ENERGY INDICATORS ELECTRICAL COMPENSATION OF THE MAGNETIC AND MECHANICAL LOSSES IN TRACTION MOTORS WHEN THEIR MUTUAL LOAD

УДК 621.313.001.4 А. М. АФАНАСОВ (ДИИТ) ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СПОСОБА КОМПЕНСАЦИИ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ ПРИ ИХ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКЕ Наведено аналіз енергетичних показників процесу компенсації магнітних і механічних втрат у схемах взаємного навантаження тягових електродвигунів з використанням джерела електричної потужності. Приведен анализ энергетических показателей процесса компенсации магнитных и механических потерь в схемах взаимной нагрузки тяговых электродвигателей с использованием источника электрической мощности. The analysis of power indices of process of compensation of magnetic and mechanical losses in the charts of mutual loading of hauling electric motors with the use of electric power source is resulted. Известно два основных способа компенсации магнитных и механических потерь в схемах взаимной нагрузки электрических машин. Это способ компенсации потерь источником механической мощности (дополнительный двигатель) и способ компенсации потерь источником электрической мощности [1]. В первом варианте механическая мощность дополнительного источника непосредственно компенсирует механические и магнитные потери, которые создают тормозные моменты на валах испытуемых электромашин. Во втором варианте для компенсации тормозных моментов, обусловленных магнитными и механическими потерями, требуется предварительное преобразование электрической мощности дополнительного источника в механическую испытуемым двигателем. Реализация такого способа компенсации может быть осуществлена целым рядом технических решений, отличающихся друг от друга самими конфигурациями принципиальных схем. Выбор рациональной конфигурации схемы испытательного стенда для каждого типа тяговых электромашин является одним из направлений решения задачи снижения расходов на их испытания. Критерием рациональности выбранного способа такой компенсации может быть принят условный коэффициент полезного действия процесса преобразования электрической мощности дополнительного источника в добавочную механическую мощность на валу испытуемого двигателя. Рассмотрим процесс компенсации механических и магнитных потерь в испытуемых электромашинах источником электрической мощности. Такая компенсация обеспечивается за счет превышения электромагнитной мощно- стью двигателя одноименной мощности генератора [2]. Характер преобразования и передачи мощности в двигателе для данного варианта показан в виде структурной схемы, представленной на рис. 1. Рис. 1 Условно электрическая машина, работающая в двигательном режиме, энергетически разделена на две части. Первая часть П1 является преобразователем электрической мощности в электромагнитную, вторая часть П2 является преобразователем электромагнитной мощности в механическую. К двигателю в стенде взаимной нагрузки подводится два условных потока электрической энергии: мощностью Pэ1 – от цепи испытуемого генератора и мощностью Pэ 2 – от дополнительного источника. В результате преобразования в первой части П1 возникает две условных соответствующих электромагнитной мощности Pэм1 и Pэм2 . Отметим, что деление общей мощности двигателя на два потока, как и деление самого двигателя на два преобразователя, условно и вызвано лишь характером принятого метода анализа энергетических процессов. Будем рас© Афанасов А. М., 2010 65 сматривать преобразование условных составляющих мощности независимо друг от друга. При этом будем учитывать, что ни электрические, ни магнитные потери в испытуемом электродвигателе не являются величинами, пропорциональными подведенной электрической мощности, и принцип суперпозиции для данного анализа неприемлем. Преобразование каждой из электрических мощностей Pэ1 и Pэ2 в электромагнитные мощности Pэм1 и Pэм2 сопровождается соответствующими электрическими потерями ∆Pэ1 и ∆Pэ2 . В результате преобразования электромагнитных мощностей Pэм1 и Pэм2 во второй части двигателя П2 возникает две соответствующих составляющих механической мощности Pдв1 и Pдв2 . Преобразование каждой из составляющих электромагнитной мощности Pэм1 и Pэм2 в механические Pдв1 и Pдв2 сопровождается соответствующими механическими и магнитными потерями ∆Pм1 и ∆Pм2 . Отметим, что все магнитные и механические потери ∑ ∆Pм в стенде взаимной нагрузки рассматриваемого варианта компенсируется за счет добавочной электромагнитной мощности электродвигателя [2] ∑ ∆Pм = Pэм 2 . (1) Каждый из процессов преобразования мощности можно охарактеризовать своим условным коэффициентом полезного действия (к.п.д.). Для преобразователя П1 это будет к.п.д. η11 , который характеризует преобразование Pэ1 в Pэм1 , и к.п.д. η12 , который характеризует преобразование Pэ2 в Pэм2 . Выражения для определения данных к.п.д. будут иметь вид: Pэм2 . Pэм2 + ∆Pэ2 (5) Для преобразователя П2 также будут характерны два к.п.д. преобразований каждой из составляющих мощности Pэм1 и Pэм2 . Это будет к.п.д. η21 , характеризующий преобразование Pэм1 в Pдв1 и к.п.д. η22 , характеризующий преобразование и Pэм2 в Pдв2 . Выражения для определения данных к.п.д. будут иметь вид: η21 = η22 = Pдв1 Pэм1 Pдв2 Pэм2 ; (6) . (7) С учетом того, что Pдв2 = Pэм2 − ∆Pм2 , (8) выражение для определения к.п.д. η22 может быть представлено в виде η22 = Pэм2 − ∆Pм2 . Pэм2 (9) Результирующий к.п.д. преобразования Pэ1 в Pдв1 определяется как произведение условных коэффициентов η11 , η21 , и является в своей сущности к.п.д. двигателя ηдв , соответствующим основным составляющим его э.д.с. и силы тока. С допустимой для данного анализа степенью упрощения можно считать этот к.п.д. независимым от дополнительной электрической мощности Pэ2 . ηдв = η11 ⋅ η21 . (10) Результирующий к.п.д. преобразования электрической мощности дополнительного источника Pэ2 в добавочную механическую мощность на валу двигателя Pдв2 может быть определен в виде η11 = Pэм1 ; Pэ1 (2) η12 = Pэм2 . Pэ2 (3) ηпр = η12 ⋅ η22 . (4) Основная электромагнитная мощность двигателя Pэм1 , которая представляет собою преобразованную электрическую мощность цепи испытуемого генератора Pэ1 , определяется в виде С учетом того, что Pэ2 = Pэм2 + ∆Pэ2 , выражение для определения к.п.д. η12 может быть представлено в виде 66 η12 = Pэм1 = E ⋅ I , (11) (12) где E и I – основные составляющие э.д.с. и силы тока якоря двигателя, обеспечиваемые мощностью цепи генератора. Добавочная электромагнитная мощность Pэм2 , которая возникает в результате преобразования электрической мощности дополнительного источника и компенсирует все магнитные и механические потери в стенде взаимной нагрузки, определяется в виде суммы произведений Pэм2 = ∆I ⋅ E + I ⋅ ∆E + ∆I ⋅ ∆E , (13) где ∆E и ∆I – добавочные э.д.с. и сила тока, создаваемые дополнительным источником электрической мощности Pэ2 . Из формулы (13) имеем три варианта условия компенсации магнитных и механических потерь: а) ⎧∆E = 0; ⎨ ⎩∆I > 0; (14) б) ⎧∆E > 0; ⎨ ⎩∆I = 0; (15) в) ⎧∆E > 0; ⎨ ⎩∆I > 0. (16) Наиболее целесообразными из приведенных вариантов являются варианты «а» и «б» [3]. Вари (...truncated)