Эксплуатация серийных тепловозов и электровозов с передачей постоянного и переменно-постоянного тока показывает, что тяговый электродвигатель является одним из наименее надежных узлов электрооборудования. Основные неисправности их связаны с повреждением коллектора , щеток и изоляции, а главными причинами их повреждения являются механические, электрические и тепловые перегрузки, возникающие вследствие тряски, боксования, загрязнения воздушных фильтров в системе охлаждения , загрязнения и увлажнения охлаждающего воздуха и т. д.
Надежность работы тяговых двигателей постоянного тока в передачах переменно-постоянного тока существенно снижается вследствие пульсаций выпрямленного напряжения: ухудшаются условия коммутации, увеличиваются потери и т. д. Дальнейшее применение коллекторных тяговых электродвигателей постоянного тока на локомотивах считается малоэффективно, затруднительно и поэтому бесперспективно.
Асинхронный тяговый двигатель на локомотивах нового поколения позволяет решить задачу улучшения показателей железных дорог. Увеличение мощности асинхронных тяговых электродвигателей позволяет поднять расчетную скорость и частично силу тяги локомотивов и, следовательно, общую массу состава. Полная унификация механического и электрического оборудования в сочетании с простейшими асинхронными тяговыми электродвигателями и бесконтактным преобразовательным оборудованием повысят надежность локомотивов и сократят эксплуатационные расходы.
Асинхронные тяговые электродвигатели с короткозамкнутым ротором имеет относительно малый пусковой момент и большой пусковой ток. Увеличение пускового момента и уменьшение пускового тока возможно при выполнении беличьей клетки ротора с повышенным активным сопротивлением.
Основное уравнение, связывающее частоту вращения ротора с параметрами асинхронного электродвигателя и питающей сети,
где f
– частота питающего тока;
р
– число пар полюсов электрической машины;
s
- скольжение.
Наибольшее распространение получил способ изменения частоты вращения за счет f . Частотное управление тяговым асинхронным электродвигателем осуществляется одновременным изменением ряда параметров питающей сети. Текущее значение напряжения U1 частоты тока f 1 и вращающего момента М1 для обеспечения экономичного регулирования необходимо обеспечить требуемые соотношения параметров с номинальными величинами UН, f Н, МН.
При частотном управлении можно придать тяговым характеристикам любую желаемую форму и обеспечить заданную скорость движения.
|
В случаях поддержания постоянной мощности тягового асинхронного электродвигателя магнитный поток его должен уменьшаться с ростом частоты тока. Особенность работы тягового асинхронного электродвигателя состоит в том, что возбуждение его идет по силовой цепи и ток статора равен геометрической сумме активного и намагничивающего токов.
На тепловозах с передачами переменного тока с целью наиболее полного использования установленной мощности электрооборудования принято трехзонное управление асинхронными тяговыми электродвигателями. В зоне I поддерживается постоянная сила тяги FТ электродвигателя, работающего при максимальном магнитном потоке. Линейное напряжение U1 и частота f 1тока статора по мере увеличения частоты вращения ротора n возрастают. Зона управления заканчивается при достижении ограничения по мощности дизеля.
В зоне II тяговые асинхронные электродвигатели работают с постоянной мощностью Р2, ограниченной мощностью дизель-генератора. В этой зоне частота тока ротора f 2, ток статора и магнитный поток уменьшаются с увеличением скорости движения тепловоза.
В зоне III напряжение тяговых асинхронных электродвигателей U1 остается постоянным. Для поддержания постоянной мощности электродвигателей, работающих в этой зоне с ослабленным магнитным потоком, частота тока ротора f 2 увеличивается.
|
Принцип широтно-импульсной модуляции заключается в том, что период изменения переменного напряжения распределяется на отдельные равные по времени отрезки, в которых иизменяется продолжительность включения (скважность) напряжения питания от минимального до максимального. Это приводит к изменению эффективного значения тока в нагрузке. При определенном подборе продолжительностей включения напряжения питания в нагрузке можно получить практически синусоидальное изменение тока переменной частоты.
Система формирования базовых векторов состоит в следующем: для любого заданного вектора напряжения статора US выбираются три ближайших базовых вектора (один из них может быть нулевым) и рассчитываются скважности включения базовых векторов так, чтобы сумма скважностей на периоде широтно-импульсного модулятора была равна 1, а результирующий вектор, образованный компонентами базовых векторов равнялся заданному. Если при этом период широтно-импульсного модулятора достаточно мал, то обмотка статора асинхронного электродвигателя, обладающая свойствами фильтра нижних частот и вся электрическая машина в целом будут реагировать практически на средние за период модуляции значения напряжений, а импульсный характер мгновенных значений напряжений скажется только в наличии высокочастотных пульсаций токов двигателя, вызывающих дополнительные потери энергии. Так как достижимые в настоящее время частоты переключений силовых транзисторов составляют примерно 1 ... 2 кГц, можно считать, что средние за период широтно-импульсной модуляции напряжения с практической точки зрения являются величинами, управляемыми по мгновенным значениям.
Техническая система, которая путем управления относительной длительностью “включения” состояний автономного инвертора напряжения на каждом периоде широтно-импульсной модуляции (скважностью) позволяет преобразовать управляющие воздействия в пропорциональные им по средним значениям напряжения на нагрузке.
При этом на выходе генератора формируются широтно-модулируемые сигналы, поступающие далее на драйверы силовых модулей. Приведенная методика реализована в современных преобразователях напряжения и частоты.
|
Опытный шестивагонный скоростной электропоезд «Сокол» состоит из двух головных, двух трансформаторных и двух моторных вагонов. Тяговый электропривод электропоезда «Сокол» обеспечивает работу асинхронных тяговых электродвигателей при питании от контактной сети постоянного и переменного тока с минимально необходимым количеством элементов, обеспечивающим работу асинхронных тяговых электродвигателей в заданных условиях. При работе от контактной сети переменного тока переключатели рода тока S1 … S2 включены в положение переменного тока схема включает тяговый генератор, сетевой реактор, входной преобразователь ВУ и тяговый преобразователь. Входной преобразователь, независимо от режима работы асинхронных тяговых электродвигателей и изменения напряжения в контактной сети, обеспечивает преобразование переменного напряжения в выпрямленное промежуточного звена и стабилизирует его.
При питании от контактной сети постоянного тока первичная обмотка тягового трансформатора закорочена, переключатель рода тока включен в положение постоянного тока. Входной преобразователь включен так, что образует входной импульсный прерыватель постоянного напряжения.
Выходной преобразователь напряжения и частоты собран на базе IGBT-модулей по двухточечной схеме. Для шестивагонного электропоезда разработана и изготовлена схема управления тяговыми электродвигателями переменного тока на базе автономных инверторов напряжения с системой управления.
|
В схеме тягового привода с асинхронными тяговыми двигателями постоянное напряжение контактной сети преобразуется в переменное трехфазное, регулируемое по амплитуде и частоте. В качестве тяговых используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. При регулировании амплитуды и частоты напряжения сила тяги изменяется плавно без скачков, характерных для систем с тяговыми двигателями постоянного тока и контакторно-реостатным регулированием.
В каждую из трех цепей трехуровневого инвертора включены по четыре силовых ключа с обратными диодами. К средним точкам подключены обмотки трехфазного асинхронного двигателя. Напряжение звена постоянного тока Ud конденсаторами С1 и С2 делится на две равные частиUd/2. «Искусственная» нулевая точка через дополнительные диоды соединена со средними точками каждой пары верхних и пары нижних силовых ключей. В таком инверторе питание двигателя может быть организовано от нижней конденсаторной батареи, от верхней или от обеих батарей одновременно. Таким образом, обеспечиваются три возможных уровня питания инвертора 0,Ud/2, Ud.
Направление движения изменяют за счет изменения порядка чередования фаз на выходе преобразователя без переключений в силовой схеме. Переход в режим торможения также осуществляется без переключений в схеме.
Преобразователи подключены к контактной сети через реактор фильтра Др и быстродействующий вакуумный выключатель БВ. Тормозные резисторы RT служат для поглощения энергии электрического торможения, если другие потребители, подсоединенные к контактной сети, не потребляют энергию или тяговые подстанции не обеспечивают возврат электроэнергии в систему первичного энергоснабжения .
Тяговые двигатели подключаются по два параллельно из разных тележек. К первому преобразователю подсоединены первый и третий двигатели, ко второму - второй и четвертый. Так выравниваются нагрузки на каждый преобразователь, поскольку разгружена первая по ходу и догружена вторая по ходу тележки в режиме тяги. Особенностью схемы силовых цепей электропоезда является прямое подключение преобразователя к контактной сети напряжением 3000 В. Последнее стало возможным благодаря достижениям в области силовой электроники, в частности, созданию и освоению силовых полупроводниковых транзисторных модулей с рабочим напряжением 3300 В и рабочими токами до 1200 А.
Инверторы напряжения выполнены на основе IGBT-модулей по трехточечной схеме. Инверторы осуществляют регулирование подводимого к асинхронному тяговому электродвигателю напряжения и частоты методом широтно-импульсной модуляции. При разгоне электропоезда до номинальной скорости движения регулирование напряжения осуществляется двумя основными и двумя переходными методами широтно-импульсной модуляции. Переходом в одноимпульсный режим заканчивается регулирование напряжения, и дальнейшее увеличение скорости движения происходит путем увеличения частоты подводимого к асинхронному тяговому электродвигателю напряжения.
К недостаткам такой схемы следует отнести увеличенное по сравнению с двухточечной схемой с промежуточным звеном постоянного напряжения количество силовых модулей.
Достижения силовой полупроводниковой техники позволяют принципиально усовершенствовать электрические машины. Механический коллектор электрической машины постоянного тока может быть заменен вентильным устройством. Электрическая машина в этом случае называется вентильной. Как и тяговый асинхронный привод, вентильный привод состоит из трех основных элементов: электрической машины, преобразователя частоты, аппаратуры управления . Однако устройство и взаимодействие этих элементов в каждой схеме различны.
По конструкции вентильного двигателя электрическая машина подобна синхронной. На статоре располагается многофазная обмотка переменного тока, в роторе – обмотка возбуждения постоянного тока. При вращении ротора ток в фазах статора переключается преобразователем частоты, причем коммутация происходит под воздействием ЭДС самой электрической машины. Система управления, контролируя вращение электрической машины, отпирает очередные вентили в определенных положениях ротора.
По своему принципу действия вентильный двигатель подобен машине постоянного тока, в которой механический коллектор заменен преобразователем частоты. Однако в отличие от нее вентильный двигатель имеет малое число коммутируемых выводов. Вполне удовлетворительные результаты по использованию активных материалов машины достигаются при простейшей обмотке статора в виде трехфазной звезды. Вентильная коммутация тока в обмотке статора допускает значительное напряжение между выводами, достигающее несколько сотен и даже тысяч вольт.
