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.

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.

Общие сведения

Тяговый двигатель ДПМ-150 вагонов А

Развитие конструкции тяговых двигателей тесно связано с совершенствованием конструкции систем управления ими. Исторически подвижной состав всех видов электрического транспорта строился с коллекторными тяговыми двигателями. Это объясняется, в первую очередь, простотой простотой передачи энергии и управления режимами его работы. Такие двигатели обладают удобными для использования на транспорте механическими характеристиками. Однако, коллекторные двигатели имеют и ряд недостатков, связанных, в основном, с наличием коллектора. Коллектор, имеющий подвижные контакты (щетки), требует регулярного обслуживания. Для обеспечения надежной коммутации, снижения искрения усложняется конструкция электродвигателя. Кроме того, это ограничивает максимальную скорость вращения, что приводит к увеличению габаритов двигателя.

Развитие силовой полупроводниковой техники, обладающей высоким быстродействием, позволило в 1960-х - 80-х годах сначала отказаться от реостатной системы управления коллекторными тяговыми двигателями, заменив её более надежной и экономичной импульсной, а затем и перейти к выпуску вагонов с асинхронным тяговым приводом. На отечественных метрополитенах первым серийно выпускавшимся типом вагонов с импульсным регулированием стал тип 81-718/719 в 1991 году, а первым серийно выпускаемым типом вагонов с асинхронными двигателями - «Яуза» 81-720.1/721.1 в 1998 году.

Основными недостатками асинхронных двигателей являются сложность регулирования и сложность осуществления электрического торможения при использовании двигателей с короткозамкнутым ротором. Поэтому в настоящее время разрабатываются конструкции тяговых приводов, использующих синхронные двигатели с ротором на постоянных магнитах, вентильно-индукторные двигатели.

Коллекторные тяговые двигатели

Тяговый двигатель ДПТ-114 (аналог ДК-117)

В России существует единая унифицированная серия коллекторных тяговых двигателей постоянного тока, в которую вошли и двигатели электропоездов метрополитена . Все они имеют общий принцип компоновки и много унифицированных узлов и деталей. При изготовлении унифицированных тяговых двигателей можно использовать однотипное станочное оборудование, что снижает их стоимость. На вагонах метрополитена широко используют тяговые двигатели постоянного тока. Такие двигатели обладают хорошими тяговыми характеристиками, сравнительно просты по конструкции и надежны в эксплуатации. По конструкции тяговые двигатели электроподвижного состава существенно отличаются от стационарных двигателей постоянного тока, что объясняется особенностями их расположения и условиями работы. Размеры тягового двигателя, подвешенного под кузовом вагона, ограничены подвагонными габаритами. Диаметр его определяется диаметром колеса, так как должно быть выдержано определенное расстояние от нижней точки двигателя до уровня головки рельсов . Длина тягового двигателя ограничена габаритными размерами тележки . На вагонах установлены четыре тяговых двигателя: по одному на каждую колесную пару. Нумерация их идет по осям, считая от кабины управления . Тяговый двигатель работает в тяжелых условиях, так как на него попадают грязь с железнодорожного полотна , пыль от тормозных колодок, дождь и снег на открытых участках трассы. Поэтому все детали, расположенные в его корпусе, должны быть защищены. Для лучшего отвода тепла, выделяющегося при работе тягового двигателя, на валу якоря установлен вентилятор, засасывающий воздух со стороны коллектора и прогоняющий его через двигатель. В паспорте стационарных электрических машин обычно указывает их номинальную мощность продолжительного режима, то есть такую мощность, которую машина должна отдавать неограниченно долгое время, причем температура его узлов и деталей не должна превышать значений, допускаемых нормами для изоляционных материалов. Режим работы тяговых двигателей резко меняется в зависимости от профиля пути и веса поезда. Это не позволяет характеризовать работоспособность тягового двигателя только значением номинальной мощности продолжительного режима. Поэтому характеристики тяговых двигателей даны для часового и максимального режимов.

Асинхронные тяговые двигатели

Тяговый асинхронный двигатель ДАТЭ-170

Тяговые двигатели ДАТЭ-170 входят в комплект тягового привода КАТП-1, устанавливаемого на вагонах 81-720.1/721.1 и 81-740/741 . Их основные параметры:

• Номинальная мощность - 170 кВт
• Минимальное напряжение - 530 В
• Номинальная частота тока статора - 43 Гц
• Номинальная частота вращения - 1290 об/мин
• Максимальная частота вращения - 3600 об/мин
• Масса - 805 кг

Кроме того, в эксплуатации на метрополитенах Казани, Киева, Праги находятся вагоны отечественного производства с асинхронным приводом производства фирмы «Шкода».

