Что такое асинхронный двигатель на тепловозе
автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему: Тяговые асинхронные двигатели магистральных тепловозов в специальных режимах
Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Рогачев, Сергей Иванович
I. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ТЕПЛОВОЗА С ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ ПЕРЕМЕННО-ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
1.1. Основные элементы передачи и требования, предъявляемые к ним.
1.1.1. Синхронный тяговый генератор (СТГ) .
1.1.2. Статический преобразователь частоты (СПЧ) . . . .
1.1.3. Тяговый асинхронный двигатель СТАД)
1.1.4. Система автоматического регулирования (САР) . . .
1.2. Выбор способа электрического торможения тягового асинхронного двигателя.
1.2.1. Конденсаторное торможение
1.2.2. Торможение противовключением
1.2.3. Динамическое торможение
1.2.4. Двухтоковое торможение
1.2.5. Генераторное торможение.
1.3. Основные итоги и выводы
П. САМОВОЗБУЖДЕНИЕ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ В РЕЖИМЕ
2.1. Особенности процесса генераторного торможения . . . -при работе от статического преобразователя частоты
2.2.Самовозбуждение асинхронной машины при работе от СПЧ
2.3. ^тематическое моделирование динамики процесса самовозбуждения
2.4. Анализ влияния параметров машины на процессе самовозбуждения
2.5. Основные итоги и выводы
Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ШЕРАТОНОМ
ТОРМОЖЕНИЙ АСШХРОННОЙ МАШИНЫ.
3.1. Математическое моделирование тормозного контура. . ТАД-СПЧ- RT.
3.2. Анализ влщнит характера изменения частота СПЧ на тормозные характеристики.
3.3. Анализ влшнш параметров асинхронной машины на тормозные характеристики.
3.4. Особенности тормозных характеристик майю трального тепловоза.
3.5. Система автоматического управления магистрального тепловоза в режше генераторного торможен да
З.Ь. Основные итоги и вывода.
1У. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЯГОВОМ
АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРИ ЧАСТОТНОМ ПУСКЕ
4.1. Математическое моделщювание пуска асинхронного двигателя при несинусоццальном напряжении.
4.2. Расчетные результата ълтнт несинусоидальности напряжение СПЧ при пуске.10Ь
4.3. Анализ влтвт параметров ТАД на пусковые характеристики.
4.4. Основные итоги и выводы.
У. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРНОГО ТОРМОЖЕНЩ
5.1. Описание экспериментальной установки.
5.1.1. Измерение частоты вращения ротора и динамического момента на валу испытуемой машины.
5.1.2. Устройство и работа блока заданш режима торможенш.
5.2, Экспериментальное исследование процесса самовозбуждения
5.3. Экспериментальное исследование тормозных режимов
5.4. Основные итоги и выводы
Введение 1984 год, диссертация по электротехнике, Рогачев, Сергей Иванович
В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 — 1985 г.г. и на период до 1990 года» говорится: «Задача первостепенной важности — преодолеть сложившееся отставание железнодорожного транспорта от потребностей народного хозяйства» / I /. В связи с этим в П-ой штилетке необходимо обеспечить прирост грузооборота железнодорожного транспорта на 14-15 % (за десятую пятилетку прирост составил 6 %). Это ставит перед сове текши учеными, конструкторами, рабочими задачу создания новых мощных магистральных локомотивов. Особую актуальность эта проблема приобретает в связи с интенсивным экономическим и социальным развитием районов Сибири и Дальнего Востока, вде «поворотным моментом в хозяйственной судьбе огромного региона явится завершение строительства Байкало-Амурской железнодорожной магистрали» / I / , по которой будет осуществляться огромный объем перевозок.
Одной из важнейших проблем создания сверхмощного тепловоза является разработка системы электропередачи. В настоящее время основными являются системы, в которых в качестве тягового двигателя используются коллекторные машины постоянного тока.
