Тяговые электродвигатели

Тяговые электродвигатели

Реферат

Тяговые электродвигатели

Тяговые электродвигатели (ТЭД) служат для преобразования электрической энергии в механическую, передаваемую затем с помощью специальных устройств на колесные пары локомотива.

Классификация ТЭД. Тяговые двигатели локомотивов классифицируют по ряду признаков, а именно: по способу питания, конструктивному исполнению, типу привода колесных пар и роду тока.

По способу питания электрической энергией ТЭД локомотивов различают: от тягового генератора (на тепловозах), от контактного провода или от тяговых аккумуляторных батарей (на электроподвижном составе).

Каждый ТЭД локомотива может осуществлять механический привод одной оси - индивидуальный привод, нескольких осей - групповой привод. Наибольшее применение на локомотивах с электрическим приводом колесных пар стран мира получил индивидуальный привод. Однако в ряде стран, например, во Франции серийно строились тепловозы и электровозы с групповым приводом колесных пар. В нашей стране в середине 70-х годов прошлого века на Людиновском тепловозостроительном заводе (ныне ОАО "Людиновотепловоз") также был построен опытный тепловоз ТЭМ12 мощностью 880 кВт (1200 л.с.), который имел групповой привод колесных пар. На четырехосном тепловозе ТЭМ12 были установлены два ТЭД типа ЭД-121, по одному на тележку. Якори обоих двигателей ЭД-121 были соединены между собой и с колесными парами тепловоза посредством карданных валов и осевых редукторов по схеме, похожей на тяговый привод колесных пар тепловоза ТГМ6 с гидропередачей.

В зависимости от рода тока, подводимого к двигателю, различают тяговые электродвигатели постоянного тока (ТЭД) и переменного тока (ТАД) (асинхронные и вентильные). Асинхронные ТАД получили наибольшее распространение на локомотивах и применены на опытных тепловозах с передачей переменного тока ВМЭ1, ТЭ120, ТЭМ21 и 2ТЭ25А.

Вентильные (синхронные) ТАД переменного тока по принципу действия подобны коллекторным машинам постоянного тока. Вместо коллектора на них используется система силовых управляемых вентилей (полупроводников) преобразовательной установки, которые служат для преобразования тока (как коллектор) и управления режимами работы ТАД и локомотива в целом. Вентильные ТАД применены на электровозах переменного тока ВЛ80В, ЭП200 и других.

Принцип работы двигателей постоянного тока. Как уже отмечалось ранее, все электрические машины постоянного тока обладают свойствами обратимости и без особого изменения конструкции могут работать в генераторном или двигательном режиме. Поэтому, если сравнить устройство простейшего генератора и электродвигателя, то можно найти много общего.

Устройство простейшего электродвигателя показано на . 1. Магнитное поле с магнитным потоком Ф создается постоянными магнитами разной полярности С и Ю. В магнитном поле Ф находится металлическая рамка 1. Если к рамке 1, состоящей из двух проводников, с помощью щеток 3, 4 и двух полуколец 2 подвести электрическую энергию постоянного тока I, например, от аккумуляторной батареи АБ, то на каждый проводник с током в соответствии с законом Ампера будет действовать электромеханическая сила F, стремящаяся вытолкнуть их из магнитного поля.

Направление действия этой силы F и движения проводника с током определяются правилом левой руки, в соответствии с которым на проводник, находящийся под полюсом Ю, действует сила F (влево), а на проводник под полюсом С - сила F с противоположным направлением действия. Эти две силы F создают так называемый электромагнитный момент М, под действием которого рамка будет вращаться по часовой стрелке и обеспечивать привод какого-либо устройства, например, колесной пары локомотива.

Как уже отмечалось ранее, в реальных конструкциях тяговых электрических машин постоянного тока для создания магнитного потока Ф вместо постоянных магнитов применяют специальные катушки (обмотки) возбуждения, изготовленные из медного провода или шинной меди, которые размещают на стальных сердечниках полюсов. Функции рамки с током в ТЭД выполняет якорь с обмоткой, витки которой соединяют с коллектором.

