]. На их основе после ряда преобразований получено выражение для расчета тягового усилия регулируемого ЛАД с короткозамкнутой обмоткой вторичного элемента
, (1)
где m1– число фаз индуктора
– полюсное деление ЛАД;
U1 – фазное напряжение индуктора;
f – частота тока;
r1 - активное сопротивление фазы обмотки индуктора;
m – индуктивное сопротивление фазы обмотки индуктора;
– приведенное активное сопротивление вторичного элемента;
– приведенное индуктивное сопротивление обмотки вторичного элемента;
s – скольжение
Следует заметить, что (1) не учитывает влияние продольного краевого эффекта. Влияние продольного краевого эффекта при расчете рабочих и электромеханических характеристик регулируемого линейного асинхронного двигателя с изменяемым сопротивлением короткозамкнутой обмотки вторичного элемента может быть учтено отдельно.
В пусковом режиме (в первый момент) скорость движения равна нулю и скольжение s=1.
В момент пуска выражение (1) принимает вид
. (2)
Сопротивление короткозамкнутой обмотки вторичного элемента ЛАД изменяется при перемещении подвижного электропроводящего замыкающего элемента.
Рассмотрим два варианта конструкции стержня короткозамкнутой обмотки вторичного элемента регулируемого линейного асинхронного двигателя (Рис. 1). Первый вариант – стержень обмотки ВЭ образован рядом изолированных проводников, расположенных один над другим по высоте паза (Рис. 1, а); второй – стержень выполнен сплошным (Рис. 1, б).
Рис. 1. Паз вторичного элемента регулируемого ЛАД. 1,2 – направление перемещения замыкающего элемента; hn – высота паза; bn – ширина паза; hn – площадь замкнутой части стержня обмотки вторичного элемента (заштрихована)
При определении пускового тягового усилия регулируемого ЛАД, у которого стержни короткозамкнутой обмотки вторичного элемента выполнены из отдельных изолированных проводников (Рис. 1, а) учет влияния вытеснения тока в пазу необязателен и расчет производится по формуле (2). В том случае, если стержни обмотки ВЭ выполнены сплошными (Рис. 1, б), то влияние вытеснения тока на величины параметров обмотки вторичного элемента учитывать необходимо. При учете влияния вытеснения тока в пазу обмотки ВЭ пусковое усилие определяется соотношением
, (3)
где – коэффициент увеличения активного сопротивления обмотки вторичного элемента;
– коэффициент уменьшения индуктивного сопротивления обмотки вторичного элемента.
РАСЧЕТ ПУСКОВЫХ УСИЛИЙ ЛАД
Полагаем, что при пуске регулируемого линейного асинхронного двигателя с изменяемым сопротивлением короткозамкнутой обмотки вторичного элемента и . Введем обозначение
. (4)
Вводя коэффициент «С» в формулу (2), получим пусковое усилие для варианта (рис. 1, а)
. (5)
Соотношение для расчета пускового тягового усилия регулируемого ЛАД при учете влияния вытеснения тока в пазу обмотки ВЭ для варианта (Рис. 1, б)
. (6)
Рассмотрим примеры расчета пускового тягового усилия регулируемого линейного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой вторичного элемента, имеющего следующие данные:
кВт;
;
Гц;
В,
м;
м;
Ом;
Ом, Ом;
Ом;
Ом, Ом.
Определим коэффициент С (4)
.
Выполним расчет пусковых тяговых усилий регулируемого ЛАД без учета влияния вытеснения тока в пазу обмотки вторичного элемента (рис. 1, а) при варьировании значения «» по (5). Для =1
Н.
Результаты расчета для других значений « » представлены в Табл. 1.
Таблица 1. Пусковые тяговые усилий ЛАД
1 | 0,8 | 0,6 | 0,4 | |
, Н | 622,0 | 914, 11 | 1414,9 | 2268,6 |
Определим значения пусковых тяговых усилий регулируемого линейного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ВЭ с учетом вытеснения тока в пазу обмотки вторичного элемента (Рис. 1, б) при варьировании значения «». Значения коэффициентов увеличения активного и уменьшения индуктивного сопротивлений приняты на основании результатов, представленных в [15].
Расчеты выполнены по формуле (6). Пусковое тяговое усилие для регулируемого ЛАД при =1
Н.
