Асинхронные короткозамкнутые электродвигатели очень просты по конструкции; они обладают высокой надежностью в эксплуатации, низкой стоимостью изготовления и ремонта меньшими габаритными размерами и массой по сравнению с электродвигателями постоянного тока, не требуют особого ухода, кроме наблюдения за подшипниками, изоляцией, контактными соединениями, и имеют удовлетворительные тяговые свойства. При повышении частоты вращения ротора выше синхронной (частоты вращения магнитного поля) автоматически переходят в генераторный режим без каких-либо переключений, что упрощает электрическую схему при использовании электрического торможения.

Наряду с достоинствами асинхронные электродвигатели имеют ряд недостатков, затрудняющих их использование на подвижном составе. Пусковая характеристика двигателя с короткозамкнутым ротором при постоянной частоте тока не обеспечивает высоких ускорений, так как момент при трогании относительно мал и увеличивается до максимального значения с ростом скорости. Управление частотой вращения электродвигателя затруднено. Воздушный зазор между статором и ротором очень мал. Увеличение зазора повышает массу и увеличивает размеры двигателя. Пуск электродвигателя с короткозамкнутым ротором связан с большими потерями мощности и нагреванием обмоток.

Успехи силовой полупроводниковой техники и средств автоматики позволяют создать надежные и экономичные статические преобразователи частоты с приемлемыми для тепловозов размерами и массой. Этим обусловливается практическое применение в тепловозной тяге передачи переменного тока с асинхронными коротко-замкнутыми электродвигателями, тем более что для тепловозов с

Рис. 3.23. Тяговый асинхронный электродвигатель ЭД-900 (продольный и поперечныйразрезы):

1 -- вал; 2- шайба; 3- роликовые подшипники; 4 - подшипниковые щиты; 5- втулка; 6 -сердечник ротора; 7-обмотка статора; Я--сердечник статора; 9-корпус (остов); 10 кожух защитный; 1/- короткозамкнутая обмотка ротора; 12-- паз сердечника ротора; 13- паз сердечника статора; 14- прилив; 15 вентиляционный канал; 16- коробка зажимов; 17- вентиляционные отверстия в сердечнике ротора дизелями мощностью более 2940 кВт в секции при использовании тяговых электродвигателей постоянного тока придется существенно усложнять их конструкцию (применять сборные или сварные остовы, компенсационные обмотки и т. п. или увеличивать число осей). Харьковский завод «Электротяжмаш» им. Ленина, Ворошиловград-ский тепловозостроительный завод им. Октябрьской революции и Таллиннский электромеханический завод им. Калинина создали макетный тепловоз ТЭ120 мощностью 2940 кВт с передачей переменного тока, на котором используются асинхронные короткозамкнутые тяговые электродвигатели ЭД-900 (рис. 3.2.3) с опорно-рамной подвеской (см. табл. 3.4).

В тяговых машинах переменного тока магнитопровод, выполняемый из листов электротехнической стали, не может служить одновременно остовом машины (недостаточная устойчивость его формы), поэтому он закреплен в корпусе статора. Толщина стенок корпуса (остова) определяется из условий прочности и сопряжения с другими частями машины: подшипниковыми щитами, деталями воздуховода и др.

Основные части двигателя: статор, ротор и торцовые щиты с подшипниками. Статор включает корпус 9, сердечник 8, обмотку 7 и нажимные шайбы. Литой круглый корпус имеет внутренние осевые ребра жесткости, образующие каналы для прохода охлаждающего статор воздуха. Для входа и выхода воздуха остов имеет два люка. Выходной люк снабжен защитным кожухом, предохраняющим от попадания внутрь двигателя воды (при мойке тележек).

Пакет статора набирают из листов электротехнической стали на специальные призмы и закрепляют нажимными шайбами. Обмотку статора (двухслойную петлевую) укладывают в пазы сердечника статора и закрепляют в них изоляционными клиньями. Лобовые части катушки обмотки статора закрепляют конусными кольцами. Обмотанный статор обтачивают по призмам и запрессовывают в корпус. Изоляция от корпуса обмотки статора выполнена из полиамидной пленки. Ротор включает вал 1, втулку (остов) 5, сердечник 6" и обмотку 1/.

На вал напрессована втулка в виде трубы, а на нее-- сердечник ротора, набранный из листов электротехнической стали. Коротко замкнутая обмотка выполнена в виде «беличьей клетки» путем заливки пазов и торцов сердечника алюминиевым сплавом. Воздушный зазор между статором и ротором I,Г> мм Конструкция подшипниковых узлов подобна подшипниковым узлам тяговых электродвигателей постоянного тока.

ВОЗБУДИТЕЛИ, ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, обладающие преимуществами в отношении массогабаритных показателей и потребления энергии, все чаще находят применение в тяговом приводе, хотя они требуют использования сложных систем управления и пока имеют недостаточную надежность.

За последние несколько лет от ведущих мировых поставщиков подвижного состава поступило много предложений, касающихся использования синхронных тяговых двигателей с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ). Такие двигатели имеют меньшие габариты и массу по сравнению с преобладавшими до сих пор на рынке трехфазными асинхронными двигателями.