Вентильный двигатель подобен двигателю постоянного тока также и по электромеханическим характеристикам, которые определяются схемой питания обмотки возбуждения. Как и машина постоянного тока, вентильный двигатель имеет обычный для тяговых электродвигателей воздушный зазор в несколько миллиметров, что очень важно для эксплуатации.
К недостаткам вентильного двигателя можно отнести наличие щеточного аппарата на роторе. Однако именно возбуждение постоянным током обеспечивает коммутацию тока в обмотках статора без специальных коммутирующих устройств, одновременно появляется возможность дополнительного регулирования скорости за счет ослабления возбуждения.
|
Управление тяговыми электродвигателями электровоза ЭП200 рассмотрим на примере одного тягового электродвигателя. Первичная обмотка тягового трансформатора типа ОНДЦЭ-11500/25 мощностью 11500 кВА подключен к контактному проводу через токоприемник ХА1 и главный выключатель QF1. Второй вывод первичной обмотки тягового трансформатора соединен с рельсовой цепью через токосъемное устройство.
х900 В) получает питание выпрямительно-инверторный преобразователь ВИП1.1. Наличие двух секций тяговой обмотки трансформатора соответствует мостовой схеме включения тиристоров и обеспечивает в тяговом режиме плавное двухзонное регулирование напряжения на выходе от нуля до 1425 В. От вторичной обмотки (а1-1-х1) трансформатора напряжение 1800 В (2
К выходам ВИП1.1 через сглаживающий реактор L1 подключен инвертор тока ВИП1.2, а к нему статорные обмотки тягового электродвигателя ТЭД. Для повышения коэффициента мощности на ВИП1.2 установлен компенсатор реактивной мощности, состоящий из дросселя L2, емкости С1 и тиристорного ключа, входящего в ВИП1.1.
Тяговый вентильный электродвигатель НТВ-1000 – восьмиполюсный с часовой мощностью 1000 кВт и максимальной частотой вращения 3100 об/мин. Он выполнен с распределенной обмоткой возбуждения на роторе (с неявно выраженными полюсами).
Питание на обмотку возбуждения подается от обмотки а5-х5 тягового трансформатора через управляемый выпрямительный мост УВ и разделительный дроссель L3. Цепи питания остальных тяговых электродвигателей аналогичны описанному.
Все полупроводниковые модули ВИП, инверторов и управляемых выпрямителей возбуждения конструктивно в две силовые преобразовательные установки СПУ-5700. Каждая из них питает четыре тяговых электродвигателя одной тележки. Система автоматического регулирования частоты и напряжения питания обеспечивает получение предельной тяговой характеристики и поддерживает постоянную силу тяги в зоне низких скоростей до выхода на номинальную мощность, а в зоне высоких скоростей – постоянную мощность.
При разгоне поезда автоматическая система поддерживает заданный ток тяговых электродвигателей до выхода на выбранную скорость движения, а затем поддерживается эта скорость движения. Автоматическая система позволяет выравнивать нагрузки тяговых электродвигателей и ограничивает токи тяговых электродвигателей при достижении предельных значений.
Новочеркасским электровозостроительным заводом разработаны пассажирские электровозы постоянного тока ЭП2 и переменного тока ЭП3. Их проектирование проводилось на основе опыта, полученного при создании и эксплуатации электровоза ЭП10 и его предшественников.
|
Регулирование режима работы тяговых двигателей предусмотрено осуществлять с помощью статических преобразователей частоты и числа фаз, состоящих из импульсного регулятора напряжения (ИРН) на ЭП2 и четырехквадрантного регулятора-выпрямителя (Вх. пр) на ЭП3, от которых питается автономный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией. Тяговый трансформатор электровоза ЭП3 имеет три обмотки для питания тяговых преобразователей, две для питания преобразователей собственных нужд и обмотку отопления поезда.
Каждый тяговый преобразователь питает два тяговых двигателя АДТ1 и АДТ2. Электровозы обеих серий имеют рекуперативное и реостатное торможение. При переходе из тягового режима в режим электрического торможения и при обратных переходах никаких переключений в силовой цепи не происходит. Асинхронные тяговые двигатели переводятся в генераторный режим за счет понижения частоты напряжения на статорной обмотке относительно синхронной, соответствующей фактической скорости движения, а инверторы переводятся в режим выпрямления.
Вспомогательные преобразователи электровозов ЭП2 и ЭП3 имеют два канала. Приводные двигатели вентиляторов получают питание от канала с регулируемым напряжением и частотой. Регулирование частоты ступенчатое: 50, 33 и 17 Гц. Двигатели главных компрессоров, масляных насосов и некоторые другие потребители системы собственных нужд питаются нерегулируемым трехфазным напряжением от второго канала. Охлаждение преобразователя осуществляется диаметральными вентиляторами.
Управление электровозом осуществляется с помощью двухуровневой микропроцессорной системы. На первом уровне осуществляются сбор, обработка информации и управление электровозом в целом (кроме тягового привода) и его отдельными системами. На этом уровне отрабатывается алгоритм режимов тяги, торможения, поддержания скорости, управления вспомогательным приводом. На втором уровне для каждого тягового преобразователя отрабатываются задания от системы первого уровня (в соответствии с протоколом обмена) по силе тяги или торможения, алгоритмы защиты от перегрузок, боксования, юза и т. д.
Электровоз оборудуется системой диагностики, которая обеспечивает предрейсовый контроль исправности оборудования, автоматический контроль состояния оборудования в пути следования, оперативное определение причин отказа, а также позволяет считывать информацию о состоянии контролируемого оборудования стационарными диагностическими устройствами.
|
Несмотря на то что к настоящему времени выполнен большой объем исследований на компьютерных моделях, макетных и опытных образцах, а также испытаний оборудования на стендах, еще предстоит решить ряд вопросов.
К ним относится, в частности, проблема электромагнитной совместимости электровозов с системой тягового электроснабжения. Применение полупроводниковых преобразователей частоты и числа фаз вызывает искажение форм тока и напряжения в контактном проводе и, как следствие, нарушения в системах железнодорожной автоматики, сигнализации и обеспечения безопасности движения.
Увеличение осевой мощности электровозов с асинхронным тяговым приводом привело к тому, что частым явлением в условиях эксплуатации стало синхронное боксование колесных пар. Применяемые в настоящее время системы защиты от боксования, основанные на использовании различий в режимах работы тяговых двигателей отдельных осей, оказались в ряде случаев неэффективными.
Повышение осевой мощности при применении асинхронных тяговых двигателей и улучшение состояния железнодорожного пути позволяют повысить скорость движения поездов. При этом увеличивается боковой износ рельсов и гребней бандажей колес при движении в кривых участках пути. Для снижения износа в настоящее время применяют смазывание гребней.
Применению в массовом порядке электровозов с асинхронным тяговым приводом должны предшествовать оснащение электровозных депо специальным оборудованием и подготовка для депо локомотивных бригад, инженерно-технического и ремонтного персонала требуемой квалификации.
Специалистами ВНИКТИ разработана схема преобразователя напряжения и частоты для перспективных локомотивов на IGBT-транзисторах мощностью 1500 кВт из расчета на три электродвигателя мощностью каждый по 470 кВт с индивидуальным приводом на каждую ось и встроенной микропроцессорной системой управления. Преобразователь предназначен для установки на перспективных магистральных грузовых и пассажирских тепловозах нового поколения с асинхронными тяговыми двигателями (2ТЭ25А, ТЭ25, ТЭ35, ТЭП35) при их работе как в режиме тяги, так и в режиме электрического реостатного торможения. Допускается применение преобразователя и на маневровых тепловозах типа ТЭМ10, ТЭМ15. На магистральные тепловозы устанавливается по два силовых преобразователя, а на маневровые достаточно одного, но с подключением к каждому из трех инверторов напряжения, имеющихся в составе преобразователя по два тяговых электродвигателя параллельно общей мощностью не более 470 кВт.
Питание преобразователя выполняется от тягового генератора переменного тока. Преобразователь оборудован необходимым набором датчиков: постоянного напряжения на выходе выпрямителя (один на все автономные инверторы напряжения), фазных токов на выходе автономных инверторов напряжения. Данные датчики совместно с датчиками частоты вращения валов асинхронных двигателей позволяют реализовать векторный способ управления преобразователями в широком диапазоне входного питающего напряжения при переводе позиции контроллера машиниста с первой до пятнадцатой, а также обеспечивают диагностирование его элементов с передачей диагностической информации на верхний уровень управления.
Трехфазный асинхронный двигатель изобретен в конце 80-х годов XIX в. в Германии в электротехнической компании AEG инженером
русского происхождения Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. Эта электрическая машина была создана как составная часть системы трехфазных электрических цепей переменного тока, получивших очень широкое распространение в электроэнергетике. В настоящее время трехфазные цепи составляют основу большинства мировых систем производства и передачи электрической энергии.
Трехфазная электрическая система состоит из трех силовых проводов — трех фаз и так называемого нулевого провода (рис. 1.1). Каждый из проводов трех фаз вместе с нулевым проводником представляет собой двухпроводную однофазную электрическую цепь переменного тока. Но переменные напряжения в этих трех однофазных цепях не синхронны, а сдвинуты друг относительно друга во времени (по фазе) строго на 1/3 периода (рис. 1.2). При таком равномерном сдвиге по фазе трех одинаковых по амплитуде фазных переменных напряжений их алгебраическая сумма всегда равна нулю.
Режим работы трехфазной электрической цепи принято характеризовать следующими основными параметрами (см. рис. 1.1):
.фазный ток—ток, протекающий по фазам A, B, C;
.фазное напряжение — напряжение между фазами A, B, C и нулевым проводом
;
Рис. 1.2. Фазные напряжения трехфазной электрической цепи
Линейное напряжение—напряжение между парами фаз A—B, B—C, C—A.
.частота напряжения и тока.
Нагрузка трехфазной электрической цепи в общем случае может быть как трехфазной (например, промышленные электрические машины), так и однофазной (бытовые устройства, освещение).
Трехфазные нагрузки обычно потребляют равную мощность по каждой из фаз. Поэтому фазные токи, которые протекают по фазам под действием трех одинаковых по амплитуде фазных переменных напряжений, также в сумме всегда равны нулю. Это означает, что по нулевому проводу ток не протекает. И поэтому для подключения трехфазных нагрузок к питающей трехфазной цепи нулевой провод часто не используют.
Однофазные нагрузки обычно включают между фазами и нулевым проводом. При этом суммарные мощности нагрузок по каждой
из фаз могут различаться. В этом случае сумма фазных токов трехфазной цепи уже не будет равна нулю и по нулевому проводу будет протекать ток, который зависит от разности мощностей нагрузок фаз.