На преодоление каких же сил сопротивления при работе ТЭД расходуются тысячи киловатт электрической энергии, поступающей с зажимов тягового генератора или выпрямительной установки локомотива?

В связи с тем, что проводники рамки (якоря) будут пересекать магнитные силовые линии магнитного потока Ф, согласно закону электромагнитной индукции (закону Фарадея) в проводниках рамки будет индуктироваться (наводиться) э.д.с. самоиндукции Е. Она прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, частоте вращения рамки (якоря) n и некой магнитной постоянной (коэффициенту) с_е, т.е. Е = с_е∙n∙Ф. При вращении витка 1 с помощью полуколец 2 обеспечивается переключение направления тока в проводниках таким образом, что электромагнитные силы F, приложенные к верхнему и нижнему (см. . 56) проводникам рамки, будут сохранять свои направления действия, чем, в итоге, и обеспечивается постоянство направления вращения якоря ТЭД (величин М и n).

. Схема устройства простейшего электродвигателя постоянного тока: 1 - рамка (виток); 2 - контактные кольца; 3 - щетки; С, Ю - постоянные магниты; АБ - аккумуляторная батарея; ТП - тяговый привод

Напряжение U_тэд, подводимое к двигателю, создает ток I в рамке (обмотке якоря), а величина э.д.с. самоиндукции Е препятствует протеканию тока, так как в соответствии с правилом правой руки направлена навстречу подводимому напряжению. Другими словами, одним из условий работы электрической машины в двигательном режиме является выполнение следующего требования: подводимое к ТЭД напряжение U_тэд должно всегда превосходить величину э.д.с. самоиндукции Е. То есть необходимо соблюдение неравенства U_тэд > Е, или U_тэд = Е +ΔU, где ΔU - потери напряжения в обмотках электродвигателя сопротивлением R_я, которые в соответствии с законом Ома равны ΔU = I∙R_я.

Чем больше электрическая мощность генератора и, соответственно, подводимое к ТЭД напряжение U_тэд, тем быстрее вращаются якорь двигателя и колесные пары (при постоянстве сопротивления движению) и увеличивается величина э.д.с. самоиндукции Е, на преодоление которой и затрачивается напряжение. Значит, именно на преодоление э.д.с. самоиндукции Е и расходуются тысячи киловатт электрической энергии, вырабатываемой тяговым генератором тепловоза. В принципе, для ТЭД локомотива может быть справедливо и другое объяснение: мощность его тяговых двигателей, имеющих жесткую механическую связь с колесными парами, затрачивается на преодоление сил сопротивления движению поезда.

Сформулируем основные условия, при выполнении которых электрическая машина постоянного тока способна работать в двигательном режиме:

* создание магнитного потока Ф постоянными магнитами или катушками возбуждения, питаемыми от источника постоянного тока;

* направления тока I и э.д.с. Е всегда противоположны;

* совпадение по направлению величин электромагнитного момента М и частоты вращения якоря n.

В целом можно отметить, что отличия в принципах работы простейшего двигателя и генератора заключаются только во взаимном направлении э.д.с. Е, тока I, электромагнитного момента М и частоты вращения якоря n.

Особенности устройства ТЭД постоянного тока. По конструкции, характетикам и, что особенно важно, по условиям эксплуатации ТЭД тепловозов заметно отличаются от тяговых генераторов и электрических машин общего назначения.

ТЭД локомотивов работают в крайне неблагоприятных для электрических машин условиях, а именно: при движении тепловоза происходит увлажнение и загрязнение изоляции, а также электрических контактов из-за попадания внутрь двигателя воды, снега и пыли. Возникают высокие перегрузки и перепады температур обмоток, особенно в зимнее время, а также механическое воздействие (большие ударные нагрузки и вибрация) от неровностей пути и другие. Не случайно именно тяжелые условия эксплуатации и недостаточное качество ремонта ТЭД часто являются причинами отказов и порч тепловозов в пути следования.