СДПМ использовались, в частности, на установившем 3 апреля 2007 г. мировой рекорд скорости электропоезде AGV V150 постройки компании Alstom (рис. 1). Они находят применение на подвижном составе различного назначения (таблица) - от трамвая-поезда Citadis Dualis (рис. 2) до двухэтажного междугородного электропоезда Twindexx (рис. 3) для железных дорог Швейцарии (SBB).

Рис. 1. Высокоскоростной электропоезд AGV V150 во время рекордного пробега Рис. 2. Трамвай-поезд Citadis Dualis (фото: Alstom) Рис. 3. Электропоезд Twindexx (источник: Bombardier)

Считается, что железнодорожные компании-операторы консервативны в отношении применения новых технологий. В то же время разработчики и изготовители тягового подвижного состава заинтересованы в скорейшей реализации передовых технических решений. Если использование новых разработок способствует существенному улучшению эксплуатационных показателей, эти разработки достаточно быстро находят применение, что подтверждается опытом внедрения импульсных преобразователей для питания тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения, тяговых двигателей постоянного тока независимого возбуждения, синхронных двигателей и трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. С развитием технологий повышалась эффективность тягового привода и совершенствовалось управление им, что позволило улучшить характеристики сцепления и снизить потребление энергии.

СДПМ и электронная аппаратура управления ими представляют собой наиболее современную технологию в области тягового привода. Миллионы СДПМ благодаря своей сравнительно малой массе и хорошей управляемости уже используются в приводах гибридных автомобилей. Более крупные двигатели предоставляют такие же возможности для повышения эффективности тягового привода железнодорожного подвижного состава. Данная технология внедряется на новом подвижном составе различного назначения. Однако при этом выявились несколько существенных проблем, требующих решения.

На автомобилях с двигателями внутреннего сгорания для регулирования скорости обычно используют сложное механическое устройство - коробку передач, благодаря чему двигатель может работать в оптимальном скоростном диапазоне. Тяговые двигатели подвижного состава железных дорог должны эффективно работать во всем диапазоне скорости, обеспечивая передачу крутящего момента на колеса через одноступенчатый редуктор либо непосредственно. Такое простое в плане механического оборудования решение позволяет создать надежные системы привода, не требующие сложного технического обслуживания.

Таким образом, первое требование, предъявляемое при проектировании тяговых двигателей, - их способность обеспечивать крутящий момент или тяговое усилие в широком диапазоне скорости (от 0 до 320 км/ч).

Безусловно, важно, чтобы тяговый двигатель работал надежно. В то же время, с точки зрения машиниста и железнодорожной компании-оператора, в равной степени имеет значение точное и плавное регулирование момента во всем диапазоне скорости при помощи системы управления тяговым приводом. Надлежащее регулирование крутящего момента обеспечивает оптимальное использование сцепления между колесом и рельсом, плавное ускорение, способность поддержания постоянной скорости и возможность применения электрического торможения.

При взаимодействии колес с рельсами крутящий момент тягового двигателя преобразуется в линейную силу тяги или торможения. На рис. 4 представлен график зави-симости силы тяги от скорости, а также кривая сопротивления движению поезда. Кривая силы тяги пересекает кривую сопротивления движению в точке так называемой установившейся скорости, т. е. максимальной теоретически возможной скорости. Вблизи этой точки величина изменения силы тяги, за счет которой создается ускорение поезда (на рис. 4 обозначена красной стрелкой), невелика. На рис. 5 показаны характеристики мощности тягового привода и потребной тяговой мощности (мощность равна произведению скорости и силы тяги).

Тяговые двигатели, как правило, рассчитываются на определенный режим работы. Двигатель должен развивать требуемый момент при нулевой скорости и поддерживать его до номинальной во всей зоне 1 кривой силы тяги. Выше этой скорости тяговый двигатель развивает максимальную выходную мощность. В зоне 2 сила тяги обратно пропорциональна скорости. В зоне 3 вследствие ограничений характеристик тягового двигателя сила тяги обратно пропорциональна квадрату скорости.

Рис. 4. Тяговая характеристика и сопротивление движению
Рис. 5. Характеристики мощности

При низкой скорости крутящий момент двигателя теоретически может быть больше, чем передаваемый при взаимодействии колеса и рельса. Однако это привело бы к перегрузке двигателя, поэтому таких режимов следует избегать посредством соответствующих действий машиниста или электронной системы управления.

Ранее для управления тяговыми двигателями постоянного тока применялось регулирование напряжения посредством изменения схемы их соединения с последо-вательного на параллельное и регулирование тока с помощью пускотормозных резисторов. На современном подвижном составе для управления как коллекторными двигателями постоянного тока, так и синхронными и асинхронными двигателями переменного тока ис-пользуются электронные системы, обеспечивающие изменение напряжения или как напряжения, так и частоты. Применяемые ныне системы тягового электропривода позволяют достичь качественного управления во всем диапазоне скорости при относительно простых алгоритмах регулирования.

Регулирование СДПМ позволяет достаточно легко достичь требуемых характеристик в зоне постоянного крутящего момента, однако для регулирования в зоне постоянной мощности требуются более сложные алгоритмы.