На рис. I.I. представлена упрощенная структурная схема электропередачи постоянно-постоянного тока. Тяговые двигатели постоянного тока (ТД), которые включены параллельно, питаются от главного тягового генератора также постоянного тока (ТГПТ), приводимого во вращение дизельной установкой (Д). Возбуждение ТП1Т осуществляется от независимого возбудителя постоянного тока (НВ). позволяющего регулировать величину напряжения возбуждения. Регулирование частоты вращения ТД достигается ослаблением поля, эта система электропередачи обладает весьма ценным преимуществом — плавностью и экономичностью регулирования, однако
Схема электропередачи постоянно-постоянного тока
Схема электропередачи гзременно-постоянного тока ввиду наличия слабого звена — ТП1Т» коммутационная надежность которою заметно падает с увеличением мощности, — применение электропередачи постоянно-постоянного тока возможно лишь в локомотивах мощностью не ваше 2200 кВт. Расчетами и опытами показано / 3 Л что при возрастании мощности ТШТ ( Рг ) и частоты его вращения ( (Of ) надежную работу коллекторно-щеточного узла не удается обеспечить при
В связи с этим в шестидесятых годах начали выпускаться тепловозы с электропередачей переменно-постоянного тока (рис. 1.2). В этой передаче ТГПТ заменен тяговым синхронным генератором (ТОГ) и полупроводниковым выпрямителем (В). Эксплуатация тепловозов с электропередачей переменно-постоянного тока мощностью 2200 кВт показала, что ТСГ с В не только надежней ТГПТ, но имеет массу на 15.20 % меньше / 3 /. В настоящее время применение компенсационной обмотки в тяговых двигателях постоянного тока позволило довести мощность отечественных тепловозов с передачей переменно-постоянного тока до 4400 кВт (6000 л.с.) в сещии. причем при этом потребовалось увеличение диаметра колеса до 1#25 м. При дальнейшем росте требуемой мощности в единице подвижного состава все более начинают сказываться недостатки, присущие коллекторным машинам постоянного тока при работе их в условиях железнодорожной тяги. Эксплуатация серийных тепловозов показала» что тяговый электродвигатель постоянного тока является наименее надежным звеном системы электропередачи, вследствие работы при повышенных электромагнитных нагрузках (по сравнению с серийными машинами постоянного тока) в крайне тяжелых условмх железнодорожной таги.
В связи с этим перед советскими локомотивостроителями встал вопрос о замене тяговых коллекторных двигателей постоянного тока
Схема электропередачи переменно-переменного тока1 наиболее простыми конструктивно» дешевыми, надежными в эксплуатации асинхронными тяговыми двигателями, частота вращения которых ре1улируется изменением частоты питающего напряжения.
Согласно техническому заданию № 013.05.06 на научно-исследовательскую работу «Создание опытного образца тепловоза с секционной мощностью 4000 л.с. с электропередачей переменно- переменного тока», утвержденному Постановлением Совета Министров СССР № 165 от 11.08.1978 г. была определена задача создания мощного локомотива с асинхронными тяговыми двигателями. Коллективами НИИ ЭТМ. МЭЙ. ЛИИХТ и др. была разработана система электропередачи тепловоза, которая в упрощенном вцце приведена на рис. 1.3 /3.4/. Тяговый синхронный генератор (ТСГ) приводится во вращение дизельной установкой (Д). Возбуждение ТСГ производится от вспомогательного генератора (ВГ) через управляемый выпрямитель (УВ). Напряжение с ТСГ поступает на статический преобразователь частоты (СПЧ). состоящий из общего неуправляемого выпрямителя (В) и шести автономных инверторов (АИС . АУВ)» питающих, в свою очередь» шесть (по числу колесных пар) тяговых асинхронных двигателей (ТАД1 . ТАДэ).
Кроме основного. тягового, режша работы ТАД весьма важными эксплуатационными режимами являются частотный пуск и электрическое торможение тяговой асинхронной машины. Переходные процессы при пуске и торможении связаны с резкими бросками тока и пульсациями электромагнитного момента, особенно выраженными вследствие несинусовдальности напряжения СПЧ. Следует отметить, что хотя трех-пятикратные кратковременные броски тока и не вызывают заметных перегревов двигателя, но они крайне опасны для полупроводниковых элементов СПЧ. Поэтому проектирование тяговых асинхронных машин с параметрами, обеспечивающими надежную работу элементов электропередачи в режимах пуска и торможения, является весьма АКТУАЛЬНОЙ ЗАДАЧЕЙ.