Физические основы образования вращающего момента у асинхронного двигателя аналогичны традиционным двигателям постоянного тока: если проводник с электрическим током поместить в магнитное поле, на этот проводник начинает действовать сила, направленная перпендикулярно проводнику и поперечно магнитному полю (рис. 1.3).
И у асинхронного двигателя, и у двигателя постоянного тока магнитное поле создают обмотки статора. А ток, образующий вращающий момент при взаимодействии с магнитным полем, протекает по проводникам обмотки ротора.
Асинхронный двигатель отличается от двигателя постоянного тока
двумя принципиальными особенностями:
.магнитное поле статора у асинхронного двигателя—вращающееся, а не неподвижное;
.в асинхронном двигателе в обмотку ротора электрический ток поступает из внешних цепей бесконтактным трансформаторным способом, а не через скользящий контакт между щетками и коллектором.
Отсутствие скользящего электрического контакта между цепями статора и ротора у асинхронных двигателей и является основной причиной широкой популярности таких электрических машин. В целом отсутствие коллектора дает следующие важные практические преимущества:
.упрощение конструкции двигателя;
.повышение надежности двигателя;
.повышение мощности двигателя при тех же габаритах (так как коллектор и щетки в двигателе постоянного тока занимают достаточно много места, в асинхронном двигателе с теми же внешними размерами этот объем можно использовать для увеличения активной электромагнитной части, повышая тем самым мощность и вращающий момент);
.снятие жестких ограничений по рабочему напряжению (так как именно коллектор в двигателе постоянного тока часто лимитирует уровень предельного рабочего напряжения, а соответственно, и мощность).
Вращающееся магнитное поле принципиально необходимо для работы асинхронного двигателя. Только в этом случае процесс трансформации электрической энергии из обмотки статора в обмотку ротора будет формировать вращающий момент на валу двигателя.
Стационарное переменное магнитное поле статора также будет наводить ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя, как в обычном трансформаторе, и ток в обмотке ротора появится. Но электромагнитная сила, действующая при этом на проводники ротора, также переменная. Она будет создавать вибрации, а не устойчивый вращающий момент определенного направления.
Вращающееся магнитное поле в асинхронном двигателе индуцирует в проводниках обмотки ротора такие токи, которые образуют электромагнитные силы, действующие всегда в одном направлении. Эти силы в сумме и образуют вращающий момент на валу двигателя независимо от того, стоит ротор двигателя на месте или вращается.
Механизм формирования вращающего момента асинхронного двигателя под действием вращающегося магнитного поля имеет две важные особенности.
Первая особенность заключается в следующем. В соответствии с фундаментальными законами электротехники существуют два вида процессов, при которых в некоем проводнике наводится ЭДС индукции:
.изменение напряженности магнитного поля, пронизывающего проводник;
.движение проводника в стабильном магнитном поле.
Иными словами, если проводник просто держать неподвижно в стабильном магнитном поле, ЭДС в этом проводнике не появляется.
Именно такая ситуация возникает в асинхронном двигателе, когда
скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля.
При таком синхронном вращении ротора и магнитного поля перемещение проводников обмотки ротора относительно магнитного поля будет отсутствовать и напряженность магнитного поля, пронизывающего каждый из проводников, всегда будет одна и та же. В таком режиме ЭДС индукции в проводниках обмотки ротора не появляется, ток в обмотке ротора не возникает и вращающий момент двигателя равен нулю.
Именно из-за этого свойства такой двигатель и получил наименование «асинхронный», потому что он развивает вращающий момент на валу, только если вращение ротора «отстает» от вращения магнитного поля.
Вторая особенность заключается в следующем. Если частота вращения ротора по каким-либо причинам становится больше частоты вращения магнитного поля, двигатель автоматически переходит в режим генераторного торможения. Это происходит вследствие того, что, когда вращение проводников обмотки ротора начинает опережать вращение магнитного поля, полярность ЭДС индукции и направление тока в этих проводниках меняются на противоположные. Соответственно меняют направление вращения на противоположное электромагнитные силы, действующие на проводники обмотки ротора.
Сформировать вращающееся магнитное поле статора можно, например, следующим образом. Если взять статор шестиполюсного двигателя постоянного тока и включать пары противоположных полюсов поочередно, то в этом статоре появится вращающееся магнитное поле (рис. 1.4).
Такой же эффект может быть достигнут, если три пары полюсов запитать от трехфазной цепи. Как было сказано выше, в такой цепи напряжения и токи фаз равномерно сдвинуты друг относительно друга по времени. Это означает, что максимального значения токи в фазах достигают поочередно. Соответственно и максимальная напряженность магнитного поля в парах магнитов на рис. 1.4 будет возникать поочередно, что эквивалентно поочередному включению пар магнитов.
Скорость вращения магнитного поля статора, показанного на рис.
1.4, зависит от того, как часто переключаются пары магнитов. При питании же от трехфазной сети скорость вращения магнитного поля статора определяется частотой тока. У статора, показанного на рис. 1.4, на
каждую фазу приходится одна пара полюсов. Это означает, что магнитное поле будет делать один полный оборот за время, равное одному пе риоду питающего тока. Например, при частоте тока обмотки статора 50 Гц скорость вращения магнитного поля в таком статоре составит 50 об/с, или 3000 об/мин.
Рис. 1.4. Формирование вращающегося магнитного поля статора двигателя с шестью полюсами
Если на статоре разместить не 6, а 12 магнитов и повторить очередность чередования фаз два раза за один полный механический оборот, то скорость вращения поля снизится в два раза и при частоте тока статора 50 Гц составит 25 об/с, или 1500 об/мин, и т. д.
В принципе, можно сделать асинхронный двигатель не только трехфазным, но и четырехфазным, пятифазным и т. д. Но это уже мало что дает в практическом смысле и заметно усложняет обмотку статора. Поэтому вместе с системой трехфазного тока классической стала конструкция именно трехфазного асинхронного двигателя.
Существуют также одно- и двухфазные асинхронные двигатели, но такие электрические машины имеют специфичные характеристки и используются только в маломощных бытовых устройствах.
Трехфазный асинхронный двигатель является электрически и магнитно симметричным по фазам. Обмотки трех фаз имеют идентичные
параметры и развивают одинаковую мощность. В этом случае, как говорилось выше, нулевой провод трехфазной питающей цепи не требуется, и поэтому статоры асинхронных двигателей, как правило, имеют только фазные выводы. При этом обмотки магнитных полюсов трех фаз обычно соединяют двумя способами: «звездой» или «треугольником» (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Схемы соединения фазных обмоток асинхронного двигателя
Рис. 1.6. Общий вид статора асинхронного тягового двигателя
Обмотка ротора асинхронного двигателя является короткозамкнутой, так как никаких других элементов в ее цепи нет. Конечно, эта обмотка всегда имеет определенные активное сопротивление и индуктивность, как любая обмотка вообще.
В современных асинхронных двигателях статор не делают с явными полюсами, как показано на рис. 1.4. Чтобы более эффективно использовать объем, обмотку статора в асинхронном двигателе распределяют равномерно в пазах (рис. 1.6), так же как это делают на роторе коллекторного двигателя постоянного тока. Если представить статор такой машины в плоском развернутом виде,
то размещение проводников обмотки трехфазного двигателя с шестью фазными полюсами будет выглядеть, как показано на рис. 1.7. На этом рисунке обмотка каждого из полюсов условно показана размещенной в двух пазах.
Реально в асинхронном двигателе на каждый полюс обычно делают больше пазов и витков для повышения плавности распределения магнитного потока вдоль воздушного зазора между статором и ротором.
Рис. 1.7. Упрощенная развернутая схема обмотки статора асинхронного двигателя
Рис. 1.8. Общий вид ротора асинхронного тягового двигателя
Обмотку ротора асинхронного двигателя делают также в виде расположенных в пазах проводников, замкнутых между собой с торцов кольцами (рис. 1.8). Такая конструкция обмотки ротора получила название «беличья клетка». Так как все проводники обмотки ротора замкнуты между собой накоротко, изолировать проводники ротора от стального тела ротора не имеет смысла. Это дополнительно упрощает конструкцию двигателя и повышает его надежность.
Бесколлекторные тяговые двигатели
Около 8-10 лет назад масса поезда (весовая норма) ограничивалась условиями сцепления, т. е. достигнутым значением расчетного коэффициента сцепления. Поэтому не так остро ставился вопрос о существенном повышении силы тяги, а следовательно, и мощности тяговых двигателей электровозов. Исследования и опытная эксплуатация ряда новых устройств показали, что имеются большие возможности повышения расчетного коэффициента сцепления. Этого можно достичь, применив независимое возбуждение, а также осуществив автоматическое выравнивание нагрузок тяговых двигателей. О других возможностях повышения коэффициента сцепления будет рассказано ниже.
Но дальнейшее повышение мощности тяговых двигателей электровозов, необходимой для реализации более высокого расчетного коэффициента сцепления, осуществить все трудней. Этому препятствуют прежде всего размеры тягового двигателя: длина его ограничена расстоянием между бандажами колесных пар, диаметр - расстоянием между осью колесной пары и валом двигателя - централью Ц (см. рис. 3). До сих пор при наличии жестких габаритных ограничений размеров двигателей мощность их повышали путем применения более теплостойких изоляционных материалов, усиления охлаждения, увеличения числа пар полюсов, устройства компенсационной обмотки, выбора оптимального напряжения для тяговых двигателей электровозов переменного тока.
С повышением мощности все напряженнее работает коллекторно-щеточный узел. Его состоянием в значительной мере определяется продолжительность работы электровоза между осмотрами и ремонтами. Повышение мощности тяговых двигателей встречает все больше препятствий и не способствует увеличению их надежности и к. п. д. Поэтому вполне понятно стремление создать мощный бесколлекторный тяговый двигатель.
Электровозы с асинхронными тяговыми двигателями . На протяжении всей истории создания и совершенствования электровозов было много попыток использовать самый простой и дешевый асинхронный двигатель для целей тяги. До недавнего времени этого не удавалось сделать, так как частоту его вращения можно экономично регулировать только изменением частоты питающего тока. Применяемые ранее для этого электромашинные преобразователи были тяжелыми. Появление тиристоров открыло путь для создания легкого и надежного преобразователя частоты.
Устройство асинхронного двигателя, как уже отмечалось, несложно. Он имеет неподвижный статор и вращающийся ротор (рис. 75). Различают асинхронные двигатели: с короткозамкнутым ротором и с фазовым ротором. В качестве тяговых используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Сердечник такого ротора, как и статора, собирают из листов электротехнической стали. Обмотка ротора состоит из медных стержней, расположенных в пазах сердечника и замкнутых с торцов кольцами. Обмотка без сердечника ротора представляет собой так называемое "беличье колесо".