Двигатели переменного и постоянного тока, как и СДПМ, по существу работают на основе одних и тех же физических законов. Поэтому принципы управления ими до неко-торой степени подобны. В электрических машинах всех видов крутящий момент возникает при взаимодействии двух магнитных полей. Для появления крутящего момента между векторами напряженности этих магнитных полей должен быть определенный угол, в идеальном случае равный 90 эл. град. Упомянутые поля могут быть созданы токами, про-текающими по обмоткам двигателя, или постоянными магнитами.

В настоящее время в тяговом приводе находят применение главным образом трехфазные асинхронные двигатели. Тем не менее весьма важно понимать природу и поведение магнитных полей статора и ротора электрических машин других типов.

В традиционном двигателе постоянного тока северные и южные полюса поля статора всегда ориентированы в одном и том же направлении, в то время как поле якоря (ротора) сдвинуто на 90 эл. град вследствие использования коллектора. В двигателе последовательно-го возбуждения один и тот же ток проходит как через обмотку статора, так и через обмотку ротора, тогда как в случае использования двигателя независимого возбуждения имеется возможность независимо управлять полями ротора и статора.

В традиционном трехфазном синхронном двигателе магнитное поле ротора создается током, протекающим по его обмотке, а ориентация поля определяется физическим положением обмотки ротора. Поле статора создается током, протекающим по его обмотке, и вращается со скоростью, определяемой частотой инвертора, от которого получает питание обмотка статора. Угол между полями статора и ротора увеличивается в зависимости от крутящего момента, а частоты вращения ротора и поля статора одинаковы. Когда угол становится отрицательным, двигатель переходит в тормозной режим.

В трехфазном асинхронном двигателе магнитное поле статора индуцирует в обмотке ротора ток (рис. 6), который, в свою очередь, генерирует магнитное поле. Последнее, взаимодействуя с полем статора, создает тяговый или тормозной момент. В режиме тяги частота вращения ротора ниже частоты вращения поля статора, заданной преобразователем, а в режиме торможения - выше. Крутящий момент не возникает, если частоты вращения равны. Соотношение частот вращения ротора и поля статора характеризуется величиной, на-зываемой скольжением.

В СДПМ поле ротора создается магнитами, которые либо распределены по поверхности ротора, либо размещены в его пазах (рис. 7). В последнем случае обеспечивается большая механическая прочность и меньшие потери на вихревые токи в роторе. В качестве материала для постоянных магнитов получил распространение сплав неодим-железобор (Nd2Fe14B) благодаря его оптимальным магнитным свойствам. Магнитное поле статора создается с помощью трехфазной многополюсной обмотки, размещенной в пазах шихтованного сердечника.

Рис. 6. Принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
Рис. 7. Принцип работы СДПМ

Во всех электрических машинах вращающееся магнитное поле генерирует ЭДС, противоположную по направлению питающему напряжению - так называемую противо-ЭДС. При нулевой частоте вращения она равна нулю, однако с ее ростом линейно возрастает. Для поддержания постоянной величины крутящего момента в зоне 1 (см. рис. 4 и 5) следует увеличивать напряжение питания.

Крутящий момент электрической машины представляет собой произведение магнитного потока и тока. Силовой полупроводниковый преобразователь регулирует питающее постоянное или однофазное напряжение таким образом, чтобы значения тока в обмотках двигателя находились в допустимых пределах. Наиболее современным решением является использование преобразователей на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) с широтно-импульсной модуляцией.

В зоне 1, где сила тяги постоянна, напряжение (а в случае асинхронного двигателя - и частота) должно возрастать пропорционально частоте вращения двигателя, при этом значение произведения магнитного потока и тока, т. е. крутящего момента, поддерживается постоянным. При превышении номинального значения частоты вращения приложенное напряжение не может быть увеличено из-за ограничений параметров силового пре-образователя и изоляции двигателя. Однако с точки зрения механических характеристик частота вращения может быть выше.

Переход в зону 2 осуществляется посредством ослабления поля, при этом уменьшается противо-ЭДС или (для СДПМ) осуществляется противодействие ее влиянию. В двигателях постоянного тока это достигается уменьшением величины тока, протекающего через обмотку возбуждения, за счет включения параллельно ей сопротивления ослабления поля, в традиционном синхронном двигателе - путем уменьшения тока в обмотке ротора. В асинхронном двигателе ослабление поля происходит автоматически с увеличением частоты тока обмотки статора, в то время как питающее напряжение остается неизменным. В СДПМ осуществить ослабление поля сложнее, поскольку поле ротора создается постоянными магнитами.

В зоне 3 магнитный поток и ток уменьшаются быстрее, чем в зоне постоянной мощности, чтобы избежать превышения предельных электрических и механических характеристик двигателя. Например, в двигателе постоянного тока независимого возбуждения ток якоря также снижается в зависимости от скорости.

Основная причина расширения применения СДПМ в тяговом приводе - их существенные преимущества по сравнению с трехфазными асинхронными двигателями. В пределах примерно 80% рабочего диапазона КПД СДПМ больше на 1-2%, а удельная мощность - на 30-35%, вследствие чего при равной мощности габариты и масса СДПМ примерно на 25% меньше.