Устройство ТЭД рассмотрим на примере двигателя прстоянного тока ЭД-118А, который применяется на серийных грузовых тепловозах 2М62У, 2ТЭ10В, ЗТЭ10М, 2ТЭ116 и других.

Основными узлами двигателя ЭД-118А являются (. 57) неподвижный остов 5, закрытый подшипниковыми щитами 1,12, и вращающийся якорь 9 с обмотками 8, соединенный с помощью тягового редуктора с колесной парой тепловоза. Внутри остова 5, поперечное сечение которого - неправильный восьмигранник, закреплены четыре главных 10 и четыре добавочных 17 полюсов. Сердечники главных полюсов 10 набраны из отдельных стальных листов толщиной 2 мм, на них размещаются обмотки возбуждения, изготовленные из шинной меди сечением 8×25мм². Как и в конструкциях тяговых генераторов постоянного тока, главные полюсы с катушками предназначены для создания магнитного поля (потока) Ф возбуждения в ТЭД.

57. Тяговый электродвигатель ЭД-118А: 1 - передний подшипниковый щит; 2 - коллекторная пластина; 3 - нажимной конус; 4 - щеткодержатель со щетками; 5 - остов; 6 - корпус коллектора; 7 - передняя нажимная шайба; 8 - обмотка якоря; 9 - сердечник якоря; 10 - сердечник и катушка возбуждения главного корпуса; 11 -защитный козырек; 12 - задний подшипниковый щит; 13 - задняя нажимная шайба; 14 - вал якоря; 15 - моторно-осевой подшипник; 16 - крышка моторно-осевого подшипника; 17- добавочный полюс

Добавочные полюсы 17 изготавливают из толстостенного проката. Их назначение - улучшение условий коммутации ТЭД. Катушки добавочных полюсов выполнены также из шинной меди сечением 6×30 мм².

Магнитная система двигателя ЭД-118А включает в себя остов 5, главные 10 и добавочные 17 полюса с обмотками.

Якорь двигателя состоит из сердечника 9, вала 14, обмотки 8 и коллектора 6. Сердечник 9 якоря для уменьшения действия вихревых токов набран из тонких листов (толщиной 0,5 мм) электротехнической стали, покрытых лаком. Вал 14 якоря опирается на два роликовых подшипника, запрессованных в ступицы переднего 1 и заднего 12 подшипниковых щитов. На один конец вала 14, который выведен из остова 5, со стороны подшипникового щита 12 напрессована шестерня тягового редуктора (на . 57 не показана).

Обмотка якоря 8 состоит из изолированных витков медного провода. Выводы петлевой обмотки якоря впаяны в петушки коллекторных пластин 2.

Двигатель ЭД-118А оборудован четырьмя щеткодержателями 4, в каждом из которых размещены три разрезных щетки.

Свойства и характеристики ТЭД постоянного тока. Свойства и характетики электродвигателей постоянного тока определяются, преимущественно, способом включения обмотки возбуждения по отношению к обмотке якоря.

В технике и на локомотивах нашли применение электродвигатели постоянного тока со следующими системами возбуждения:

последовательным возбуждением;

параллельным возбуждением;

смешанным возбуждением;

независимым (от постороннего источника электрической энергии).

. Электромеханические характетики тепловозного тягового электродвигателя

На большинстве серий тепловозов с электрической передачей и электровозах применяют последовательное включение обмотки возбуждения с обмоткой якоря.

Почему же система последовательного возбуждения оказалась предпочтительнее для локомотивной тяги?

Основными характетиками двигателей постоянного тока являются так называемые электромеханические характетики, которые позволяют оценивать характер изменения вращающего момента М_тэд на якоре ТЭД, частоты его вращения n и кпд η в зависимости от тока I нагрузки (двигателя), т.е. М_тэд = f(I), n = f(I), η = f(I). На . 58 приведены электромеханические характетики тепловозного ТЭД.