Конструкция тяговых двигателей

Устройство тягового двигателя постоянного тока

Все тяговые двигатели постоянного тока вагонов метрополитена имеют в основном одинаковое устройство. Двигатель состоит из остова, четырех главных и четырех добавочных полюсов, якоря, подшипниковых щитов, щеточного аппарата, вентилятора.

Остов двигателя

Он выполнен из электромагнитной стали имеет цилиндрическую форму и служит магнитопроводом. Для жесткого крепления к поперечной балке рамы тележки на остов предусмотрены три прилива-кронштейна и два предохранительных ребра. В остове имеются отверстия для крепления главных и добавочных полюсов, вентиляционные и коллекторные люки. Из остова двигателя выходят шесть кабелей. Торцовые части остова закрыты подшипниковыми щитами. В остове укреплена паспортная табличка с указанием завода-изготовителя, заводского номера, массы, тока, частоты вращения, мощности и напряжения.

Главные полюсы

Тяговый двигатель ДК-117 в разрезе

Они предназначены для создания основного магнитного потока. Главный полюс состоит из сердечника и катушки. Катушки всех главных полюсов соединены последовательно и составляют обмотку возбуждения. Сердечник набран из листов электротехнической стали толщиной 1,5 мм для Уменьшения вихревых токов. Перед сборкой листы прокрашивают изоляционным лаком, сжимают прессом и скрепляют заклепками. Часть сердечника, обращенная к якорю, выполнена более широкой и называется полюсным наконечником. Эта часть служит для поддержания катушки, а также для лучшего распределения магнитного потока в воздушном зазоре. В тяговых двигателях ДК-108А, установленных на вагонах Е (по сравнению с ДК-104 на вагонах Д), увеличен зазор между якорем и главными полюсами, что, с одной стороны, дало возможность увеличить скорость в ходовых режимах на 26 %, а с другой стороны, уменьшилась эффективность электрического торможения (медленное возбуждение двигателей в генераторном режиме из-за недостаточного магнитного потока). Для увеличения эффективности электрического торможения в катушках главных полюсов кроме двух основных обмоток, создающих основной магнитный поток в тяговом и тормозном режимах, имеется третья - подмагничивающая, которая создает дополнительный магнитный поток при работе двигателя только в генераторном режиме. Подмагничивающая обмотка включена параллельно двум основным и получает питание от высоковольтной цепи через автоматический выключатель, предохранитель и контактор. Изоляция катушек главных полюсов кремнийорганическая. Главный полюс крепится к остову двумя болтами, которые ввертывают в квадратный стержень, расположенный в теле сердечника.

Добавочные полюсы

Они предназначены для создания дополнительного магнитного потока, который улучшает коммутацию и уменьшает реакцию якоря в зоне между главными полюсами. По размерам они меньше главных полюсов и расположены между ними. Добавочный полюс состоит из сердечника и катушки. Сердечник выполнен монолитным, так как вихревые токи в его наконечнике не возникают из-за небольшой индукции под добавочным полюсом. Крепится сердечник к остову двумя болтами. Между остовом и сердечником для меньшего рассеяния магнитного потока установлена диамагнитная латунная прокладка. Катушки добавочных полюсов соединены последовательно одна с другой и с обмоткой якоря.

Якорь

Тяговый двигатель ДК-108 в разрезе

Машина постоянного тока имеет якорь, состоящий из сердечника, обмотки, коллектора и вала. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при пересечении якорем магнитного поля, листы изолируют один от другого лаком. В каждом листе имеется отверстие со шпоночной канавкой для насадки на вал, вентиляционные отверстия и пазы для укладки обмотки якоря. В верхней части пазы имеют форму ласточкиного хвоста. Листы насаживают на вал и фиксируют шпонкой. Собранные листы прессуются между двумя нажимными шайбами. Обмотка якоря состоит из секций, которые укладывают в пазы сердечника и пропитывают асфальтовым и бакелитовым лаками. Чтобы обмотка не выпадала из пазов, в пазовую часть забивают текстолитовые клинья, а переднюю и заднюю части обмотки укрепляют проволочными бандажами, которые после намотки пропаивают оловом. Назначение коллектора машины постоянного тока в различных режимах работы неодинаково. Так, в генераторном режиме коллектор служит для преобразования переменной электродвижущей силы (э.д.с), индуцируемой в обмотке якоря, в постоянную э.д.с. на щетках генератора, в двигательном - для изменения направления тока в проводниках обмотки якоря, чтобы якорь двигателя вращался в какую-либо определенную сторону. Коллектор состоит из втулки, коллекторных медных пластин, нажимного конуса. Коллекторные пластины изолированы друг от друга миканитовыми пластинами, от втулки и нажимного конуса - изоляционными манжетами. Рабочую часть коллектора, имеющую контакт со щетками, протачивают на станке и шлифуют. Чтобы при работе щетки не касались миканитовых пластин, коллектор подвергают «продорожке». При этом миканитовые пластины становятся ниже коллекторных примерно на 1 мм. Со стороны сердечника в коллекторных пластинах предусмотрены выступы с прорезью для впаивания проводников обмотки якоря. Коллекторные пластины имеют клинообразное сечение, а для удобства крепления - форму «ласточкин хвост». Коллектор насаживают на вал якоря прессовой посадкой и фиксируют шпонкой. Вал якоря имеет разные посадочные диаметры. Кроме якоря и коллектора, на вал напрессована стальная втулка вентилятора. Внутренние кольца подшипников и подшипниковые втулки насажены на вал в горячем состоянии.