В асинхронном двигателе имеет место нагрев ротора вследствие наличия мощности скольжения. В СДПМ он фактически отсутствует, благодаря чему нет необходимости в охлаждении ротора. Статор СДПМ обычно полностью герметичен и имеет жидкостное охлаждение, что способствует повышению надежности двигателя. Кроме того, при использовании СДПМ возможно осуществлять электрическое торможение при низких значениях скорости, что делает принципиально возможным самоуправляемое торможение при замыкании накоротко обмоток статора. Однако достижение этих преимуществ невозможно без компромисса. Выявлены семь основных факторов, препятствующих распространению СДПМ для целей электрической тяги, хотя уже разработаны методы решения этих проблем.

Ограничения размеров и стоимости четырехквадрантного преобразователя и двигателя не позволяют использовать их во всем диапазоне скорости только путем поддержания величины питающего напряжения, настолько превышающей противо-ЭДС, чтобы величина тока была достаточна для достижения требуемого крутящего момента. Проблема может быть решена с помощью ослабления поля, благодаря чему создаются зоны постоянного момента и постоянной мощности. Поскольку регулирование поля, создаваемого постоянными магнитами, затруднительно, ослабление поля достигается подачей тока в обмотки статора. Таким образом создается поле с вектором напряженности, направленным против вектора напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами ротора. При этом возникают потери в меди обмотки статора, что в некоторой степени снижает положительный эффект, получаемый благодаря низким потерям при использовании ротора с постоянными магнитами.

Для управления токами, создающими эффект ослабления поля, необходимо определить положение ротора с точностью до 1-2 эл. град. Для четырехполюсного двигателя требуется механическое разрешение не менее чем 1,5 эл. град. Если использовать датчики, от них требуются весьма высокие точность и надежность, чтобы обеспечить нормальную работу системы управления. Возможно управление и без применения датчиков, однако при этом может быть снижена точность регулирования.

Магнитный поток зависит от температуры, при этом напряженность поля снижается примерно на 1% при увеличении температуры ротора на 10 К. Для СДПМ, которые работают в температурном диапазоне 200 К (от -40 до +160 °С), это имеет существенное значение. Поэтому электронная система управления должна контролировать рабочую температуру и учитывать ее при формировании управляющего сигнала.

Каждый СДПМ требует индивидуального силового полупроводникового регулятора, гарантирующего подачу управляющего импульса на включение силовой цепи строго в требуемый момент времени. Впрочем, в современном тяговом при-воде все чаще используются индивидуальные системы управления каждым двигателем. Таким образом, эта проблема решается.

При значительных токах и высоких температурах может произойти необратимое размагничивание, даже если температура ротора не достигает точки Кюри между 310 и 370 °C. Однако более опасно короткое замыкание в обмотке статора, которое может привести к разрушению двигателя, поскольку создаваемое постоянными магнитами вращающееся поле продолжает индуцировать значительные токи в статоре. Здесь размагничивание может быть полезным, поскольку снижает эти токи.

Еще одна проблема связана с тем, что при работе без нагрузки (когда поезд движется в режиме выбега) вращающийся ротор двигателя с постоянными магнитами продолжает индуцировать токи в сердечнике статора. Возникающие вихревые токи наряду с эффектом гистерезиса вызывают потери в стали, что снижает КПД двигателя.

Редкоземельные металлы, используемые в СДПМ, обладают хорошими магнитными свойствами, но довольно чувствительны к механическому и тепловому воздействию. Конструкция ротора у СДПМ сложнее, чем у асинхронных двигателей. Схема управления СДПМ также сложнее в связи с наличием многократных контуров обратной связи и необходимости преобразования сигнала.

Существует достаточно много областей применения, где преимущества СДПМ безусловно преобладают над их недостатками, и это делает их привлекательными для разработчиков тягового привода. Меньшие размеры и масса имеют особое значение при ограниченности пространства — например, в случае необходимости размещения двигателя на оси колесной пары без редуктора.

Более высокий КПД и меньшие потери в роторе обеспечивают существенные преимущества СДПМ с точки зрения совершенствования эксплуатационных характеристик подвижного состава и сокращения потребления энергии (рис. 8). Это видно, в частности, на примере электропоезда V150 компании Alstom. Асинхронные двигатели устанавливаются на тележках, расположенных под кузовами моторных вагонов, тогда как СДПМ могут быть размещены на тележках под узлами сочленения, что позволяет уменьшить сложность и массу тягового привода.

Рис. 8. Электромеханическая характеристика и КПД СДПМ

СДПМ могут в перспективе получить намного более широкое применение в тяговом приводе (таблица), подобно тому, как в середине 1980-х годов завоевали популярность трех-фазные асинхронные тяговые двигатели, пришедшие на смену двигателям постоянного тока.