В пазах статора уложены три обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 120°. Эти обмотки обычно соединяют звездой. При включении обмоток в трехфазную цепь по каждой из них проходит переменный ток и создается три переменных магнитных потока. Эти потоки, складываясь, образуют результирующий поток, вращающийся с частотой 3000 об/мин при одной паре полюсов на каждую фазу. Вращающийся магнитный поток статора двигателя, пересекая обмотку ротора, индуктирует в ней э. д. с. Под действием э. д. с. в обмотке ротора проходит ток, создающий собственный магнитный поток. Магнитные потоки статора и ротора взаимодействуют, в результате чего ротор начинает вращаться.
Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного потока статора, иначе силовые линии не пересекали бы обмотку ротора. Разность этих частот вращения называется скольжением. Увеличивая число пар полюсов, можно получить другие частоты вращения магнитного потока: 1500, 1000, 750 об/мин и т. д. Частота вращения ротора будет несколько меньше этих значений.
Обычно скольжение составляет 1-3% синхронной частоты. Следовательно, если изменять частоту питающего напряжения в широких пределах и тем самым синхронную частоту, вместе с ней будет изменяться и частота вращения ротора. Но, помимо частоты, необходимо регулировать и напряжение, подводимое к асинхронному двигателю для того, чтобы получить тяговую характеристику примерно такую, как при использовании двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.
Регулирование напряжения осуществляется, как и на отечественных электровозах переменного тока, переключением вторичной обмотки тягового трансформатора с помощью главного контроллера ГК (рис. 76) ступенями. Затем в выпрямительной установке В напряжение выпрямляется и подается на инвертор И. В выпрямителе осуществляется плавное регулирование напряжения, подводимого к инвертору И.
Отпирая и запирая тиристоры инверторной установки в определенной последовательности, получают трехфазное напряжение, которое подводится к обмотке статора асинхронного двигателя АД. Напомним, что к обычным асинхронным двигателям подводится переменное трехфазное напряжение, а следовательно, и ток, изменяющийся синусоидально. При этом каждая фаза сдвинута относительно другой на 120°, как показано на рис. 77. Для наглядности изменение напряжения каждой фазы показано на отдельных осях. При формировании трехфазного напряжения на электровозе с асинхронными двигателями переключаемые вентили инвертора создают напряжение ступенчатой формы в каждой фазе.
Частота напряжения, подводимого к асинхронному двигателю, регулируется изменением частоты переключения этих вентилей.
В инверторе предусмотрено специальное устройство, надежно восстанавливающее управляющие свойства тиристоров при срыве инвертирования. Реверсирование тяговых двигателей осуществляют, переключая цепи управления тиристоров инвертора, так как для изменения направления вращения асинхронного двигателя достаточно поменять местами любые две подводимые фазы.
На основе разработок научно-исследовательских и учебных институтов на Новочеркасском электровозостроительном заводе построен электровоз переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями ВЛ80 а. Электровоз создан на базе восьмиосного электровоза ВЛ80 К. Мощность каждого тягового двигателя составляет 1200 кВт, т. е. в 1,5 раз больше, чем коллекторного двигателя электровоза ВЛ80 К.
Не исключена возможность создания тягового привода с асинхронным двигателем без редуктора. В этом случае ротор асинхронного двигателя монтируют непосредственно на оси колесной пары, а статор имеет разъемную форму.
Электровозы с вентильными синхронными двигателями . В качестве бесколлекторных тяговых двигателей на электровозе можно использовать синхронные двигатели со статическими (вентильными) преобразователями - так называемые вентильные двигатели.
Поясним принцип работы вентильного двигателя. На его статоре расположена трехфазная обмотка, а на роторе - обмотка возбуждения постоянного тока (рис. 78). Начало и конец обмотки возбуждения соединены с двумя кольцами, электрически изолированными одно от другого. Фазные обмотки статора соединены в звезду; начала их подключены к преобразователю - инвертору И (или источнику постоянного тока). Инвертор И питается от выпрямительной установки В, подключенной к вторичной обмотке тягового трансформатора. Если, например, в какой-либо момент времени открыты тиристоры А1 и Х2 инвертора, ток от выпрямителя В пройдет через тиристор А1, обмотки статора I и II, тиристор Х2, обмотку возбуждения ОВ и возвратится в выпрямительную установку. При указанном стрелками направлении тока в обмотках I, II и обмотке возбуждения результирующий магнитный поток статора, взаимодействуя с потоком обмотки возбуждения, создаст вращающий момент, и ротор повернется по часовой стрелке. Переключая в, определенном порядке выводы статорной обмотки, можно обеспечить непрерывное вращение ротора.
Таким образом, по принципу действия вентильный двигатель подобен машине постоянного тока, где коллектор заменен системой силовых управляемых вентилей инверторной установки. Но в отличие от двигателя постоянного тока вентильный двигатель имеет только три коммутируемых вывода при трехфазной обмотке вместо нескольких сотен коллекторных пластин. Кроме того, обмотка возбуждения в вентильном двигателе стала подвижной, а якорь неподвижным. Вентильная коммутация тока в обмотках допускает значительное напряжение между выводами: до нескольких тысяч вольт. Напомним, что обычный механический коллектор удовлетворительно работает при напряжении между коллекторными пластинами не более 30-32 В. Переключение выводов статорной обмотки в необходимой очередности и соответственно изменение положения ротора осуществляет система управления, имеющая специальный датчик положения ротора.
Вентильный двигатель является многофазной машиной, обмотка якоря которой питается от преобразователя, управляемого синхронно с вращением ротора, снабженного обмоткой возбуждения. Таким образом, вентильный двигатель состоит из электрической машины, вентильного преобразователя и связывающей их системы управления.
Новочеркасским электровозостроительным заводом первоначально был построен опытный образец восьмиосного грузового электровоза ВЛ80 В с вентильными тяговыми двигателями. После испытания его была выпущена небольшая партия подобных электровозов для эксплуатационных испытаний. Электровозы оборудованы системой автоматического управления, действующей в режимах тяги и электрического торможения. На электровозе применено независимое возбуждение вентильных двигателей от выпрямителей-возбудителей, изменяющих ток возбуждения пропорционально току обмотки якоря двигателя. Ротор двигателя имеет шесть полюсов, ток к обмотке возбуждения подводится через два кольца и щетки. Частота вращения двигателя регулируется изменением подводимого напряжения. Напряжение вторичной обмотки, а следовательно, и выпрямительной установки регулируется примерно так же, как и на электровозах переменного тока с коллекторными двигателями. Исключено только встречное включение регулируемой и нерегулируемой обмоток трансформатора и несколько повышено их напряжение. После того, как к двигателям будет подведено номинальное напряжение, дальнейшее увеличение скорости осуществляется регулированием магнитного потока возбуждения.
На электровозах ВЛ80 В применена схема выпрямления и преобразования тока, несколько отличающаяся от изображенной на рис. 78. На рис. 78 показаны отдельные выпрямительная В и инверторная И установки, т. е. приведена так называемая схема с явным звеном постоянного тока. На электровозе ВЛ80 В эти две установки совмещены в общем устройстве.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
«Регионального Центра Инновационных Технологий»
Учебное пособие
Главы 1 - 7
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»
Кафедра «Электроподвижной состав»
Ю.А. Давыдов, А.К. Пляскин
Тяговые электрические машины.
Учебное пособие
1.
2.
3.
3.1. Способы подвешивания тяговых двигателей
3.2. Кинематические схемы тяговых передач
3.3. Элементы конструкции тягового двигателя постоянного тока
3.4. Особенности конструкции тяговых двигателей переменного тока
3.5. Особенности конструкции и перспективы применения линейных двигателей
4.
5.
6.
6.1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей
6.2. Магнитные и нагрузочные характеристики тягового электродвигателя
6.3. Рабочие характеристики двигателей
6.3.1. Электромеханические характеристики
6.3.2. Электротяговые характеристики
6.4. Коэффициент полезного действия и потери в двигателе
7.
8. КОММУТАЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
8.1. Критерии оценки качества коммутации
8.2. Коммутация при установившихся процессах
8.3. Электромагнитные причины искрения
9. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ НА КОЛЛЕКТОРЕ
9.1. Распределение индукции и напряжения
9.2. Способы повышения потенциальной устойчивости
9.3. Дополнительные полюса и компенсация ими реактивной эдс
9.4. Компенсационная обмотка и ее влияние на потенциальные условия
9.5. Круговой огонь на коллекторе тяговых двигателей
10. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТОКА
10.1. Внешние способы сглаживания пульсации
10.2. Коммутация переменной составляющей тока
10.3. Переменная составляющая момента
10.4. Особенности коммутационного процесса двигателей пульсирующего тока
10.5. Определение переменной составляющей екп
10.6. Компенсация реактивной эдс дополнительными полюсами двигателей пульсирующего тока
10.7. Способы улучшения коммутации тяговых двигателей пульсирующего тока
11. НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
11.1. Виды переходных процессов
11.2. Влияние вихревых потоков в магнитопроводах на протекание переходных процессов
11.3. Влияние индуктивности обмоток тяговых машин на переходные процессы
11.4. Влияние параметров внешних цепей на переходные процессы
11.5. Мероприятия, направленные на облегчение протекания переходных процессов
12. НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
12.1. Допустимые превышения температур
12.2. Классическая теория нагревания однородного твердого тела
13. ВЕНТИЛЯЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
13.1. Самовентилирующиеся машины
13.2. Независимая вентиляция
13.3. Расчет вентиляции тяговых электрических машин
14. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
14.1. Асинхронные двигатели. Основные понятия.
14.2. Принцип регулирования асинхронного тягового двигателя
14.3. Формы фазных токов и напряжений АТД
14.4. Моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка
14.5. Коэффициент мощности и кпд АТД
15. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И МАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
15.1. Назначение и классификация вспомогательных машин
15.2. Особенности конструкции вспомогательных машин электроподвижного состава постоянного тока
15.3. Вспомогательные машины ЭПС переменного тока
15.4. Мотор-вентиляторы
15.5. Мотор-компрессоры
15.6. Мотор-насосы
15.7. Расщепители фаз
15.8. Мотор-генераторы и генераторы управления
15.9. Делители напряжения
16. ИСПЫТАНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
17. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
17.1. Основные неисправности электрических машин
17.2. Тяговый электродвигатель НБ-520В
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Тяговые электрические машины.
Учебное пособие
1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО
И МИРОВОГО ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ
2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
Классификация тяговых электрических машин. Терминология. Определения. Назначение
Тяговыми электрическими машинами (ТЭМ) называют электрические машины, предназначенные для работы в качестве двигателей, генераторов, преобразователей на подвижном составе всех видов.