Подшипниковые щиты

В щитах установлены шариковые или роликовые подшипники - надежные и не требующие большого ухода. Со стороны коллектора стоит упорный подшипник; его наружное кольцо упирается в прилив подшипникового щита. Со стороны тяговой передачи установлен свободный подшипник, который позволяет валу якоря удлиняться при нагреве. Для подшипников применяют густую консистентную смазку. Чтобы смазка при работе двигателей не выбрасывалась из смазочных камер, предусмотрено гидравлическое (лабиринтное) уплотнение. Вязкая смазка, попав в небольшой зазор между канавками-лабич рингами, проточенными в щите, и втулкой, насаженной на вал, под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам лабиринта, где самой смазкой создаются гидравлические перегородки. Подшипниковые щиты крепят к обеим сторонам остова.

Щеточный аппарат

Для соединения коллектора двигателя с силовой цепью вагона используют электрографитные щетки марки ЭГ-2А, которые обладают хорошими коммутирующими свойствами, высокой механической прочностью и способны выдерживать большие перегрузки. Щетки представляют собой прямоугольные призмы размером 16 х 32 х 40 мм. Рабочую поверхность щеток пришлифовывают к коллектору для обеспечения надежного контакта. Щетки устанавливают в обоймы, называемые щеткодержателями, и соединяют с ними гибкими медными шунтами: в каждом щеткодержателе по две щетки, число щеткодержателей - четыре. Нажим на щетку осуществляется пружиной, упирающейся одним концом через палец в щетку, другим - в щеткодержатель. Нажатие на щетку должно быть отрегулировано в строго определенных пределах, так как чрезмерный нажим вызывает быстрый износ щетки и нагрев коллектора, а недостаточный не обеспечивает надежного контакта между щеткой и коллектором, вследствие чего возникает искрение под щеткой. Нажатие не должно превышать 25Н (2,5 кгс) и быть менее 15Н (1,5 кгс). Щеткодержатель укрепляют на кронштейне и с помощью двух шпилек, запрессованных в кронштейн, крепят непосредственно к подшипниковому щиту. Кронштейн от щеткодержателя и подшипникового шита изолируют фарфоровыми изоляторами. Для осмотра коллектора и щеткодержателей в остове двигателя имеются люки с крышками, обеспечивающими достаточную защиту от проникновения воды и грязи.

Вентилятор

В процессе работы необходимо охлаждать двигатель, так как с повышением температуры его обмоток снижается мощность двигателя. Вентилятор состоит из стальной втулки и силуминовой крыльчатки, скрепленных восемью заклепками. Лопатки крыльчатки расположены радиально для выброса воздуха в одном направлении. Вентилятор вращается вместе с якорем двигателя, создавая в нем разрежение. Потоки воздуха засасываются внутрь двигателя через отверстия со стороны коллектора. Часть воздушного потока омывает якорь, главные и добавочные полюса, другая проходит внутри коллектора и якоря по вентиляционным каналам. Воздух выталкивается наружу со стороны вентилятора через люк остова.

Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Промышленный асинхронный двигатель в разрезе

Асинхронный двигатель состоит из двух основных узлов: статора и ротора. На статоре размещают трехфазную обмотку, создающую вращающееся магнитное поле. Скорость вращения магнитного поля определяется частотой питающего двигатель тока и числом пар полюсов.

Обмотку ротора выполняют в виде так называемой «беличьей клетки». Она является короткозамкнутой и не имеет выводов. Беличья клетка состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора, набранного из листов электротехнической стали, без какой-либо изоляции. По торцам ротора устанавливают лопасти, образующие центробежный вентилятор. Ток в роторе наводится движущимся относительно него полем статора. Таким образом, для работы двигателя необходима разность скоростей вращения ротора и поля статора, что и отражено в его названии.