Примеры применения тяговых СДПМ

Оператор, страна	Подвижной состав	Изготовитель
NTV (Италия)	25 высокоскоростных поездов AGV	Alstom
SBB (Швейцария)	59 двухэтажных электропоездов Twindexx	Bombardier
SNCF (Франция)	31 трамвай-поезд Citadis Dualis	Alstom
SNCF (Франция)	Электропоезда Regiolis (рамочный контракт)	Alstom
SNCF (Франция)	Электропоезда Omneo (рамочный контракт)	Bombardier
Прага (Чехия)	Низкопольные трамвайные вагоны типа 15T	Skoda
Метрополитен Токио (Япония)	Электропоезда серии 16000	Kawasaki
JR East (Япония)	Пригородные электропоезда серии E331 для Токио	Toshiba
Опытные образцы
Метрополитен Мюн­хена (Германия)	Электропоезд типа C19 с тележками Syntegra	Siemens
Китай	Прототип локомотива на топливных элементах	CNR Yongji
Швеция	Электропоезд Grona Taget	Bombardier
Турция	Низкопольный трамвай Citadis X04	Alstom
Япония	Поезд с изменяемой шириной колеи	RTRI

Железные Дороги Мира - 2011

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

Тяговый электродвигатель

Тяговый электродвигатель (ТЭД) - электрический двигатель , предназначенный для приведения в движение транспортных средств (электровозов , электропоездов , тепловозов , трамваев , троллейбусов , электромобилей , электроходов , большегрузных автомобилей с электроприводом , танков и машин на гусеничном ходу с электропередачей, подъемно-транспортных машин, самоходных кранов и т. п.). Вращающиеся тяговые электродвигатели регулируются ГОСТ 2582-81 (кроме аккумуляторных погрузочно-разгрузочных машин, электротягачей, электротележек и теплоэлектрических автотранспортных систем).

Основное отличие ТЭД от обычных электродвигателей большой мощности заключается в условиях монтажа двигателей и ограниченном месте для их размещения. Это привело к специфичности их конструкций (ограниченные диаметры и длина, многогранные станины, специальные устройства для крепления и т. п.).

Тяговые двигатели городского и железнодорожного транспорта, а также двигатели мотор-колес автомобилей эксплуатируются в сложных погодных условиях, во влажном и пыльном воздухе . Также в отличие от электродвигателей общего назначения ТЭД работают в самых разнообразных режимах (кратковременных, повторно-кратковременных с частыми пусками), сопровождающихся широким изменением частоты вращения ротора и нагрузки по току (при трогании с места может в 2 раза превышать номинальный). При эксплуатации тяговых двигателей имеют место частые механические, тепловые и электрические перегрузки, тряска и толчки. Поэтому при разработке их конструкции предусматривают повышенную электрическую и механическую прочность деталей и узлов, теплостойкую и влагостойкую изоляцию токоведущих частей и обмоток, устойчивую коммутацию двигателей. Кроме того ТЭД рудничных электровозов должны удовлетворять требованиям, относящимся к взрывозащищенному электрооборудованию.

Тяговые двигатели должны иметь характеристики, обеспечивающие высокие тяговые и энергетические свойства (особенно КПД) подвижного состава.

Развитие полупроводниковой техники открыло возможности перехода от двигателей с электромеханической коммутацией к бесколлекторным машинам с коммутацией при помощи полупроводниковых преобразователей.

Из-за тяжелых условий работы и жестких габаритных ограничений тяговые двигатели относят к машинам предельного использования.

Классификация

Тяговые электродвигатели классифицируют по:

Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства тяговых двигателей могут быть универсальными , то есть присущими всем видам ЭПС , и частными , то есть присущими ЭПС определенных видов. Некоторые эксплуатационные свойства могут быть взаимопротиворечивыми.

Пример частных свойств: высокая перегрузочная способность двигателей, необходимая для получения высоких пусковых ускорений пригородных электропоездов и поездов метрополитена ; возможность продолжительной реализации наибольшей возможной силы тяги для грузовых электровозов; низкая регулируемость ТЭД пригородных поездов и поездов метрополитена в сравнении с ТЭД электровозов.

Устройство ТЭД

Тяговый электродвигатель, по сути, представляет собой электродвигатель с передачей вращающего момента на движитель транспортного средства (колесо, гусеницу или гребной винт).

Существенным моментом использования ТЭД является необходимость обеспечения плавного пуска-торможения двигателя для управления скоростью транспортного средства. Вначале регулирование силы тока осуществлялось за счёт подключения дополнительных резисторов и изменения схемы коммутации силовых цепей. С целью уйти от бесполезной нагрузки и повысить КПД стали применять импульсный ток, регулировка которого не требовала резисторов. В дальнейшем стали использоваться электронные схемы, обслуживаемые микропроцессорами . Для управления данными схемами (вне зависимости от их устройства) применяются контроллеры, управляемые человеком, определяющим требуемую скорость транспортного средства.

Значение сопротивления изоляции обмоток устанавливают в соответствующей нормативно-технической документации или в рабочих чертежах. Для городского электротранспорта после испытаний на влагостойкость сопротивление должно быть не менее 0,5 МОм .

Вибрация, создаваемая ТЭД, должна устанавливаться по ГОСТ 20815 в соответствующей нормативно-технической документации .

Характеристики

Тяговый электродвигатель НБ-418К: 1 - остов; 2 - добавочный полюс; 3 - сердечник якоря; 4 - коробка якоря; 5, 11 - лобовые части якоря; 6 - коллектор; 7, 9 - подшипниковые щиты; 8 - вал; 10 - подшипник; 12 - компенсационная обмотка

Как правило, определяются следующие характеристики ТЭД:

• Электромеханические (типовые)
  • зависимости от тока якоря
    • частоты вращения
    • вращающего момента
• Электротяговые
  • зависимости от тока якоря
    • окружной скорости движущих колёс ПС
    • силы тяги
    • КПД на ободе движущих колёс ПС
• Тяговые
• Тепловые (зависимость температур отдельных частей ТЭД от времени при различной силе тока);
• Аэродинамические (характеризуют обдув двигателя).