Настоящая диссертационная работа выполнялась по хоздоговорам с НИИ Э1М, который осуществляет разработку и создание электрооборудования магистрального тепловоза с электропередачей пере-менно-перемеиного тока.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ состоят в следующем:
— выбор наиболее приемлемого с точки зрения эксплуатационных показателей способа электрического торможения тяговых асинхронных двигателей *f
— исследование динамики работы тягового электродвигателя в тормозном режиме при изменении величины и частоты питающего напи ряжения при переменной частоте вращения ротора;
— установление влияния параметров асинхронной машины на величину всплесков тока и динамических моментов при торможении и пуске и определение путей ограничения их по требованиям надежности работы электрооборудования;
— проведение экспериментальных исследований процесса торможения и пуска и сопоставление результатов теоретических исследований и эксперимента;,
— разработка рекомендаций по проектированию и созданию асинхронных тяговых двигателей с учетом их работы в режиме электрического торможения и частотного пуска.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертации представлена следующими результатами:
— разработана методика расчета переходных процессов в асинхронной машине в режиме самовозбувдения с учетом насыщения. при работе о СПЧ, позволяющая определить влияние частоты и параметров машины на конечные значения напряжения статора токов и потокосцеп-лений, которые являются исходными при расчете тормозных характеристик;
— предложена методика экспериментального определения критической частоты режима самовозбузвдения в системе ТАД — СПЧ;
— разработана математическая модель и методика расчета переходных процессов генераторного торможения с учетом нелинейности магнитной системы и несинусоидальности напряжения СПЧ;
— разработана методика расчета пусковых характеристик ТАД при несинусоццальном напряжении статора;
— разработана схема, позволяющая экспериментально исследовать переходные процессы в асинхронной машине при пуске и торможении для различных законов ре1улированш частоты СПЧ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы состоит в создании методик и алгоритмов расчета на ЦВМ пусковых и тормозных характеристик ТАД» которые позволяют осуществлять на стадии проектирования выбор основных параметров машины, обеспечивающих надежную работу элементов электропередачи тешювоза во всех режимах.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Внедрение разработанных методик и алгоритмов в расчетную практику предприятия ц/я А-7376 при проектировании тяговых асинхронных машин дает экономический эффект в размере 38»0 тис.руб. (акт о внедрении приводится в приложении).
АПРОБАЦШ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции «Перспективы развития электромашиностроения на Украине» (Харьков t 1983 г.) и на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ХПИ имени В. И. Ленина в 1977-1983 г. г.
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации отображено в 10 печатных работах и 2 технических отчетах.
I. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНШ МАГИСТРАЛЬНОГО ТЕПЛОВОЗА С ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ ПЕРЕМБННО
Исследования советских и зарубежных ученых и инженеров уже достаточно давно показали преимущества замены тяговых двигателей постоянного тока асинхронными бесколлекторными двигателями с короткозамкнутым ротором с регулируемой частотой напряжения статора (впервые попытка применить асинхронный двигатель на транспорте была осуществлена еще в конце прошлого века) / 2 /. Однако развитие этого безусловно перспективного вида электропередачи долгое время сдерживалось отсутствием надежных и относительно дешевых преобразователей частоты. В последние десятилетия бурное развитие силовой полупроводниковой техники позволило вплотную подойти к разработке и созданию не только городского» но и железнодорожного транспорта с асинхронными тяговыми двигателями,
В 1965 году фирмой Btuek (Англия) был создан опытный образец тепловоза с силой тяги 22.4 Т и максимальной проектной скоростью 120 км/час. который не был передан в эксплуатацию из-за низких параметров силовых тиристоров и недостаточной надежности автономного инвертора в целом.