Характеристики тяговых двигателей

В таблице приведены технические характеристики коллекторных тяговых двигателей вагонов метрополитена:

Тип двигателя	ДПМ-151	ДК-102А…Г	SL-104n	USL-421	ДК-104А	ДК-104Г, Д	ДК-108А	ДК-108А1	ДК-108Г	ДК-108Д	ДК-112А	ДК-115Г	ДК-116А	ДК-117А	ДК-117ДМ	ДК-120АМ
Тип вагонов			В2	В3	В1				1959	1970			1973	1973	1975	1987	1991
Часовая мощность, кВт	153	83	100	70	80	73	64	68	66	66	68	90	72	110	112-114	115
Номинальное напряжение, В	750	375			750	375	375	375	375	375	375	375	375	375	375	375
Рабочее ослабление поля, %	65	44,5			40	40	35								28
Часовой ток, А	225	248			220	220	195	210	202	205	210	270	218	330	330-340	345
Часовая частота вращения, об/мин	950 / 968	1160			1300	1355	1530	1450	1510	1600	1600	1600	1360	1480	1480	1500
Длительный ток, А	173	205				185	175	182	178	178	185	230	185	295	290	295
Длительная частота вращения, об/мин	1075	1320				1455	1580	1600				1740	1220
Наибольший ток, А	450	500				440	420	420					440
Масса, кг	2340	1490				700	615	630	630			625	625	765	760	770
Число пар полюсов	2	2				2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
Число коллекторных пластин	185	238				141	175	175	175	175	175		175	210	210
Возбуждение	Посл.	Посл.				Посл.	Посл. с подм.	Посл. с подм.	Посл.	Посл. с подм.			Посл.	Посл.	Посл.
Число витков обмотки ГП	38	16+16				33	30С+530Ш	30С	30	40	40		32	26	26
Сопротвиление обмотки якоря, Ом	0,066	0,041				0,068	0,086	0,078	0,092	0,092	0,092		0,066	0,034	0,0285
Сопротивление обмотки возбуждения, Ом	0,0615	0,0269				0,064	0,062+165	0,067+?	0,067	0,108	0,098		0,044	0,048	0,0312
Сопротивление добавочных полюсов, Ом	0,0338	0,0215				0,028	0,035	0,034	0,037	0,049	0,049		0,022	0,015	0,0103
Воздушный зазр под центром/краем полюса, мм	5 / 9	2,2 / 5				1,5 / 5,7		3,25 / 9					2,9	2,5	4 / 9

Конструкция используемых в настоящее время коллекторных тяговых двигателей ДК-117 и ДК-120 регламентируется техническими условиями ТУ 3355-029-05758196-02.

Характеристики коллекторных электродвигателей, применяемых на наземном городском транспорте.

Тяговые электродвигатели предназначены для привода колесных пар через тяговые редукторы и обеспечения движения тепловоза. Принципиальная конструкция большинства тяговых электродвигателей тепловозов одинакова. Различие состоит в основном в способе закрепления (подвески) на тележке, в системе смазывания моторно-осевых подшипников, в исполнении некоторых составных частей и в целом сборочных единиц, отражающем время выпуска и особенности тепловоза. Все тяговые электродвигатели, кроме типа ЭД126, являются четырехполюсными с последовательным возбуждением, а типа ЭД126 - шестиполюсные.

Тяговые электродвигатели могут работать только при обеспечении эффективной вентиляции. Основные технические данные тяговых электродвигателей для широко эксплуатируемых и осваиваемых новых тепловозов приведены в табл. 8.2. Наиболее типичными по устройству из выпускаемых и осваиваемых на перспективу тяговых электродвигателей являются ЭД118Б, ЭД125БМ, ЭД126А, ЭД900.

Тяговый электродвигатель ЭД118Б.

Электродвигатель (рис. 8.11) состоит из следующих сборочных единиц: якоря, магнитной системы (в корпусе которой также закреплены щеткодержатели со щетками), подшипниковых щитов с якорными подшипниками, съемных крышек и щитков монтажно-смотровых (коллекторных) и вентиляционных люков, выводных проводов концов обмоток, моторно-осевых подшипников.

Якорь электродвигателя собран на валу 1, изготовленном из качественной легированной стали с дополнительной термообработкой и имеющем свободный конусный конец для насадки ведущей шестерни тягового редуктора. Он опирается на два роликовых подшипника 2 и 21, вмонтированных в подшипниковые щиты 3 и 19. Сердечник 14 якоря набран из листов электротехнической стали, зажатых между нажимными шайбами. Зубцы крайних пакетов листов поверху сварены неплавя-щимся электродом. Пластины коллектора 4 вырублены совместно с петушками из полос трапецеидального профиля меди с присадкой кадмия. Обмотка 10 якоря петлевая одноходовая с неполным числом уравнительных соединений первого рода.

Укладка и закрепление обмотки в пазах сердечника выполнены по схеме (рис. 8.12).