Остов

В ТЭД постоянного и пульсирующего тока остов выполняет функции массивного стального магнитопровода (статора) и корпуса - основной несущей и защитной части машины.

Остовы четырехполюсных двигателей чаще имеют поперечное сечение магнитного ярма и выполняются гранеными. Это обеспечивает использование габаритного пространства до 91-94 %. Обработка такого остова сложна, а масса превышает массу цилиндрического остова. Технология изготовления цилиндрических остовов проще, а точность изготовления более высока. Однако использование габаритного пространства при цилиндрической форме остова не превышает 80-83 %. На остове крепят главные и добавочные полюса, подшипниковые щиты, моторно-осевые подшипники (при опорно-осевом подвешивании двигателя). Для двигателей большой мощности все чаще применяют остовы цилиндрической формы.

Длина двигателя по наружным поверхностям подшипниковых щитов при ширине колеи 1520 мм равна 1020-1085 мм в случае двусторонней передачи и 1135-1185 мм в случае односторонней.

Различают четырехполюсные двигатели с вертикально-горизонтальным и диагональным расположением главных полюсов. В первом случае обеспечивается наиболее полное использование пространства (до 91-94 %), но масса остова больше, во втором это пространство используется несколько хуже (до 83-87 %), но заметно меньше масса. Остовы цилиндрической формы при низком использовании габаритного пространства (до 79 %), но при равных условиях имеют минимальную массу. Цилиндрическая форма остова и диагональное расположение полюсов обеспечивают почти одинаковую высоту главных и добавочных полюсов.

У бесколлекторных ТЭД сердечник статора полностью шихтован - набран и спрессован из изолированных листов электротехнической стали. Его скрепляют специальными стяжками-шпонками, закладываемыми в наружные пазы в нагретом состоянии. Функции несущей конструкции выполняет литой или сварной корпус, в котором закреплен комплект статора.

Остовы ТЭД обычно изготавливают литыми из низкоуглеродистой стали 25Л. Только для двигателей подвижного состава электротранспорта с использованием реостатного торможения как рабочего применяют сталь с большим содержанием углерода , обладающего большей коэрцитивной силой. На двигателях НБ-507 (электровоз ВЛ84) применены сварные остовы. Материал остова должен обладать высокими магнитными свойствами, зависящими от качества стали и отжига , иметь хорошую внутреннюю структуру после литья: без раковин, трещин , окалины и других дефектов. Предъявляют также высокие требования к качеству формовки при отливке остова.

Коллектор

Подшипниковые щиты

Линейные тяговые двигатели

При скоростях движения более 300-384 км/ч сильно снижается коэффициент сцепления колес с рельсами, а следовательно реализовать необходимую силу тяги через контакт колесо-рельс становится затруднительным. Для решения этой проблемы для высокоскоростного наземного транспорта применяют линейные тяговые двигатели .

Частота вращения

Для расчета прочности элементов двигателя установлена испытательная частота вращения

• для двигателей, включенных постоянно параллельно - n исп = 1,25·n max
• для двигателей, включенных постоянно последовательно - n исп = 1,35·n max

Соотношение скоростей

где n max и n ном - частоты вращения максимальная и номинальная соответственно;

V max и v ном - соответственно конструкционная и эксплуатационная скорости подвижного состава.

Соотношение скоростей для электровозов составляет , для тепловозов -

Подвешивание тяговых электродвигателей и тяговая передача

Номинальные ток, напряжение, частоту вращения и др. характеристики при необходимости корректируют после определения .

Вентиляция ТЭД

Вентиляция

На электровозах применяется интенсивная независимая вентиляция . Для нагнетания воздуха используется специальный мотор-вентилятор, установленный в кузове локомотива. Предельные допускаемые превышения температур для данного типа вентиляции не должны превышать указанных в таблице .

Класс нагревостойкости изоляции	Режим работы	Части электрической машины	Метод измерения температуры	Предельное допускаемое превышение температуры, °C, не более
A	Продолжительный и повторно-кратковременный	Обмотки якоря и возбуждения	Метод сопротивления	85
		Коллектор	Метод термометра	95
	Часовой, кратковременный	Обмотки якоря и возбуждения	Метод сопротивления	100
		Коллектор	Метод термометра	95
E	Продолжительный, повторно-кратковременный, часовой, кратковременный	Обмотки якоря	Метод сопротивления	105
		Обмотки возбуждения		115
		Коллектор	Метод термометра	95
B		Обмотки якоря	Метод сопротивления	120
		Обмотки возбуждения		130
		Коллектор	Метод термометра	95
F		Обмотки якоря	Метод сопротивления	140
		Обмотки возбуждения		155
		Коллектор	Метод термометра	95
H		Обмотки якоря	Метод сопротивления	160
		Обмотки возбуждения		180
		Коллектор	Метод термометра	105

На электропоездах из-за отсутствия места в кузове применяют систему самовентиляции ТЭД. Охлаждение в таком случае осуществляется вентилятором установленном на якоре тягового двигателя.