Тяговые электрические машины классифицируются:
1) по назначению:
- на тяговые электродвигатели;
- тяговые генераторы;
- вспомогательные машины;
2) по роду тока:
- на постоянного тока (пульсации тока не превышают 10 %);
- пульсирующего тока;
- коллекторные машины однофазного переменного тока промышленной и пониженной частоты;
- асинхронные машины переменного трехфазного (или многофазного) тока;
3) по способу защиты от внешних воздействий:
- на защищенные;
- брызгозащищенные;
- закрытые;
4) по способу охлаждения:
- с независимой вентиляцией;
- самовентиляцией;
- обдуваемые;
- естественным охлаждением;
5) по виду возбуждения:
- с независимым возбуждением;
- параллельным возбуждением;
- последовательным возбуждением;
- смешанным возбуждением.
Тяговым электродвигателем (ТЭД) называется электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую работу, затрачиваемую на движение поезда. В настоящее время на электроподвижном составе (ЭПС) применяют в основном тяговые двигатели постоянного и пульсирующего тока. Однако есть пробные шаги к созданию электровозов с асинхронными и вентильными двигателями.
Вспомогательными машинами
называют электродвигатели, служащие для привода компрессоров, обеспечивающих питание сжатым воздухом
- тормозных систем и электропневматических приводов тяговых аппаратов, вентиляторов;
- расщепители фаз;
- делители напряжения;
- генераторы служебного тока;
- двигатель-генераторы.
Мотор-вентиляторы используются для охлаждения тяговых двигателей и выпрямительных установок.
Расщепители фаз предназначены для преобразования однофазного тока в трехфазный, которым питают асинхронные двигатели других вспомогательных машин.
Делители напряжения (двухколлекторные машины) делают для питания двигателей других вспомогательных машин с напряжением, вдвое меньшим напряжения контактной сети.
Генераторы служебного тока предназначены для получения электроэнергии напряжением 50…1100 В для питания цепей управления и сигнализации.
Двигатель-генераторные агрегаты возбуждения применяют на ЭПС для питания обмоток возбуждения в период электрического торможения.
3. КОНСТРУКЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
3.1. Способы подвешивания тяговых двигателей
Тяговый двигатель является электрической машиной, встроенной в тележку ЭПС. Это обстоятельство накладывает определенный отпечаток на его габариты и конструкцию, в том числе на вид подвешивания тягового двигателя в тележке.
Различают два вида подвешивания:
- опорно-осевое;
- опорно-рамное.
В первом случае двигатель одной из своих сторон посредством моторно-осевых подшипников опирается на вал оси колёсной пары, а второй стороной посредством резинометаллических блоков к раме тележки.
При опорно-рамном подвешивании весь двигатель крепится к раме тележки через систему подвешивания, позволяющую погасить воздействия пути на него.
Схема крепления и передачи момента при опорно-рамном подвешивании зависит от системы передачи этого момента. Из рис. 3.1 видно, что двигатель при опорно-осевом подвешивании одной стороны опирается на ось колесной пары и естественно воспринимает все усилия, переданные от пути. При этом ускорения достигают 21g.
Если двигатель полностью подрессорен, как при опорно-рамном подвешивании, то ускорение всего лишь 3g.
При опорно-осевой подвеске конструкция передачи чрезвычайно проста, но зато такой тип подвески требует повышения механической прочности элементов тягового двигателя, снимается надежность токосъема.
Схематично крепление двигателя при опорно-осевом подвешивании показано на рис. 3.1.
При рамном подвешивании конструкция существенно усложняется. Необходимость расположения во внутренней полости якоря шарнирной муфты требует увеличения диаметра якоря. Затруднена смазка и ревизия. Поэтому опорно-рамное подвешивание применяют лишь для скоростей движения более 120 км/ч и на метрополитене, чтобы снизить шум.
Конструктивное исполнение двигателей с опорно-рамным подвешиванием рекомендуется посмотреть в книге М.Д. Находкина на с. 67–68 .
Рассмотрим кинематические схемы тяговых передач.
3.2. Кинематические схемы тяговых передач
Наиболее простой является передача при опорно-осевом подвешивании. Она, как правило, двухсторонняя или односторонняя. Схематично эти передачи изображены на рис. 3.2.
При двусторонней передаче редуктор делается из косозубых шестерней и колес для обеспечения равномерности передачи момента. Кроме того, необходимо обеспечить радиальное перемещение якоря на 8…10 мм.& Передача при опорно-рамном подвешивании на рис. 3.3.
Очень редко применяют еще один способ привода – это групповой,
когда один тяговый двигатель приводит во вращение несколько колесных
пар, но редуктор в этом случае громоздок, дорог и сложен (Франция).
Общее устройство такого привода можно видеть на примере группового
(мономоторного) привода тепловоза СС72000, где также была использован муфта Альстом. Электродвигатель, установленный сверху на раме
трехосной тележки и фактически находящийся в кузове локомотива, через
раздаточный редуктор передает тяговый момент на тяговый редуктор, со-
стоящий из ряда последовательно соединенных ведомых и промежуточных колес (рис. 3.4).
Рассмотрев кинематические схемы тяговых передач, хотелось бы остановиться на элементах конструкции якоря, в особенности на тех, которые имеют место практически на всех тяговых двигателях. За основу возьмем тяговый двигатель опорно-осевого исполнения, поскольку это наиболее распространенный двигатель на ЭПС Российской Федерации.
3.3. Элементы конструкции тягового двигателя постоянного тока
Элементы конструкции якоря . В данном разделе мы коротко остановимся на основных элементах конструкции, не вдаваясь значительно в подробности. Это объясняется тем, что при выполнении курсового проекта необходимая информация будет изучаться дополнительно, и рассматриваться каждый (или большинство элементов) тяговый двигатель.
Вал якоря тягового двигателя служит для соединения всех деталей якоря и как несущая конструкция этих деталей, а также для передачи вращающего момента от двигателя через шестерню к зубчатому колесу (рис. 3.5).
Остальные проточки предназначены для насадки других узлов тягового двигателя и при различных конструкциях могут изменяться. Обычно это посадочные поверхности под подшипниковые крышки (щиты), лабиринтные кольца и т. д. Жесткость вала должна быть такой, чтобы максимальные нагрузки, в том числе и электрические, не приводили к прогибу и якорь, насаженный на вал, не задевал за полюса. Шероховатость посадочных поверхностей должна быть не ниже 7 класса.
Для придания валу необходимой прочности все изменения его диаметра выполнены плавно без кольцевых выточек и шпоночных канавок.
Сердечник якоря тягового двигателя . Сердечник якоря тягового двигателя служит для передачи магнитного потока, крепления обмотки и является одной из важнейших деталей тягового двигателя (рис. 3.6).
Обычно сердечник набирают на втулку (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Втулка якоря
Если диаметр якоря меньше 350 мм (Д Я Сердечник якоря выполнен из наборных пластин, которые напрессовываются на втулку якоря, а затем вместе с втулкой надевается на вал якоря, образуя с ним и коробкой якоря единую конструкцию. Внешний вид листа якорного пакета представлен на рис. 3.8.
Для предотвращения распушения, крайние листы выполняют из стали толщиной 1 мм и скрепляют сваркой. Пазы шлифуют и в них, с краёв, во избежание перетирания изоляции, вставляют изоляционные гильзы.
Коллекторный узел . Коллектор – это устройство электромеханической коммутации.
Коллектор очень нагруженное устройство и у современных машин находится на пределе использования возможностей материалов и технологии. Каждая коллекторная пластина, соединенная с соответствующей секцией обмотки якоря. Пластин обычно более 300.
В тяговых двигателях обычно применяют коллекторы арочного типа. Пластины коллектора медные, трапецеидальные, изолированные друг от друга миканитовыми прокладками.
Внешний вид коллекторной пластины и её крепление можно представить, как показано на рис. 3.9.
Вся конструкция образует коллектор, и его втулка насажена на втулку якоря. Для изоляции стяжного конуса и втулки от коллекторных пластин используются миканитовые манжеты и цилиндр. Коллектор требует особой тщательности при сборке. Биение рабочей поверхности коллектора должно быть не более 0,04 мм. Поэтому коллектор опрессовывается и одновременно стягивается болтами. При этом между пластинами образуется боковое давление – арочный распор из-за чего возникающие силы трения препятствуют смещению пластин относительно друг друга (рис. 3.10).
После сборки коллектору делают продорожку, чтобы исключить затягивание межламельных промежутков медью и снять заусеницы, предотвратив слом щеток и нарушение коммутации.
Обмотка якоря . Проводники, уложенные в позах якоря и соединенные с коллекторными пластинами, образуют обмотку якоря.
В тяговых двигателях обмотка выполняется в виде секций или катушек. Такая секция содержит несколько проводников из прямоугольной меди. По виду соединения между собой и укладке катушки делятся (рис. 3.11):
- на волновые;
- петлевые;
- «лягушечьи».
Для тяговых двигателей применяют обычно волновую и петлевую обмотки. Причем волновую обмотку применяют для двигателей мощностью примерно до 500 кВт (рис. 3.12).
Обмотки тяговых двигателей специальным образом изолируют. Различают три основных вида изоляции:
- витковая;
- корпусная;
- покровная.
Витковая изоляция во всех двигателях выполняется стекло-слюдинитовой лентой, в один слой (каждый проводник).
Корпусная изоляция является основной, эта изоляция пакета проводников. Её толщина определяется величиной напряжения и видом материалов. Между секциями вставляется (если они в одном пазу) изоляционная прокладка.
Покровная изоляция – это самый верхний слой изоляции в пазу – служит для защиты секций от механических повреждений. Крепление секции в пазу осуществляется клиньями. Обычно это секционированные текстолитовые или буковые клинья (в последнее время используются редко). Передние и задние лобовые вылеты обмоток бондажируются. Это может быть либо металлический, либо не металлический бандаж.
Элементы конструкции остова . Остов тяговых двигателей постоянного и пульсирующего тока является магнитопроводом и одновременно несущим корпусом для подшипниковых щитов и полюсной системы. Как правило, остов выполняется литым из стали 25Л. Его толщина выбирается исходя из необходимой магнитной индукции.
Длина остова это полуторакратная длина главного полюса. Там, где магнитный поток не проходит, толщина остова на 15…20 мм меньше. С наружной стороны имеются приливы для крепления моторноосевых подшипников, люков и т. д. К внутренней поверхности крепятся главные и добавочные полюса. У 4-полюсных машин делаются специальные приливы с внутренней стороны для крепления полюсов, так как остов не является круглым (рис. 3.13).
Со стороны коллектора имеется вентиляционный люк, а также люк для регламентных работ с коллекторно-щёточным аппаратом.
Главные и добавочные полюса . Сердечники главных полюсов выполнены из штампованных листов малоуглеродистой стали. Технология изготовления и набора приблизительно такая же, как и сердечного якоря, конечные листы сваривают на точечную сварку (рис. 3.14).
У машин с компенсационной обмоткой на главных полюсах выполнены пазы для её укладки.
Главные полюса крепятся к остову и удерживают обмотку возбуждения.