Магнитная система собрана в литом стальном корпусе 13 (см. рис. 8.11), выполненном в поперечнике в виде неравностороннего восьмигранника и являющегося также маг-нитопроводом. На концах корпуса предусмотрены проемы (люки): одни - для подачи и выхода охлаждающего воздуха, другие - для осмотра и обслуживания коллектора, щеткодержателей, щеток и других внутренних частей в эксплуатации. По торцам корпуса выполнены фланцы с резьбовыми отверстиями и расточкой горловин для посадки и крепления подшипниковых щитов. Полюсы магнитной системы (главные 15

Таблица 8.2

Тип электродвигателя

Мощность, кВт

Напряжение, В

Частота вращения (наибольшая),

К.п.д. (наиболь-

Масса, кг

Класс изоляции

Параметры ох-

Система смазки

Серии тепловоза

при напряжении

наибольший крат-

обмоток якоря

лаждающего воздуха, Па

наименьшем

ковременный

наибольшем

Польс-стерная

2ТЭ10, М62, 2ТЭ116, ТЭМ2

ЭД118БУ1 ЭД121АУ1

к о (-и о С

Циркуляционная + поль-стерная МОП нет

2ТЭ116, ТЭЮ ТЭП70, ТЭП85

ЭД125БУХЛ1

Циркуляционная -+ поль-стерная

ЭД126АУХЛ1

2ТЭ126, ТЭ136

Переменный

2ТЭ120 (переменного тока)

и добавочные И) моноблочной конструкции. Они крепятся к корпусу болтами: главные - за жесткий продольный стержень, размещенный в пазу сердечника со стороны якоря, а добавочные - расположенными головками со стороны якоря и затянутыми гайками снаружи корпуса Такая конструкция гарантирует надежность крепления и долговечность резьбы, исключает обрыв болтов при затяжке и в эксплуатации. Головки и гайки снаружи корпуса залиты кварцкомпаундом 12 на основе смолы для предотвращения проникновения влаги внутрь двигателя.

Рис. 8.11. Тяговый электродвигатель типа ЭД118Б:

а - продольный (ступенчатый) разрез; б-- поперечный (частичный) разрез Рис. 8.12. Схема укладки обмотки якоря электродвигателя ЭД118Б: а - укладка в якорь и пластины коллектора уравнителей и катушек обмотки; б - размещение катушек в пазах сердечника; 1- пластины (петушки пластин) коллектора; 2, 7- верхняя и нижняя ветви уравнителя; 3, 4- верхняя и нижняя ветви секции катушки; 5, 6- верхняя и нижняя ветви катушек в пазе; 8, 9- шаг по коллектору катушек и уравнителей; 10, 14- защитная и уплот-ннтельные изоляционные прокладки; 11- изоляционная выстилка паза; 12- корпусная изоляция катушки; 13- проводник секции катушки; 15- пазовый клнн Катушки полюсов выполнены из медных шин: главных - плашмя, добавочных - на ребро. Устройство полюсов показано на рис. 8.13. Соединение катушек полюсов в магнитной системе выполнено: главных - изолированными шинами 18 (см. рис. 8.11), изготовленными в виде пакетов из медных лент и расположенными со стороны привода, добавочных - многожильными проводами (кабелями) 25 со стороны коллектора. Шины и провода в средней части дополнительно закреплены бандажами 26 к скобам корпуса.

Щеткодержатели 5 имеют спиральные ленточные пружины со ступенчатой регулировкой нажатия на щетки и крепятся через изоляторы 7 в разъемных кронштейнах 6, приваренных одной половиной к торцовому фланцу корпуса электродвигателя. Подробно устройство щеткодержателя показано на рис. 8.14, а.

Подшипниковые щиты, кроме опоры и центрирования якоря, служат Рис. 8.13. Устройство полюсов электродвигателя ЭД118Б;

а - главного; б - добавочного; 1, 23- сердечник полюса; 2- стержень крепления полюса; 3, 19- вывод катушкн; 4- корпус электродвигателя; 5, 21- волнистая пружинная рамка; 6, 16- изоляционный каркас; 7, 14- корпусная изоляция катушки; 8, 12, 20- рамка изолирующая; 9- изоляционный заполнитель уступа; 10, 17-межвитковая изоляция; 11, 15-проводники катушки; 13, 24-изоляция сердечника; 18- пластина подпора вывода катушки; 22- немагнитная прокладка; 25- немагнитный опорный уголок Рис. 8.14. Щеткодержатели тяговых электродвигателей:

а - со спиральной ленточной пружиной; б- с рулонной пружиной; в -с винтовой проволочной пружиной; 1, 11, 22- корпуса; 2, 12, 23- болты крепления токопровода щетки; 3, 13, 28- щетки разрезные; 4, 14, 26- амортизаторы; 5, 15, 27, 29- нажимные пальцы; 6, 16, 34- пружины; 7- фиксаторы; 8, 20, 21, 32, 33, 35- оси; 9, 18- изоляционные пальцы крепления щеткодержателя; 10- уплотнитель; 17, 30- нажимные рычаги; 19, 24- рифление привалочной (контактной) поверхности; 25- болт крепления щеткодержателя к кронштейну; 31- регулировочный винт торцовыми частями корпуса электродвигателя. Они представляют литые стальные диски со ступицей для посадки и буртом для закрытия изнутри электродвигателя якорных подшипников. Снаружи подшипники закрыты закрепленными к щитам крышками с лабиринтными уплотнениями, предотвращающими вытекание и загрязнение смазки в эксплуатации. В горловины торцовых фланцев корпуса щиты установлены по плотной посадке и закреплены по периметру болтами. Смазку в подшипники в эксплуатации добавляют через каналы 22 или трубки (см. рис. 8.11), закрываемые болтом-пробкой. Для предотвращения подсоса смазки из подшипника внутрь электродвигателя от разрежения вблизи выхода охлаждающего воздуха из электродвигателя смазочная камера этого подшипника соединена каналом 20 с атмосферой. Крышка 30 основного (верхнего) коллекторного люка закреплена на корпусе с помощью Г-образной бобышки 27 и рычажного пружинного замка 31, а остальные крышки 23, 40 и щитки 16 - болтами. Все крышки имеют уплотнители 28 из пористой резины.

Моторно-осевые подшипники служат опорой электродвигателя на ось колесной пары тележки. Они вмонтированы в специальные разъемные приливы (выступы) корпуса электродвигателя и включают вкладыши 39, смазочное устройство и крышку 38, закрепленную болтами 37. Вкладыши выполнены в виде массивных бронзовых цилиндров, разрезанных по образующей на две половины. В средней части одной половины предусмотрено окно для прохода фитиля и подвода смазки к трущимся поверхностям оси и вкладыша. Рабочая поверхность вкладышей залита баббитом и для лучшего прохода смазки по длине имеет фигурную (гиперболическую) расточку. Смазочное устройство включает две независимые системы смазки: циркуляционную и фитильную (польстер-ную). Циркуляционная система смазки осуществляется шестеренным насосом, приводимым во вращение от оси колесной пары и подающим смазку к трущимся поверхностям из ванны (камеры) 36. Польстерная система подвода смазки основана на принципе капиллярности и осуществляется с помощью закрепленного в обойме хлопчатобумажного фитиля 33, один конец которого опущен в ванну со смазкой, закрытую крышкой 35, а другой проходит через окно во вкладыше и прижимается к оси колесной пары пружинно-рычажным устройством 34. Такое резервирование гарантирует надежность смазки трущихся поверхностей во всем диапазоне скоростей движения тепловозов.

Электродвигатель устанавливается под кузовом на тележке тепловоза и крепится с одной стороны моторно-осевыми подшипниками на оси колесной пары, а с другой опирается специальными выступами («носиками») корпуса (со сменными накладками 24 повышенной износостойкости) на раму тележки через предварительно сжатые распорные пружины. Такое крепление (подвешивание) электродвигателя называется опорно-осевым.

Электродвигатель охлаждается воздухом, подаваемым от специальных вентиляторов тепловоза в раструб (люк) 8, который до установки электродвигателя на тепловоз закрыт крышкой 9. Охлаждающий воздух проходит двумя потоками: один над коллектором, сердечником якоря и в зазорах между полюсами магнитной системы, другой под коллектором, через аксиальные вентиляционные отверстия в сердечнике якоря. Оба потока соединяются в корпусе электродвигателя со стороны, противоположной коллектору, и выходят наружу через три радиальных люка 17, огражденных сетками 29 и щитками 16.

В электрическую схему тепловоза тяговые электродвигатели включаются выводными концами (проводами) 32 обмоток через поездные контакторы. Катушки возбуждения, как и катушки добавочных полюсов электродвигателя, включены последовательно с обмоткой якоря. При этом обмотка добавочных полюсов имеет постоянное соединение со щеткодержателями (а следовательно, и с обмоткой якоря) внутри электродвигателя. Для обеспечения реверса вращения якоря (и изменения направления движения тепловоза) начало и конец обмотки возбуждения имеют самостоятельные выводы. Обшая схема соединения и маркировки выводов обмоток электродвигателя приведена на рис. 8.15, а.

Эксплуатация и техническое обслуживание электродвигателей принципиально отличаются от генераторов только по моторно-осевым подшипникам. За моторно-осевыми подшипниками необходимы повседневное наблюдение и уход как за ответственными составными частями локомотива, обусловливающими безопасность движения. При этом основные работы состоят в контроле нагрева подшипников, наличия и качества смазки, исправности смазочных устройств, а также в периодическом добавлении свежей смазки и удалении (сливе) конденсата (воды) из ванн для смазки.