При трогании с места и разгоне локомотива его тяговые электродвигатели должны создавать наибольший вращающий момент М_тэд и силу тяги F_к, соответственно. Э.д.с. Е на этом режиме работы ТЭД имеет минимальное значение, так как зависит от частоты вращения якоря, а сила тока I в обмотках якоря ТЭД, наоборот, окажется близкой к наибольшему значению. В ТЭД с последовательным возбуждением ток возбуждения i_в равен току обмоток якоря I, следовательно, величина магнитного потока Ф при разгоне двигателя достигает также наибольшего значения.

Учитывая то обстоятельство, что величина магнитного потока Ф, в основном, зависит от силы тока возбуждения i_в, то можно сделать вывод, что для ТЭД с последовательным возбуждением величина вращающего момента М_тэд, которая пропорциональна квадрату силы тока якоря I² (М_тэд ≡ I²), будет наибольшей по сравнению с другими системами возбуждения, как и значение силы тяги F_к на колесных парах локомотива, так как F_к = М_тэд/R_к, где R_к - радиус колеса. Соответственно, тепловоз с ТЭД с последовательным возбуждением будет иметь наилучшие разгонные качества и тяговые свойства.

Можно отметить, что ТЭД с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Поэтому ТЭД с такой системой возбуждения применяют в тяжелых условиях пуска и разгона, что, собственно, и характеризует условия трогания с места и разгона тепловозов с составом.

Можно также отметить, что ТЭД с последовательным возбуждением более ппособлены к перегрузкам по сравнению с ТЭД с другими системами возбуждения, что очень важно при их работе в качестве приводов колесных пар тепловозов с электрической передачей и электровозов, а также грузоподъемных механизмов (лифты, краны и др.)

К достоинствам ТЭД с последовательным возбуждением также нужно отнести и то обстоятельство, что они обеспечивают более равномерное распределение нагрузок на каждый двигатель в случаях неравномерного износа бандажей колесных пар локомотивов и появления заметной разницы в диаметрах круга их катания. При заметной разнице диаметров колес и расхождении электромеханических характетик ТЭД одной тележки или тепловоза возникает неравенство сил тяги, создаваемых различными колесными парами при взаимодействии с рельсами. Эти обстоятельства повышают вероятность возникновения боксования тех колесных пар локомотива, на которых реализуются большие значения силы тяги. Разница в диаметрах колес также негативно сказывается на реализации тормозной силы, создаваемой тормозными средствами самого локомотива.

Недостатком двигателей с последовательным возбуждением является то, что при малых внешних нагрузках (например, при движении локомотива в режиме тяги на спуске) величина магнитного потока Ф заметно уменьшается, а частота вращения, наоборот, гипотетически может сильно вырасти, т.е. двигатель может пойти вразнос. Для исключения этого явления колесные пары тепловоза жестко соединены с якорем ТЭД постоянного тока через тяговый редуктор.

Необходимо отметить, что на некоторых сериях современных тепловозов и электровозов стали применять независимую систему возбуждения ТЭД, когда обмотка возбуждения статора питается от постороннего источника постоянного тока. Двигатели с независимым возбуждением имеют жесткую электротяговую характетику, т.е. зависимость V = f(I) представляет собой почти горизонтальную линию. Это означает, что скорость движения локомотива с поездом может быть практически постоянной на любом по трудности элементе профиля.

В целом, применение независимой системы позволяет оптимизировать характетики ТЭД и получить оптимальные тяговые свойства локомотива с электрическим приводом колесных пар. Однако при этом значительно усложняется система регулирования тока возбуждения ТЭД.

Способы регулирования частоты вращения якоря ТЭД постоянного тока. При существующей жесткой механической связи ТЭД с колесными парами тепловоза регулировать частоту вращения якоря - это означает управлять скоростью движения локомотива.