Вид главного полюса показан на рис. 3.15.
В тяговых двигателях катушки главных полюсов выполняют из шинной прямоугольной меди в основном наматываемую на ребро.
Межвитковую изоляцию выполняют в зависимости от необходимого класса изоляции F или Н. Есть некоторые отклонения при выполнении катушек главных полюсов двигателей последовательного и независимого возбуждения. У последних обмотка многовитковая, а ток в 3…5 раз меньше, чем ток якоря.
Соединительные кабели повышенной нагревостойкости.
Компенсационные катушки изготавливают отдельно и готовые секции вкладывают в пазы главных полюсов.
Катушки
обмоток возбуждения производят тремя способами:
- в моноблочном исполнении;
- с монолитной изоляцией;
- с немонолитной изоляцией.
В первом случае катушку вместе с главным полюсом заливают компаундом и сушат в печах F.
Во втором случае катушку после компаунда сушат отдельно. В немонолитном исполнении катушку пропитывают термопластичным компаундом.
Для улучшения крепления катушки между ней и полюсом вставляют волнообразную прокладку, которая сжимает катушку. Крепление главных полюсов к остову осуществляется болтами с пружинными шайбами.
Добавочные полюса устанавливаются между главными полюсами и служат для улучшения условий коммутации.
В современных тяговых двигателях пульсирующего тока сердечники выполняют набором из листов электротехнической стали.
Для двигателей постоянного тока сердечники выполняют цельными из стального проката. Иногда между остовом и сердечником добавочного полюса делают диамагнитную прокладку.
Катушка добавочных полюсов наматывается на узкое ребро. Изоляция витков и катушки в целом аналогична катушке главных полюсов. Внешний вид добавочного полюса показан на рис. 3.16.
3.4. Особенности конструкции тяговых двигателей переменного тока
В тяговом электромашиностроении накоплен опыт использования асинхронных, вентильных и линейных двигателей. До настоящего времени нет твердого мнения о преимущественном использовании какого-либо из них на всех видах подвижного состава. Каждый из двигателей имеет свои достоинства и недостатки.
В настоящем разделе будут рассмотрены конструктивные особенности данных электрических машин.
Остов, подшипниковые щиты, вал могут быть выполнены практически одинаковыми. Статор вентильного двигателя выполняется большим в связи с необходимостью расположения датчиков для контроля положения ротора . Конструктивно статоры асинхронного и вентильного двигателя практически не отличаются. Ротор асинхронного двигателя выполняется либо с алюминиевыми, либо с медными стержнями. Ротор вентильного двигателя может быть выполнен только в неявнополюсном виде.
В качестве примера асинхронного тягового двигателя можно привести разрез двигателя НТА350, установленного на электропоездах ЭР9Т, ЭР9 (рис. 3.17).
Особенности конструкции асинхронного тягового двигателя (АТД) связаны с установкой его на ЭПС. Это предопределяет его конструкцию как по способу крепления, так и по мощности.
Рис. 3.17. Продольный разрез АТД НТА350:
1 – сердечник статора; 2 – сердечник ротора; 3, 24 литые боковины; 4 – обмотка статора; 5 – вентиляционный диск; 6 – ступица вентилятора; 7, 21 – подшипниковые щиты; 8, 17 – крышки подшипников;
9, 15 – подшипники; 10, 14 – цапфы; 11, 13 – лабиринтные уплотнения; 12 – барабан;
16 – упорная шайба; 18 – ступичная часть подшипникового щита; 19 – зубчатое
колесо; 20 – считывающий элемент; 21 – верхняя часть подшипникового щита;
22 – короткозамкнутое кольцо; 23 – бандажное кольцо; 25 – стальная накладка;
26 – сердечник ротора
Зачастую остов АТД имеет круглую форму с элементами крепления тягового двигателя к раме тележки. Корпус выполняется из различных, в том числе и алюминиевых сплавов с ребрами жесткости.
Для статорной обмотки используют только открытые прямоугольные пазы. Причем есть некоторые особенности в креплении обмотки статора.
В АТД желательно использовать магнитные клинья, изготовленные прессованием из различных магнитных материалов. Это позволяет уменьшить коэффициент воздушного зазора и сократить пульсации магнитного потока.
Обмотка статора также имеет некоторые особенности по сравнению с обмотками машин постоянного тока. В статорной обмотке АТД из-за повышенной частоты питающего напряжения, которая, как правило, достигает значений 140 Гц, происходит вытеснения тока к поверхности обмотки и увеличение потерь.
Снижение потерь из-за эффекта вытеснения достигается путем выбора рационального сечения проводника и его расположения в пазу. В АТД проводники в основном располагаются «плашмя».
Обмотка ротора (рис. 3.18). На обмотку ротора накладываются серьезные ограничения и требования к ее конструкции. Во время пуска нагрев роторной обмотки (впрочем, как и статорной) может быть значительным. Кроме того, крепление обмотки должно быть надежным, так как при пуске в холодное время, допустим с температурой –60 С, за короткое время обмотка нагревается до 100…150 С. Это очень большой перепад температур. Для улучшения теплоотвода необходимо иметь плотное прилегание стержней роторной обмотки и стенкам. Стержень должен быть упруго закреплен в пазу.
Для асинхронных двигателей мощностью до 300 кВт обычно используют, в качестве метода изготовления роторной обмотки, заливку пазов алюминиевым сплавом.
Однако метод заливки обладает существенным недостатком: из-за качества литья образуются раковины, изменяющие сопротивление стержней, а значит и мощность машины. Когда машина используется индивидуально, это не имеет особого значения. А вот на ЭПС, где колесномоторные блоки подбирают по характеристикам, этот факт приобретает большое значение. В связи с этим стержни изготавливают заранее, опрессовывают и закладывают в пазы.
Обычно в АТД применяют следующие виды пазов и способы закладки стержней (рис. 3.19).
Обмотка ротора, изображенная на рис. 3.18, технологична и обладает эластичностью при входе в коротко замыкающее кольцо, но из-за отсутствия упругого элемента в пазу стержни могут ослабляться. На рис. 3.19, а, б, в изображены стержни, лишенные этих недостатков, но технология их изготовления сложнее.
Рис. 3.18. Обмотка ротора
В заключение несколько слов о воздушном зазоре и вентиляции. Как правило, зазор в АТД меньше чем в двигателях постоянного тока и составляет 2,5…3 мм. Охлаждение аналогично двигателям постоянного тока – это осевая вентиляция с каналами в роторе и статоре. Говоря о современных направлениях в тяговом электромашиностроении, нельзя не сказать о линейных тяговых двигателях.
3.5. Особенности конструкции и перспективы применения линейных двигателей
До настоящего времени на ЭПС применяют различные двигатели: постоянного тока и вентильные, асинхронные. Но все они обладают одним свойством: передают тяговое усилие на колесную пару. При этом сила тяги ограничена нагрузкой на ось и коэффициентом сцепления:
(3.1)
Для значительного повышения силы тяги необходимо увеличивать нагрузку на ось (что нельзя делать беспредельно по условиям прочности пути и оси), или коэффициент сцепления, что также в условиях гладких рельсов затруднительно. Кроме того, при наметившейся тенденции увеличения скоростей вопросы взаимодействия колеса и пути встают еще острее. Выход из создавшегося положения может быть найден в использовании линейных асинхронных двигателей (ЛАД).
Необходимо отметить, что впервые потребность в ЛАД возникла в ХIХ в. Однако они не получили распространения из-за массогабаритных показателей. В СССР освоение ЛАД началось примерно в 1920 г. с использованием их в ударных установках (электропривод). Это работы М.П. Костенко, Я.С. Япольского. Затем, уже в послевоенное время, ЛАД получили свое дальнейшее развитие в фундаментальных исследованиях Г.И. Штурмана, А.И. Вольдена и ряда других ученых.
Сила тяги, развиваемая линейным асинхронным двигателем, вызывается взаимодействием бегущего поля статора (первичного элемента, уложенного на ЭПС или в пути) с электрическими токами, индуктируемыми в реактивной шине во вторичном элементе, представляющем собой развернутый ротор, т. е. по существу это разрезанная асинхронная машина (рис. 3.20).
где V 1 – скорость бегущего поля индуктора.
Естественно, что один из элементов должен быть во всю длину участка работы этого двигателя. Поэтому такие машины выполняют либо с коротким первичным, либо с коротким вторичным элементом. И возбуждают только те секции, над (или под) которыми проходит ротор. Казалось бы, все просто, но трудность заключается в том, чтобы создать силу не только горизонтального перемещения, но и магнитного подвешивания, т. е. поперечную силу. Кроме того, увеличенные зазоры между первичным и вторичным элементом искажают магнитные поля, вызывая несимметрию магнитного потока.
Эту составляющую приходится убирать с помощью дополнительных катушек. То есть трудностей очень много, но все они постепенно преодолеваются. В настоящее время уже созданы опытные образцы подвижного состава с линейными тяговыми двигателями.
4. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Значительное влияние на работу двигателя оказывают нагрузки.
Условия эксплуатации таковы, что ток тягового двигателя ежеминутно меняется, также меняется и частота вращения. При этом и тот и другой показатель могут, как длительное время сохранять постоянство значений, так и резко изменяться (рис. 1.1).
У электропоездов токовые нагрузки более стабильны (рис. 4.2) и из-за сравнительно больших режимов выбега в целом двигатели электропоездов перегреваются меньше.
Сложная работа двигателей и по напряжению. Изменение напряжения
по ГОСТ 6962–75 может заключаться в следующих пределах:
- постоянный ток 2000…4000 В;
- переменный ток 19 000…29 000 В.
Сложны и климатические условия работы тяговых двигателей. По ГОСТ 2582–81 двигатели должны работать от +40 до –60 С. Такие резкие перепады температур могут привести к износу изоляции, её быстрому ста- рению и т. д.
В настоящее время в основном используются 3 класса изоляции (В; F; Н) с различным превышением температуры. Говоря о воздействиях на тяговый двигатель, нельзя не остановиться на динамических воздействиях.
В соответствие с ГОСТ 2582–81 электрические машины должны быть
рассчитаны на работу в условиях вибрации и ударов, достигающих ускорения 150 м/с2. Результирующее ускорение для различных видов подвешивания составляет:
- опорно-осевое – 212 м/с2;
- опорно-рамное – 30 м/с2.
Все эти удары, естественно, сказываются и на креплении деталей двигателя, и на качестве токосъема.
Тяговые двигатели должны быть защищены от воздействия пыли и грязи. Исполнение тяговых двигателей занимает промежуточное положение между закрытым и защищенным исполнениями, они закрыты от соприкосновения с электрическими частями, но не защищены от влаги и пыли.