Тяговый электродвигатель ЭД125БМ. Конструкция электродвигателя (рис. 8.16) по ряду составных частей и сборочных единиц существенно отличается от ЭД118Б. Якорь собран на остове, выполненном в виде трубы и позволяющем более просто заменить поврежденный вал, не нарушая целостности всего якоря. Пластины коллектора стянуты в монолитное арочное кольцо с помощью пружинного разрезного кольца и гайки (вместо болтов). Обмотка якоря выполнена из провода большого сечения с расплющиванием концов секций (для соединения с коллектором), изоляция полиимидная класса Н. Щеткодержатели имеют нажимное устройство с применением рулонных пружин и крепление в кронштейнах через рифленые (гребенчатые) привалочные поверхности.

Выпускаемые на базе ЭД125БМ другие модификации электродвигателей отличаются в основном конструкцией смазочного устройства мо-торно-осевых подшипников или полным отсутствием последних.

Тяговый электродвигатель ЭД126А. Электродвигатель предназначен для грузовых тепловозов.

Корпус 12 электродвигателя (рис. 8.17) выполнен сварным из толстолистового проката цилиндрической формы с опорными площадками и лапами 20 для установки на раму тележки без моторно-осевых подшипников (опорно-рамная подвеска). В торцовые фланцы (с горловинами) корпуса установлены и закреплены болтами литые из стали подшипниковые щиты 4 и 15. С внутренней стороны фланца (у коллектора) закреплена кольцевая поворотная траверса 7 со щеткодержателями (и щетками) 6 (см. рис. 8.14, в) и ручным шестеренным приводом 8. Якорь собран на полом сварно-литом остове 1, в расточку которого запрессован полый вал 2, через центральное отверстие которого проходит торсионный (податливый) вал привода колесной пары, соединяемый (через муфту) с конусным концом 19 полого вала. На остов насажены сердечник 9, зажатый между обмоткодер-

Рис. 8.15. Схемы соединений обмоток тяговых электродвигателей:

а - четырехполюсных; б - шестиполюсных; в - асинхронных; н, к - начало и конец катушек полюсов; Я/, Я2- начало и конец обмотки якоря; Д2- конец обмотки добавочных полюсов; С1, С2- начало и конец обмотки последовательного возбуждения у электродвигателей постоянного тока, а у асинхронных электродвигателей С/, С2, СЗ- выводные концы фаз обмотки статора; 0- специальный вывод для системы защиты. Штриховыми линиями показаны соединения катушек со стороны, противоположной коллектору Рис. 8.16. Тяговый электродвигатель типа ЭД125БМ:

/, 12-подшипники; 2, И-подшипниковые щиты; 3-коллектор (с разрезным пружинным кольцом); 4- щеткодержатель (с рулонными пружинами и щетками); 5- корпус; 6- добавочный полюс; 7- герметизирующая заливка полюсных болтов; 8- главный полюс; 9- защитный кожух обмотки; 10- защитные жалюзи вентиляционных люков; 13- остов (втулка) якоря; 14- приводной конец вала якоря Рис. 8.17. Тяговый электродвигатель типа ЭД126А жателями, и коллектор 5, а подшипники якоря 3 и 18 установлены на полом валу. Обмоткодержатель со стороны, противоположной коллектору, имеет кольцевой радиальный бурт 16 для защиты головок обмотки от повреждений. Магнитная система выполнена шестиполюсной. Полюсы закреплены к корпусу проходными болтами 11 и 13. Катушки главных полюсов 14 и добавочных 10 намотаны из медной ленты на ребро. Соединения и маркировка выводов обмоток выполнены по схеме (см. рис. 8.15,6), а концы их выведены в общую коробку. Над люками для выхода охлаждающего воздуха из электродвигателя закреплены защитные козырьки 17, позволяющие производить обмыв двигателя струей воды.

Тяговый электродвигатель ЭД900.

Опытный асинхронный тяговый электродвигатель (рис. 8.18) для создаваемых мощных грузовых тепловозов с электрической передачей переменного тока имеет принципиальное отличие по конструкции и рабочим характеристикам. В сравнении с описанными электродвигателями постоянного тока он значительно проще в изготовлении и обслуживании. Основными сборочными единицами его являются статор, ротор, подшипниковые щиты. Статор включает литой круглый корпус 6 электродвигателя, сердечник 7, набранный из листов электротехнической стали и зажатый нажимными шайбами 9, двухслойную петлевую обмотку 8, лобовые части катушек которой закреплены конусными кольцами 5. Ротор собран на остове 2, выполненном в виде трубы. Сердечник 3 ротора набран из тонколистовой стали. В его пазах по внешнему диаметру размещена короткозамкнутая обмотка 11, выполненная в виде беличьей клетки путем заливки пазов и торцов сердечника алюминиевым сплавом. Вал 13, подшипниковые щиты 4 и 10 с вмонтированными в них роликовыми подшипниками 1 и 12 для опоры ротора, а также система вентиляции аналогичны описанным у ЭД118Б. Электродвигатель выполнен для опорно-рамной подвески на тележке и не имеет моторно-осевых подшипников.