Соотношение между токами или мощностями номинальных режимов одного и того же двигателя зависит от интенсивности его охлаждения и называется коэффициентом вентиляции

При чём чем ближе к 1, тем интенсивнее вентиляция.

Предельная допускаемая температура подшипников электрических машин должна соответствовать ГОСТ 183 .

Очистка воздуха

Для вентиляционных систем электроподвижного состава обеспечение чистоты охлаждающего воздуха имеет важное значение. Воздух, поступающий в вентиляционную систему двигателей, содержит пыль, а также металлические частицы, образующиеся при истирании тормозных колодок. Зимой также может захватываться 20-25 г/m³ снега. Полностью избавиться от этих загрязнений невозможно. Сильное загрязнение проводящими частицами приводит к повышенному износу щеток и коллектора (из-за повышенного нажатия щеток). Ухудшается состояние изоляции и условия ее охлаждения.

Для электровозов наиболее приемлемы жалюзийные инерционные воздухоочистители с фронтальным подводом воздушного потока к плоскости решетки, с горизонтальным (малоэффективна, устанавливалась на ВЛ22м , ВЛ8 , ВЛ60к) или вертикальным расположением рабочих элементов. Наибольшей эффективностью по задержанию капельной влаги обладает вертикальная лабиринтная решетка с гидравлическим затвором . Общим недостатком жалюзийных воздухоочистителей является низкая эффективность очистки воздуха.

В последнее время получают распространение воздухоочистители, обеспечивающие аэродинамическую (ротационную) очистку охлаждающего воздуха (устанавливались на ВЛ80р, ВЛ85).

КПД

Коэффициент полезного действия для тяговых двигателей пульсирующего тока определяется отдельно на постоянном токе и на пульсирующем .

где - номинальная (на валу) мощность двигателя,
- подведенная мощность двигателя,
- суммарные потери в двигателе,
- напряжение на зажимах двигателя,
- номинальный ток.

где - пульсационные потери.

Для ТЭД постоянного тока достаточно только КПД на постоянном токе.

Типовые характеристики

В качестве типовых характеристик принимают :

• усредненные характеристики, которые изготовитель должен представить после испытания первых 10 машин установочной серии,
• типовые характеристики электрических машин, одна или несколько серий которых были ранее изготовлены.

Для получения типовой характеристики КПД и типовых характеристик тяговых двигателей городского транспорта должны быть испытаны первые 4 машины первой партии .

Конструктивная и эксплуатационная перегрузка

Предельные значения тока и мощности определяются коэффициентом конструктивной перегрузки

где I max и P max - максимальные ток и напряжение соответственно;

I nom и P nom - номинальные ток и напряжение соответственно.

Для условий эксплуатации принимают коэффициент эксплуатационной перегрузки

где I eb и P eb - соответственно наибольшие расчетные токи и мощность в условиях эксплуатации.

Разницу между значениями К per и К pe выбирают такой, чтобы при предельных ожидаемых возмущениях значения тока и мощности не превышали соответственно I max и P max .

Сферы применения

Электровоз ЭП1

ТЭД локомотива со снятыми шапками моторно-осевых подшипников

• Локомотивы (электровозы , тепловозы с электропередачей);
• Электропоезда и высокоскоростной наземный транспорт (ВСНТ);
• Бронетехника и другие машины на гусеничном ходу ;
• Электромобили и большегрузные автомобили с электроприводом (в том числе подъемно-транспортные машины и самоходные краны);
• Теплоходы с электроприводом (дизель-электроходы), атомоходы , подводные лодки ;
• Городской электротранспорт : трамваи , троллейбусы ;

В случае использования электрической передачи на теплоходах, тепловозах, тяжёлых грузовиках и гусеничных машинах дизель вращает генератор питающий ТЭД, приводящий в движение гребные винты или колёса напрямую, либо посредством механической передачи .

На тяжёлых грузовиках ТЭД может встраиваться в само колесо. Такая конструкция получила название мотор-колесо . Попытки применения мотор-колёс предпринимались также на автобусах, трамваях и даже легковых автомобилях.

Заводы

Заводы-изготовители

• Россия
  • Сарапульский электрогенераторный завод - производство тяговых электродвигателей и электродвигателей гидронасоса для электропогрузчиков и электротележек российского и болгарского производства сайт завода
  • Завод «Электросила» в Санкт-Петербурге - ТЭД для локомотивов
  • Псковский электромашиностроительный завод - ТЭД для городского электротранспорта
  • Новочеркасский электровозостроительный завод - ТЭД для локомотивов
  • Завод «Сибэлектропривод» в Новосибирске - ТЭД для большегрузных самосвалов , электропоездов , тракторов , морских судов
  • Завод «Татэлектромаш» в г. Набережные Челны - ТЭД для большегрузных самосвалов «БелАЗ», электропоездов, городского транспорта
  • ОАО «Карпинский электромашиностроительный завод» в г. Карпинск - тяговые электродвигатели постоянного тока карьерных и шагающих экскаваторов , тяговый электродвигатель постоянного тока ДПТ 810 магистрального электровоза 2ЭС6, имеются разработки по ТЭД постоянного тока тепловозов