Однако несмотря на сложные условия эксплуатации, в последние годы
удалось повысить надежность тяговых двигателей и увеличить их межремонтные пробеги. Это получено за счет:
- разработки и внедрения компенсационной обмотки;
- повышения технологического уровня производства;
применения электротехнической стали, 2212 вместо стали 1312 (это
позволило уменьшить массу);
- использования стекло-слюдинитовой ленты вместо миколенты, что
позволило повысить электрическую прочность, влагостойкость и механическую стойкость.
Увеличить показатели позволили следующие меры:
- совершенствование механических элементов конструкции (подшипниковые щиты, межкатушечные соединения);
- совершенствование изоляционных конструкций и материалов.
5. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
Проводниковые материалы . В качестве проводникового материала используют, как правило, медь. Для изготовления обмоток применяют проволоку, ленту и медные шины.
Используют следующие типы проводов:
для класса нагревостойкости В и F
для класса нагревостойкости Н
Цифры 1, 2, 3 соответствуют толщине изоляции 0,23; 0,3; 8,35.
Для изготовления коллекторов используется медь с присадкой серебра или кадмия. Это обеспечивает качество коммутации за счет образующейся пленки.
Магнитные материалы . Как уже ранее говорилось, магнитопроводы изготавливают из стального литья, электротехнической и листовой стали.
Электротехническая сталь марок 2212, 2213, 2214.
Характеристики этих сталей – толщина 0,5 мм, при индукции 1,5 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц потери составляют:
- сталь 2212 – 5 Вт/кг;
- сталь 2213 – 4,5 Вт/кг;
- сталь 2213 – 4 Вт/кг.
Обычно до или после штамповки сталь покрывают электроизоляционными материалами.
Электрическая изоляция . В предыдущих разделах упоминалось о трех классах изоляции В, Н, F; они разделены по нагревостойкости (табл. 5.1).
Таблица 5.1. Характеристика классов изоляции
Нормирование осуществляется для неподвижных обмоток, подвижных обмоток (обмотки якоря) и коллектора. Изоляционные материалы приведены в табл. 5.2.
Таблица 5.2. Электроизоляционные материалы для систем изоляции тяговых электродвигателей
ЯКОРНАЯ ОБМОТКА
| Тип изоляции |
Класс нагревостойкости В, F |
Класс нагревостойкости Н |
| Витковая изоляция |
ЛСЭК-5-ТПл ЛСК-110-ТПл ЛСЭП-934-ТПл Элмикатерм 524019 |
Провод ПСДКТ Провод ППИПК-2 ПМ-40 |
| Корпусная изоляция катушек | ЛСЭК-5-ТПл ЛСК-110-ТПл Элмикатерм 524019 ЛСЭП-934-ТПл ЛСУ ЛСМ |
ЛСПМ ЛСК-СС ЛИКО-ТТ |
|
Пазовая изоляция: – пазовая коробка – клин пазовый |
Изофлекс 191 Синтофлекс 515 Синтофлекс 616 СТЭФ |
Имидофлекс 292 Синтофлекс 818 СТ-ЭТФ |
| Межламельная изоляция коллектора |
КИФЭ, КИФЭ-А Элмикапласт 1440 |
КИФЭ-Н, КИФК Элмикапласт 1440 |
| Коллекторные манжеты | Элмикаформ 323 Пл |
Элмикаформ 325, 325 ПМ, ФИФК-ТПл |
| Бандаж | ЛСБЭ-155 | ЛСБЭ-180 |
| Межслойная изоляция | Элмика 423 СТЭФ | Элмика 425 |
| Пропиточные составы |
ФЛ-98, МЛ-92, ПЭ-933 Компаунд эпоксидно-ангидридный Компаунд полиэфирный |
КО-916, Компаунд полиэфиримидный |
СТАТОРНАЯ ОБМОТКА: Катушки главного и добавочного полюсов
СТАТОРНАЯ ОБМОТКА: Компенсационная катушка
| Тип изоляции |
Класс нагревостойкости В, F |
Класс нагревостойкости Н |
| Витковая изоляция |
ЛСК-110-ТПл ЛСЭК-5-ТПл Элмикатерм 524019 |
ПМ-40 |
| Корпусная изоляция |
ЛСК-110-ТПл ЛСЭК-5-ТПл Элмикатерм 524019 |
ПМ-4040 |
| Пазовая изоляция |
Изофлекс 191 Синтофлекс 515 Синтофлекс 616 |
Имидофлекс 292 Синтофлекс 818 |
Синтофлекс представляет собой двухслойную или многослойную композицию, состоящую из полиэфирной пленки и полиэфирной бумаги, пропитанную смолой со стороны бумаги. Он применяется для пазовой изоляции, крышки-клина, межслойная изоляция низковольтных электрических машин в системе изоляции класса нагревостойкости В (130 °С). В сочетании с более нагревостойкими пропиточными составами допускается применение с длительно допустимой рабочей температурой 155°С. Ресурс работы 30 000 ч.
МЛ, ФЛ – лаки на основе модифицированного глифталя с различными свойствами в зависимости от марки.
Имидофлекс – изоляционный материал, основа которого полиамидная пленка, стеклоткань, эпоксидно-каучуковый состав.
К классу В относятся материалы на основе слюдинитов и эпоксидно-полиэфирных компаундов.
К классу F относятся ленты на основе эпоксидно-полиэфирного лака ЭП-934. Сама лента слюдинитовая.
К классу Н относится асбестная бумага толщиной от 0,2 до 1 мм, миканиты, полиамидная пленка.
6. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
6.1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей
Номинальными и определяющими параметрами тяговых машин называют ток, мощность и кпд, соответствующие определенному режиму работы, установленному стандартом.
Для тяговых машин таких режимов два:
- часовой;
- длительный.
Часовой режим – это режим работы двигателя с таким током на испытательном стенде в течение 1-го часа, с возбуждением, предусмотренным для этого режима и нормально действующей вентиляцией, который не вызывает превышения температуры его частей над температурой окружающего воздуха выше норм, установленных для данного класса изоляции.
Длительный режим – определяется наибольшим током, так же как и часовой, но при работе двигателя на испытательном стенде в течение неограниченного времени. Номинальными для электровоза считаются параметры длительного режима:
I ∞ , Р ∞ , n ∞ , η ∞ .
Номинальные данные тяговых двигателей приводят на специальных
табличках, которые укрепляются на несъёмной части тягового двигателя.
В них указывают:
1) товарный знак предприятия-изготовителя;
2) род (двигатель, генератор) машины;
3) тип машины;
4) род тока;
5) номинальные режимы работы;
6) наибольшую эксплуатационную частоту вращения n;
7) номинальную степень возбуждения;
8) массу машины;
9) год выпуска машины;
10) обозначение стандарта, которому машина соответствует;
11) класс изоляции.
Естественно, как и любая машина, тяговый двигатель обладает определенными характеристиками.
6.2. Магнитные и нагрузочные характеристики тягового электродвигателя
Магнитной характеристикой машины называют зависимость магнитного потока Ф от магнитно-движущей силы (мдс) F катушки главного полюса или пропорционального от тока возбуждения в Ι (часто вместо в Ф f I) используют зависимости
С п Ф = f Ι в
(6.1)С v Ф = f Ι в
(6.2)где
60 n
p
C
а;
1000
60 v n
б
С С
Д;
n С – конструкционная постоянная машины;
p – число пар полюсов;
а – число пар параллельных ветвей обмотки
якоря;
N – число проводников обмотки якоря;
– передаточное отношение тяговой передачи;
б Д – диаметр бандажа.
Нагрузочная характеристика – это зависимость Ф f F или в Ф f при различных в I , но постоянных я I . Эти кривые учитывают размагничивающее действие я I . Магнитные характеристики получают при расчете магнитной цепи машины.
Для 4-полюсного тягового двигателя без компенсационной обмотки магнитная цепь имеет вид, показанный на рис. 6.1.
Магнитная характеристика при холостом ходе машины определяется несколькими значениями магнитного потока, который может быть определен следующим:
где к U – напряжение на коллекторе;
н n – частота вращения в номинальном режиме. Обычно задается или
определяется исходя из эксплуатационной необходимости.
Намагничивающую силу катушки главного полюса находят суммированием всех магнитных напряжений по участкам магнитной цепи. Индукция на участках
где Si – сечение отдельных участков магнитной цепи. Следует учитывать, что магнитный поток сердечника полюса и остова определяется как
Ф" = σФ , (6.5)
где – коэффициент рассеяния магнитного потока главных полюсов.
Сечения участков магнитной цепи можно определить следующим образом: воздушного зазора
S = α τ l я , (6.6)
где – коэффициент полюсного перекрытия;
я – длина якоря;
– полюсное деление
Рис. 6.1. Эскиз магнитной цепи
тягового двигателя
остова
при
я l
0 0 я S h ; (6.8)
при я 0 0 2 я S h ; (6.9)
где 0 h – толщина остова;
зубцов якоря
1/3 / 2 z ия я S К Z Z р, (6.10)
где ия К – коэффициент заполнения пакета якоря сталью;
1/3 Z – ширина
зубцов на 1/3 их высоты; ;
Z – число зубцов.
сердечника якоря
0,5 2 2 0,65 я я z i вр в я ия S Д h Д n d К, (6.11)
где я Д – диаметр якоря;
z h – высота зубцов;
i Д – внутренний диаметр пакета якоря;
вр n – количество рядов вентиляционных каналов;
в d – диаметр
канала;
сердечника полюса
m я ип S в К, (6.12)
где
m в – ширина сердечника полюса;
ип К – коэффициент заполнения сердечника полюса сталью.
Если у машины есть компенсационная обмотка, то площадь сечения зубцов
zko zko ко я ип S в Z К, (6.13)
где zko в – ширина зубца компенсационной обмотки;
ко Z – число зубцов на
полюсе.
Падение напряжения в воздушном зазоре
8 в в в F В К, (6.14)
где – эквивалентный воздушный зазор; ;
в В – индукция в воздушном зазоре;
в К – коэффициент воздушного зазора (учитывает зубчатую структуру якоря)
где 1 t
– зубцовое деление якоря;
1 Z
– ширина зубца по окружности якоря.
У машин с компенсационной обмоткой
10 10 ко в в zko t К К в. (6.16)
Имея значение магнитной индукции для соответствующей стали, можно
определить значения i Н напряженности магнитного поля.
Падение напряжения на стальных участках магнитной цепи
i i i F Н L , (6.17)
где i Н – напряженность магнитного поля на ом i участке магнитной цепи;
i L – длина силовых линий на этом участке магнитной цепи.
Из-за дополнительного воздушного зазора между полюсом и остовом возникает дополнительное падение магнитного напряжения
0,8 mo m F В, (6.18)
где m В – индукция в сердечнике полюса.
o o o m m zko zko z z я я в mo F Н L Н L H h Н h Н L F F (6.19)
для расчета характеристики Ф f F .