Принцип работы электродвигателя основан на том, что создаваемое обмоткой статора вращающееся магнитное поле наводит ток в коротко-замкнутой обмотке ротора и под действием электромагнитных сил приводит ротор во вращение. Принципиальная электрическая схема электродвигателя приведена на рис. 8.15, е.

Рис. 8.18. Тяговый асинхронный электродвигатель типа ЭД900

При эксплуатации электродвигателя требуется регулярный уход за изоляцией и контактными соединениями выводов обмотки статора, а также за подшипниками ротора.

Существенно повысить силу тяги и скорость движения невозможно, не увеличив мощность тяговых двигателей электровозов. Но дальнейшее повышение их мощности осуществлять все трудней и 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, применяя более теплостойкие изоляционные материалы, усиливая охлаждение, увеличивая число пар полюсов, применяя компенсационную обмотку, выбирая оптимальное напряжение для тяговых двигателей электровозов переменного тока.

С повышением мощности двигателей все напряженнее работает коллекторно-щеточный узел. Его состоянием в значительной мере определяется продолжительность работы электровоза между осмотрами и ремонтами. Повышение мощности коллекторных тяговых двигателей 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 не раз пытались использовать на них самый простой и дешевый асинхронный двигатель. До недавнего времени этого не удавалось сделать, так как частоту его вращения можно экономично регулировать только изменением частоты питающего тока. Применяемые ранее с этой целью электромашинные преобразователи были тяжелыми и громоздкими. Появление тиристоров открыло путь для создания легкого и надежного преобразователя частоты.

Устройство асинхронного тягового двигателя, как отмечалось, несложно. Он имеет неподвижный статор и вращающийся ротор (рис. 126). Различают асинхронные двигатели с короткозамк-нутым 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 представляет собой так называемое «беличье колесо». В пазах статора уложены три обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 120°. Эти обмотки обычно соединяют «звездой» (рис. 126, а) . При включении обмоток в трехфазную цепь по каждой из них проходит переменный ток и создается три переменных магнитных потока. 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, наводит 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. 127) ступенями. Затем в выпрямительной установке В напряжение выпрямляется и подается на инвертор И. В выпрямителе осуществляется плавное регулирование напряжения, подводимого к инвертору И.

Открывая и закрывая тиристоры инвертора 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 питающего напряжения сдвинута относительно другой на 120° эл., как показано на рис. 128. Для наглядности изменение напряжения каждой фазы показано на отдельных осях. При формировании трехфазного напряжения на электровозе с асинхронными двигателями тиристоры инвертора создают напряжение ступенчатой формы в каждой фазе. Частота напряжения, подводимого к асинхронному двигателю, регулируется изменением частоты переключения этих тиристоров.

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 питающего напряжения.

На основе разработок научно-исследовательских и учебных институтов на Новочеркасском электровозостроительном заводе построен электровоз переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями ВЛ80а на базе электровоза ВЛ80К. Мощность каждого тягового двигателя составляет 1200 кВт, т. е. в 1,5 раза больше, чем коллекторного двигателя электровоза ВЛ80К. Один из вариантов (12-осный, мощность часового режима 11400 кВт) электровоза с асинхронными тяговыми двигателями получил обозначение ВЛ86. Он разработан в содружестве с финской фирмой «Стрёмберг».

Электровозы с вентильными синхронными двигателями. В качестве бесколлекторных тяговых двигателей на электровозе можно использовать и 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. 129). 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 выпрямителя В, подключенного к вторичной обмотке тягового трансформатора. Если, например, в какой-либо момент времени открыты тиристоры К5 и У85 инвертора, ток от выпрямителя В пройдет через тиристор У81, обмотки статора 1 и 2, тиристор Ув5, обмотку возбуждения ОВ и возвратится в выпрямитель. При указанном стрелками направлении тока в обмотках 1, 2 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, у которой коллектор заменен системой силовых управляемых вентилей инверторной установки. 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 (максимальное допустимое 37-42 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 ВЛ80В 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 выпрямителя 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 опытных электровозах ВЛ80 схема выпрямления и преобразования тока несколько отличается от изображенной на рис. 129. На рис. 129 показаны отдельно выпрямитель В и инвертор Я, т. е. приведена так называемая схема с явным звеном постоянного тока. На электровозе ВЛ808 выпрямитель и инвертор совмещены.