Для обеспечения полного использования мощности дизеля во всем скоростном диапазоне работы тепловоза с электрической передачей необходимо изменять напряжение на тяговых электродвигателях U_тэд и, соответственно, частоту вращения их якорей примерно в 4 - 5 раз. Для решения этой задачи на тепловозах применяют различные системы регулирования частоты вращения якоря двигателя постоянного тока.

Частота вращения якоря двигателя n прямо пропорциональна подводимому напряжению U_тэд и обратно пропорциональна величине Ф.

 = Е/(с_е∙Ф) = (U_тэд - I∙ΣR_я)/(с_е∙Ф),

где U_тэд- напряжение, подводимое к двигателю, В;- сила тока якоря двигателя, А;

ΣR_я - суммарное сопротивление обмоток якоря, Ом;

Ф - магнитный поток двигателя, Вб;

Из формулы следует, что частоту вращения якоря тягового электродвигателя и скорость движения тепловоза при его работе в тяговом режиме можно изменять, регулируя напряжение U_тэд, магнитный поток Ф и суммарное сопротивление обмоток якоря ΣR_я. Из-за больших потерь, достигающих на электроподвижном составе до 20 % тяговой (касательной) мощности, последний способ на тепловозах с электрическими передачами не применяется.

Необходимо отметить, что ТЭД тепловозов в эксплуатации также могут работать в режимах реверсирования (меняется направление вращения якоря) и генератора (при электрическом торможении). На современных тепловозах, как правило, применяют так называемое реостатное торможение, когда ТЭД, работая в генераторном режиме, подключаются к тормозным резисторам, устанавливаемым в кузове локомотива. В этих резисторах электрическая энергия, вырабатываемая ТЭД при торможении поезда, преобразуется в тепловую энергию, которая с помощью вентиляторов отводится в атмосферу.

. Схемы соединения тяговых электродвигателей шестиосного тепловоза: а - последовательное (С), б и в - последовательно-параллельное (СП), г - параллельное (П)

Способы регулирования напряжения U_тэд. Напряжение U_тэд, подводимое к двигателю, можно изменять, регулируя магнитный поток тягового генератора или изменяя схему соединения тяговых двигателей.

Принцип регулирования скорости движения на основе изменения схемы соединения тяговых двигателей осуществлен на ряде серий тепловозов старой постройки ТЭМ1, ТЭ2, также на опытной партии ТЭМ2. Возможные схемы соединения тяговых электродвигателей шестиосного тепловоза ТЭМ2 показаны на . 59. При последовательном соединении двигателей к каждому из них подводят напряжение U_тэд = U_r/m, где m - число двигателей, соединенных последовательно.

Четыре схемы соединения двигателей, приведенные на . 59, дают такое же количество ступеней регулирования напряжения U_тэд, подводимого к двигателю: при последовательном соединении U_тэд = U_r/6, при последовательно-параллельном U_тэд = U_r/3 и U_тэд = U_r/2, при параллельном - U_тэд = U_r.

Переключение двигателей возможно тремя способами: коротким замыканием, с разрывом цепи и замыканием по схеме моста. На тепловозах использовался только первый способ, не требующий дополнительного оборудования и характеризующийся относительно небольшим снижением силы тяги при переключении. На электровозах в разной степени применяют все три способа переключения тяговых электродвигателей.

Второй способ регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям U_тэд - путем изменения напряжения главного генератора. Как отмечалось ранее, изменение сопротивления движению поезда приводит к изменению скорости движения тепловоза и снижению частоты вращения якоря тягового двигателя.

Силу тока I тягового двигателя можно определить с помощью следующего равенства:

I = (U_тэд - с_е∙n_тэд∙Ф)/ΣR_я, А.