Необходимо проделать расчеты для различных значений магнитного потока (0,5Ф; 0,25Ф и т. д.).
При расчете двигателей последовательного возбуждения
/ в o в I I F , (6.20)
где в – число витков обмотки возбуждения.
По току якоря можно определить реакцию якоря и затем зависимость Ф f F при нагрузке
o ря ря F F K F , (6.21)
где ря К – коэффициент размагничивания якоря (получают опытным путем).
Кривая намагничивания показана на рис. 6.2. F Ф в I
Характеристика намагничивания является как бы базовой, служащей основанием для расчета всех остальных (эксплуатационных) рабочих характеристик двигателей.
6.3. Рабочие характеристики двигателей
Рабочие характеристики двигателей делятся:
- на электромеханические;
- электротяговые;
- тяговые;
- мощности.
Электромеханические характеристики – зависимость частоты вращения n, вращающего момента M и коэффициента полезного действия от тока I .
Электротяговые характеристики – это зависимости скорости движения локомотива V, касательной силы тяги F и кпд 0 на ободе движущих колес от I (тока).
Тяговой характеристикой называют зависимость силы тяги двигателя (или локомотива) от скорости движения локомотива.
Характеристикой мощности называют зависимости мощности от скорости движения локомотива.
6.3.1. Электромеханические характеристики
Частота вращения двигателя определяется по формуле
к д n U I r n С Ф, (6.22)
где д r – сопротивление цепи тока тягового двигателя. Электромагнитный вращающий момент может быть получен из уравнения электромагнитной мощности
э n E Р Е I С Фn I или / 0,974 э э Р M n ; (6.23)
Мэ 0,974 Сn . (6.24)
Часть момента тратится на преодоление внутренних сил сопротивления
0,974 / мех маг в M Р Р Р n , (6.25)
где мех Р – механические потери; маг Р – потери на перемагничивание в стали; в Р – потери на вентиляцию.
Вращающий момент на валу двигателя
0,974 / э n мех маг в М М М С Ф I Р Р Р n . (6.26)
6.3.2. Электротяговые характеристики
Скоростная характеристика получается из зависимости n f I путем несложных пересчетов:
к д v U I r V С Ф, (6.26 а)
0,188 n v б C C Д. (6.27)
где к U – напряжение на коллекторе;
I – ток двигателя;
д r – сопротивление
всех обмоток;
v С – конструкционная постоянная колесно-моторного блока;
Ф – магнитный поток;
– передаточное отношение;
б Д – диаметр бандажа.
Касательная сила тяги на ободе колеса
3 2 / к б F М Д, (6.28)
где 3 – кпд зубчатой передачи;
б Д – диаметр бандажа колеса.
6.4. Коэффициент полезного действия и потери в двигателе
Потери в тяговых двигателях (как и вообще в электрических машинах) складываются из электрических э Р, магнитных маг Р, добавочных д Р и механических мех Р
дв э маг мех доб Р Р Р Р Р Р. (6.29)
Естественно, что для расчета этих потерь необходимо определить все соответствующие приведенной формулы.
Электрические потери
2 э д щ Р I r I U , (6.30)
где д r – сопротивление всех обмоток двигателя;
Uщ – падение напряжения в щёточных контактах (обычно 2…3 В).
Магнитные потери возникают при перемагничивании сердечника якоря. Их определяют по удельным потерям в зубцах и теле якоря
маг с z z я я Р К р m р m , (6.31)
где с К – коэффициент магнитных потерь в стали якоря.
Это эмпирический коэффициент, учитывающий увеличение потерь в стали из-за неидеальности шихтовки, наклепа при штамповке и добавочных потерь холостого хода:
1,5/50 0,8 с К р, (6.32)
где 1,5/50 р – удельные потери в электротехнической стали при индукции 1,5 ТЛ и частоте 50 Гц (Вт/кг); я m – масса стали ярма якоря; z m – масса стали зубцового слоя якоря; я р – удельные магнитные потери в ярме якоря; я р – удельные магнитные потери в зубцовом слое якоря.
Масса ярма (или тела) якоря определяется по формуле
2 2 2 2 4 я я п i к к ия я с m Д h Д m d К, (6.33)
где hп – высота паза якоря;
i Д – диаметр отверстия под втулку, на которую набирается сердечник якоря;
к m – количество вентиляционных каналов;
к d – диаметр вентиляционных каналов;
ия К – коэффициент заполнения пакета якоря сталью;
я – длина якоря;
я = 7850 кг/м3 – плотность.
Аналогично определяется масса зубцового слоя
z я п п п я uя с m Д h Z в h К, (6.34)
где Z – число зубцов якоря; п в – ширина паза якоря, м.
Удельные потери в ярме якоря определяются по формуле
2 2 0,044 5,6 0,01 я я я z р f f В (6.35)
и в зубцах
2 2 0,044 5,6 0,01 z я я z р f f В, (6.36)
где я f – частота перемагничивания якоря;
60 я р n f , (6.37)
где р – число пар полюсов; n – частота вращения.
Механические потери в двигателе зависят от следующих факторов:
- потери на трение в якорных подшипниках;
- потери на трение щеток о коллектор;
- потери на трение о воздух и вентиляцию при самовентиляции.
Потери на трение в якорных подшипниках качения составляют примерно 0,2 % от часовой мощности тягового двигателя, КВт,
0,002 пч ч Р Р. (6.38)
Вторые, из перечисленного списка, потери зависят от силы трения щеток о коллектор, а также от скорости вращения, и определяются как
тщ щ щ щ F f р S , (6.39)
где 0,25...0,29 щ f – коэффициент трения щеток о коллектор; щ S – общая площадь щеток; щ р – давление щеток на коллектор.
Тогда потери имеют вид:
9,81 тщ тщ кч Р F V , (6.40)
где Vкч – линейная скорость коллектора. Это потери при часовом режиме.
В случае изменения режима, а также при построении характеристик кпд, потери в подшипниках и от трения щеток о коллектор будут определяться по формуле
п тщ пч тщч ч n P Р Р Р n , (6.41)
где n, ч n – частоты вращения в заданном и часовом режимах.
В случае самовентиляции возникают дополнительные потери, вызванные сопротивлением воздуха
9,81 / вн в Р QH , (6.42)
где Q – расход воздуха м3/с;
Н – напор кг·с/м2;
в – кпд вентилятора.
К добавочным потерям д Р обычно относят потери, связанные с вихревыми токами в меди обмотки якоря. Вызваны они, как правило, искажением магнитного поля реакции якоря.
Есть несколько способов определения добавочных потерь. Самый простой из них – это определение потерь в процентном отношении от магнитных потерь по диаграмме (рис. 6.3).
Таким образом, имея потери в двигателе, можно определить кпд, отнесенный к валу двигателя, как
1 к дв дв к к U I Р Р U I U I . (6.43)
Если машина в генераторном режиме
1 1 к к дв дв к U I U I Р Р U I . (6.44)
Кпд, отнесенный к ободам движущей колесной пары,
где 3 – кпд зубчатой передачи. Обычно 3 определяется по диаграмме в функции от мощности.
Таким образом, определяются зависимости, описывающие электромеханические и электротяговые характеристики. Вид этих характеристик при- веден на рис. 6.4.
Осталось определить тяговую характеристику, т. е. зависимость
к F f V . 39 V, FK I FK V 0
Рис. 6.4. Общий вид электромеханических
и электротяговых характеристик электродвигателя
При заданной скорости движения силу тяги можно определить, используя уравнения мощности, реализуемой на ободе колеса
/ 0,367 к к Р F V , (6.46)
так как к к о Р U I , то
0,367 / к к о F U I V . (6.47)
7. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В условиях эксплуатации необходимо непрерывно менять режимы работы двигателя, поддерживая ток и силу тяги в допустимых или в необходимых пределах. Это же можно сказать и о скорости.
Для того чтобы было наглядно видно, какие из параметров тягового
двигателя можно регулировать, запишем ещё раз формулу для расчета
скорости
(7.1)
Из этого уравнения видно, что регулировать скорость можно изменением напряжения на коллекторе, изменением тока и магнитного потока.
Допустим, что формула записана для одного значения скорости V 1 и напряжения U к1 тогда если напряжение стало U к2 , то характеристику скоростную можно пересчитать по формуле
(7.2)
На электровозах переменного тока применяют либо ступенчатое регулирование напряжения за счет секционирования обмотки трансформатора ВЛ80к либо плавное регулирование – с использованием тиристорных регуляторов ВЛ80р, ВЛ85, 2(3)ЭС5К.
На электровозах постоянного тока обычно используют два способа регулирования напряжения. Это переключение числа последовательно включенных двигателей, т. е. изменение так называемой группировки двигателей С,
СП, П, либо включение в цепь двигателей пусковых реостатов, снижение за
счет падения напряжения на них и напряжения на тяговых двигателях.
При этом напряжение на двигателе можно определить как
(7.3)
где U
с – напряжение контактной сети;
n
с – число, последовательно включенных двигателей в сети;
m
– число параллельных двигателей;
R
n – сопротивление пускового реостата.
Тогда скорость при включении сопротивления будет определяться как
(7.4)
Как уже отмечалось, можно регулировать скорость и с помощью изменения магнитного потока. Достигается это несколькими способами:
1) секционированием катушек главных полюсов;
2) изменением тока возбуждения (при независимом возбуждении);
3) шунтированием обмотки возбуждения резистором.
Первый способ очень дорог и не удобен, так как для его реализации требуется усложнение конструкции машины.
Второй – не реализуется у двигателей последовательного возбуждения.
Третий способ самый распространенный. Обмотка возбуждения шунтируется резистором и индуктивным шунтом, включенным с ним последовательно. Шунт ставят для защиты двигателей от резких бросков напряжения. Его наличие позволяет относительно плавно изменяться току в двигателе при бросках напряжения.
Степень регулирования оценивается коэффициентом возбуждения β :
где I ов, I nв – ток в обмотке при ослабленном и полном возбуждении.
Для получения скоростных характеристик при ослабленном возбуждении обычно используют метод, основанный на примерном равенстве магнитных потоков при одинаковой скорости движения в случае полного и ослабленного возбуждения (рис. 7.1).
Получение зависимости силы тяги от тока при ослабленном возбуждении (рис. 7.2) основано на том, что при токах I nв и I ов магнитные потоки приблизительно равны Ф ов ≈ Ф nв:
(7.6)
Степень ослабления поля зависит от допустимого межламельного напряжения. У машин с компенсационной обмоткой β
max
= 0,2...0,4 .
Регулировочные свойства машины принято оценивать коэффициентом
регулируемости:
К р = К н β max -1 , (7.7)
где К н = 1,6…2 – коэффициент насыщения. Обычно у современных двигателей.
Давыдов Ю.А.
Тяговые электрические машины. Учебное пособие
Хабаровск. Издательство ДВГУПС. 2013