• Украина
  • «Электротяжмаш » в Харькове - ТЭД для локомотивов
  • «Смелянский электромеханический завод » (г. Смела Черкасской обл) - ТЭД для локомотивов

• Латвия
  • Рижский электромашиностроительный завод - ТЭД для электропоездов

• Индия
  • Diesel-Loco Modernisation Works - ТЭД для локомотивов

• Польша
  • EMIT S.A - ТЭД для электропоездов и городского электротранспорта

Ремонтные заводы

Технические характеристики некоторых ТЭД

Данные представлены для общего ознакомления и сравнения ТЭД. Подробные характеристики, размеры и особенности конструкции и эксплуатации можно найти в рекомендуемой литературе и других источниках.

ТЭД
Тип двигателя	Мощность, кВт	Напряжение номинальное (максимальное), В	Частота вращения номинальная(максимальная), об/мин	КПД, %	Масса, кг	Длина двигателя, мм	Диаметр (ширина/высота) двигателя, мм	Способ подвешивания	Подвижной состав
Тяговые двигатели тепловозов
ЭД-104	307	-	-	-	2850	-	-	Опорно-осевое	ТЭ10 , 2ТЭ10
ЭД-120А	411	512 (750)	657 (2320)	91,1	3000	-	-	Опорно-рамное	-
ЭД-121	411	515 (750)	645 (2320)	91,1	2950	1268	825/825	Опорно-рамное	ТЭМ12 , ТЭП80
ЭД-120	230	381 (700)	3050	87,5	1700	-	-	Опорно-рамное	-
ЭД-108	305	476 (635)	610 (1870)	-	3550	-	-	Опорно-рамное	ТЭП60 , 2ТЭП60
ЭД-108А	305	475 (635)	610 (1870)	91,7	3350	1268	-/1525	Опорно-рамное	-
ЭД-125	410	536 (750)	650 (2350)	91,1	3250	-	-	Опорно-осевое	-
ЭД-118	305	463 (700)	585 (2500)	91,6	3100	1268	827/825	Опорно-осевое	ТЭ114
ЭДТ-200Б	206	275 (410)	550 (2200)	-	3300	-	-	Опорно-осевое	ТЭ3 , ТЭ7
ЭД-107Т	86	195 (260)	236 (2240)	-	3100	-	-	Опорно-осевое	ТЭМ4
ЭД-121A	412	780	(2320)	-	2950	-	-	-	-
ЭД-135Т	137	530	(2700)	-	1700	-	-	-	Тепловозы узкой колеи
ЭД-150	437	780	(2320)	-	2700	-	-	-	ТЭП150
Тяговые двигатели электровозов (магистральные и карьерные) по
ТЛ2К1	670	1500	790	93,4	5000	-	-	Опорно-осевое	ВЛ10 У, ВЛ11 постоянного тока
НБ-418К6	790	950	890 (2040)	94,5	4350	-	1045	Опорно-осевое	ВЛ80 Р, ВЛ80Т, ВЛ80К, ВЛ80С переменного тока
НБ-514	835	980	905 (2040)	94,1	4282	-	1045	Опорно-осевое	ВЛ85 переменного тока
ДТ9Н	465	1500	670	92,6	4600	-	-	Опорно-осевое	Агрегаты тяговые ПЭ2М , ОПЭ1 Б постоянного и переменного тока
НБ-511	460	1500	670	93	4600	-	-	Опорно-осевое	Агрегаты тяговые ПЭ2М, ОПЭ1Б постоянного и переменного тока
НБ-507	930	1000	670 (1570)	94,7	4700	-	-	Опорно-рамное	ВЛ81 и ВЛ85 переменного тока
НБ-412П	575	1100	570	-	4950	-	1105	Опорно-осевое	Агрегат тяговый ОПЭ1
НБ-520	800	1000	1030(1050)	-	-	-	-	Опорно-рамное	ЭП1 переменного тока
НТВ-1000	1000	1130	1850	94,8	2300	1130	710/780	Опорно-рамное	ЭП200
НБ-420А	700	-	890/925	-	4500	-	-	Опорно-рамное	ВЛ82
НБ-407Б	755	1500	745/750	-	4500	-	-	Опорно-осевое	ВЛ82м
Тяговые двигатели городского транспорта
ДК117М/А	112/110	375/750	1480 (3600)	-	760/740	912	607/603	-	Метро-вагон "И" /81-714 , 81-717
УРТ-110А	200	-	1315 (2080)	-	2150	-	-	-	Метро-вагон "Яуза" (также используется на электропоездах ЭР2)
ДК210А3/Б3	110	550	1500 (3900)	-	680	997	528	-	Троллейбусы ЗиУ-682 В/ЗиУ-У682В
ДК211А/Б	150	550	1750/1860 (3900)	-	900	1000	590	-	Троллейбусы ЗиУ-684/ЗиУ-682В1
ДК211АМ/А1М	170/185	550/600	1520/1650 (3900)	91,1	900	1000	590	-	Троллейбусы ЗиУ-684
ДК211БМ/Б1М	170/185	550/600	1700/1740 (3900)	91	880	1000	590	-	Троллейбусы

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.