Из формулы следует, что, например, снижение частоты вращения якоря n_тэд приведет к увеличению значения тока нагрузки I двигателя и, соответственно, тягового генератора I_r. Благодаря гиперболической форме внешней характетики тягового генератора в этом случае пропорционально увеличению тока нагрузки уменьшится его напряжение U_r. Таким образом, изменение скорости движения тепловоза с электрической передачей автоматически приводит к регулированию напряжения U_r и U_тэд.

. Схема регулирования магнитного потока тягового электродвигателя тепловоза шунтированием обмотки возбуждения

Напряжение тягового генератора U_r также можно регулировать изменением частоты вращения коленчатого вала дизеля тепловоза:

_rЕ_r = с_е∙n_е∙Ф,

где n_е - частота вращения вала дизеля, об/мин.

Изменяя положение рукоятки контроллера машиниста и тем самым регулируя частоту вращения коленчатого вала дизеля n_е, машинист обеспечивает ступенчатое изменение величины U_r. Этим способом обычно пользуются в период трогания с места и разгона тепловоза с электрической передачей.

Способ регулирования магнитного потока ТЭД. Этот способ регулирования скорости движения тепловозов оказался самым простым и экономичным, поэтому и получил широкое применение на локомотивах с электрическим приводом колесных пар. На локомотивах применяют так называемую систему ступенчатого изменения величины магнитного потока Ф возбуждения ТЭД. Существующие методы позволяют лишь уменьшать величину Ф, тем самым снижать максимальное напряжение тягового генератора, от которого зависят его вес и габаритные размеры.

На тепловозах регулирование магнитного потока ТЭД осуществляют шунтированием его обмотки возбуждения. Параллельно последовательно включенной обмотке возбуждения К-КК тягового электродвигателя ТЭД (. 60) подключают несколько (на тепловозах два) резисторов R_ш1, R_ш2. При включении контактора Ш1 часть тока якоря двигателя I_тэд отводится от обмотки возбуждения в цепь, образуемую резистором R_ш1. Магнитный поток полюсов тягового двигателя уменьшается. Включение с помощью контактора Ш2 второго резистора R_ш2 (второй ступени ослабления) еще больше уменьшит магнитный поток. На тепловозах ограничиваются двумя ступенями ослабления магнитного потока. Коэффициент ослабления магнитного потока α одной ступени регулирования:

где R_ш - сопротивление обмотки возбуждения якоря двигателя, Ом;

R_в - сопротивление шунтирующего резистора, Ом.

Обычно для тепловозных электрических передач коэффициент ослабления магнитного потока первой ступени равен α₁ ≥ 0,6, второй - α₂ ≥ 0,3. Соответственно, при полном магнитном поле (ПП) величина коэффициента α равна единице. На 58 приведены электромеханические характетики тепловозного двигателя для полного поля (ПП) и двух ступеней ослабления магнитного потока возбуждения (ОП1 и ОП2).

Таким образом, применение на тепловозах двухступенчатой системы ослабления магнитного потока возбуждения ТЭД позволяет троекратно использовать внешнюю характетику тягового генератора при тяговом режиме его работы и обеспечивает полное использование мощности дизеля во всем скоростном диапазоне работы локомотива.

Литература

Кацман М. М. Электрические машины. - М., 2003.

Проектирование электрических машин/И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. К. Клоков и др.- М., 2000.

.Каасик П. Ю., Несговорова Е. Д. Управляемые асинхронные двигатели. - Л., 2005.

.Копылов И. П. Электромеханическое преобразование энер­гии. - М., 1973.

Кононенко Е. В., Сипайлов Г. А., Херьков К. А. Электрические машины. -М., 1975.

Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины, ч. I и II.-Л., 2003.

Лопухина Е. М., Сомихина Г. С. Асинхронные микромашины с полым ротором. - М., 1967.

Петров Г. Н. Электрические машины. - М., 1974, ч. I; 1963, ч. II.

Постников И. М. Проектирование электрических машин. - Ки­ев, 2000.