Таблица 2. Пусковые тяговые усилий ЛАД
1 | 0,8 | 0,6 | 0,4 | |
, Н | 2954,7 | 2971,2 | 2940,6 | 2898,3 |
Рис. 2. Пусковые тяговые усилия регулируемого ЛАД без учета вытеснения тока (1) и с учетом вытеснения тока (2)
Результаты расчета (Табл. 1, 2) представлены графически на Рис. 2. Анализ результатов расчета пусковых тяговых усилий регулируемого линейного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой вторичного элемента показывает, что если стержни обмотки ВЭ образованы отдельными изолированными проводниками, расположенными один за другим по высоте паза (Рис.1а), то ЛАД во многом идентичен асинхронной машине с фазной обмоткой ротора. Для роста следует увеличивать значение сопротивления обмотки вторичного элемента, что подтверждается данными Табл.1, кривой 1, показанной на Рис.2. Плоское расположение изолированных проводников в пазу короткозамкнутой обмотки вторичного элемента (Рис.1а) практически не позволяет проявляться поверхностному эффекту и делает необязательным учет влияния вытеснения тока на параметры обмотки ВЭ.
Если стержни обмотки вторичного элемента регулируемого ЛАД выполнены сплошными (Рис.1б), то учет вытеснения тока в пазу ВЭ на параметры обмотки обязателен, что подтверждают данные расчета , приведенные в Табл. 2. Анализ результатов расчета показал, что при такой конструкции обмотки вторичного элемента линейного асинхронного двигателя регулировка сопротивления в сторону увеличения, что происходит с ростом коэффициента «» не дает значимого эффекта (Табл.2, Рис. 2). Это означает, что в процессе пуска не нужно увеличивать сопротивление короткозамкнутой обмотки регулируемого ЛАД.
ВЫВОДЫ
- Выполненные расчеты показали, что для увеличения пускового тягового усилия регулируемого линейного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой вторичного элемента стержни обмотки следует выполнять сплошными.
- Степень замыкания (закорачивания) подвижным элементом стержня обмотки вторичного элемента регулируемого ЛАД практически не влияет на величину тягового пускового усилия.
- Регулируемый ЛАД, стержни обмотки вторичного элемента которого образованы изолированными проводниками, по своим пусковым свойствам аналогичен асинхронному двигателю с фазным ротором.
Авторы заявляют что:
- У них нет конфликта интересов;
- Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.
Об авторах
Владимир Александрович Соломин
Ростовский государственный университет путей сообщения
Автор, ответственный за переписку.
Email: ema@rgups.ru
ORCID iD: 0000-0002-0638-1436
SPIN-код: 6785-9031
Доктор технических наук, профессор
Россия, Ростов-на-ДонуАндрей Владимирович Соломин
Ростовский государственный университет путей сообщения
Email: vag@rgups.ru
ORCID iD: 0000-0002-2549-4663
SPIN-код: 7805-9636
кандидат технических наук, доцент
Россия, Ростов-на-ДонуАнастасия Алановна Чехова
Ростовский государственный университет путей сообщения
Email: ema@rgups.ru
ORCID iD: 0000-0002-3410-3687
SPIN-код: 8201-7660
Аспирант
Россия, Ростов-на-ДонуСписок литературы
- Костенко М.П, Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ленинград: Энергия, ч. 2, 1973. [Kostenko MP, Piotrovskiy LM. Elektricheskiye mashiny. Leningrad: Energiya; 1973. (In Russ)]. Доступно по: https://bookree.org/reader?file=652790. Ссылка активна на: 27.01.2021.
- Вольдек А.И. Электрические машины (монография). Ленинград: Энергия, 1978. [Vol'dek AI. Elektricheskiye mashiny (monografiya). Leningrad: Energiya; 1978. (In Russ)]. Доступно по: https://www.studmed.ru/view/voldek-ai-elektricheskie-mashiny_2c65ef977a1.html. Ссылка активна на: 27.01.2021.
- Винокуров В.А., Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. М.: Транспорт, 1986. [Vinokurov VA, Popov DA. Elektricheskiye mashiny zheleznodorozhnogo transporta. M.: Transport; 1986. (In Russ)]. Доступно по: https://www.studmed.ru/vinokurov-va-popov-da-elektricheskie-mashiny-zheleznodorozhnogo-transporta_7d63ea3eaf8.html. Ссылка активна на: 27.01.2021.
- Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Линейные асинхронные двигатели. М.: Энергоатомиздат, 1991. [Veselovskiy ON, Konyayev AYu, Sarapulov FN. Lineynyye asinkhronnyye dvigateli. M.: Energoatomizdat; 1991. (In Russ)]. Ссылка активна на: 28.01.2021. Доступно по: http://nauchkniga.com/nk/index.php?action=bookInfo&id=69266.
- Сарапулов Ф.Н., Бегалов В.А., Иваницкий С.В. Исследование короткозамкнутого линейного асинхронного двигателя с разомкнутым магнитопроводом // Электричество. – 1982. – № 5. – С. 30–34. [Sarapulov FN, Begalov VA, Ivanitskiy SV. Issledovaniye korotkozamknutogo lineynogo asinkhronnogo dvigatelya s razomknutym magnitoprovodom. Elektrichestvo. 1982;(5):30-34. (In Russ.)].
- Сарапулов Ф.Н. Расчет режима короткого замыкания индукционного двигателя на основе магнитной схемы замещения // Электричество. – 1976. – № 6. – С. 56–58. [Sarapulov FN. Raschet rezhima korotkogo zamykaniya induktsionnogo dvigatelya na osnove magnitnoy skhemy zameshcheniya. Elektrichestvo. 1976;(6):56-58. (In Russ.)].
- Епифанов А.П., Лебедев А.М., Талья И.И. Повышение эффективности тягового линейного асинхронного привода // Известия вузов. Электромеханика. – 1990. – № 7. – С. 60–67. [Еpifanov AP, Lebedev AM, Tal'ya II. Povysheniye effektivnosti tyagovogo lineynogo asinkhronnogo privoda. Izvestiya vuzov. Elektromekhanika. 1990;(7):60-67. (In Russ.)].
- Сарапулов Ф.Н., Сарапулов С.Ф., Шымчак П. Математические модели линейных индукционных машин на основе схем замещения. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТИ – УПИ, 2001. [Sarapulov FN, Sarapulov SF, Shimchak P. Matematicheskiye modeli lineynykh induktsionnykh mashin na osnove skhem zameshcheniya. Yekaterinburg: GOU VPO UGTI – UPI; 2001. (In Russ)]. Доступно по: https://bookree.org/reader?file=813029&pg=2. Ссылка активна на: 28.01.2021.
- Hellinger R, Mnich P. Linear Motor-Powered Transportation: History, Present Status and Future Outbook. Proceedings of the JEEE. 2009;97(11):1892-1900.
- Вольдек А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. – Л.: Энергия, 1970. – 271 с. [Voldek AI. Induktsionnye magnitogidrodinamicheskie mashiny s zhidkometallicheskim rabochim telom. Leningrad: Energia; 1970. 271 p. (In Russ.)].
- Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 180 с. [Yamamura S. Teoria lineinykh asinkhronnykh dvigatelei. Leningrad: Energoatomizdat; 1983. 180 p. (In Russ.)].
- Черных И.В., Сарапулов Ф.Н. Основы теории и моделирование линейного асинхронного двигателя как объекта управления. – Екатеринбург, УГТУ, 1999. – 229 С. [Chernykh IV, Sarapulov FN. Osnovy teorii i modelirovanie lineinogo asinkhronnogo dvigatelia kak ob'ekta upravlenia. Ekaterinburg. UGTU. 1999. 229 p. (In Russ.)].
- Li M, Yang Z, Lin F, Sun H. Characteristics of Linear Induction Motor Considering Material of Reaction Plate Change. Journal of Computers. 2013;8(1):102-107. doi: 10.4304/jcp.8.1.102-107
- Lee H-W, Lee SG, Park C, et al. Characteristic Analysis of a Linear Induction Motor for a Lightweight Train According to Various Secondary Schemes. IJR International Journal of Railway. 2008;1(1):6-11.
- Соломин А.В. Регулируемый линейный асинхронный двигатель // Электротехника. – 2004. – № 12. – С. 31–34. [Solomin AV. Reguliruyemyy lineynyy asinkhronnyy dvigatel'. Elektrotekhnika. 2004;(12):31-34. (In Russ.)].