Значительную роль в развитии железнодорожного транспорта с тяговыми асинхронными двигателями сыграло создание ВВС жНег?зс1ге£ в 1970 году опытного тепловоза DE-2500 мощностью 1840 кВт (2500 л.с.). В Швейцарии на базе тепловоза DE
2500шстроена партия тепловозов йтЬ/6 также мощностью 1840 кВт. В 1980 г. в США построены по той же системе тепловозы мощностью 2000 1©т. В 1976 г. был создан экспериментальный отечественный тепловоз ТЭ 120 мощностью 2940 кВт (4000 л.с.). Некоторые данные этих тепловозов приведены в табл. 1.3/2» 3» 4, 5» 6, 7/.
Тяговый привод локомотива с асинхронными электродвигателями
Тяговый првод локомотива, в котором параллельные потоки мощности для сздания потребных тяговых усилий обеспечиваются применением асинхронных электродвигателей, при посредстве передаточного механизмав в виде торцевой зубчатой передачи с внутренним зацеплением, схема которого построена путем преобразования схемы простейшей планетарной передачи
Предлагаемое техническое решение относится к области железнодорожного транспорта в части разработки мер по энергосбережению в процессе перевозок.
Известна «компоновочная схема тягового привода локомотива» [1], реализующая создание потребных тяговых усилий параллельными потоками мощности, при соблюдении условий компактности, доступности, технологичности монтажа и технического обслуживания силовой установки. В обеспечение этого решения была принята конструкция передаточного механизма в виде «торцевой зубчатой передачи с внутренним зацеплением» [2].
Логическим развитием усовершенствования компоновочной схемы тягового привода является разработка мер по повышению эффективности использования переменного тока в качестве энергоносителя, применением короткозамкнутых асинхронных двигателей — наиболее выгодного и универсального в эксплуатации электропривода [3].
В качестве иллюстрации к предлагаемому техническому решению приведены «Разработка схемы передаточного механизма тягового привода» (см. рис.1а,б) и «Схема тягового привода с асинхронными двигателями» (см. рис.2). Нумерация деталей и агрегатов на рис.1, 2 — сквозная. Обозначения на схемах:
-1 — ведущее основное колесо;
-3 — исполнительное основное колесо;
-4 — сателлит (на рис.1а), шестерня (на рис.1б, 2);
-5 — ось колесной пары;
-6 — колесная пара;
-7 — асинхронный электродвигатель;
-9 — подшипник скольжения;
-10 — подшипник качения;
-11 — центробежная муфта;
-12 — предохранительная муфта;
-13 — комбинированная муфта;
-14 — промежуточный вал;
-15 — блок устройств для запуска двигателя с облегченными условиями пуска.
Питающая сеть подключена к обмотке статора, блок устройств для запуска двигателя с облегченными условиями пуска — к обмотке ротора электродвигателей.
Согласно предложенному техническому решению поставленная цель достигается тем, что схема передаточного механизма построена путем преобразования простейшей планетарной передачи (см. рис.1а), в которой (см. рис.1б) отсутствует ведущее основное колесо 1, водило 2 закреплено неподвижно относительно оси 5 колесной пары 6, вращение которой обеспечивается жестко с ней соединенным исполнительным основным колесом 3, находящимся в зацеплении с шестернями 4 (см. рис.1б, 2), утратившими при преобразовании роль сателлитов 4 (см. рис.1а). При этом ступица-водило 8 неразъемно жестко связана со статорами асинхронных двигателей 7 (см. рис.2), валы которых соединены с осями вращения шестерен 4 посредством последовательно расположенных самодействующих (самоуправляющихся) муфт [4] — центробежной 11 и предохранительной 12. Как вариант, муфты 11, 12 могут быть заменены комбинированной муфтой 13, сочетающей в себе их свойства. Действие муфт 11, 12 или муфты 13 согласовано с включенными в состав электропривода устройствами 15 обеспечения запуска двигателя с облегченными условиями пуска (роторный, автотрансформаторный [3]).
Запуск электродвигателей 7 осуществляется при разомкнутой цепи «двигатель — передаточный механизм», замкнутость которой в процессе движения обеспечивает последовательное включение центробежной 11 и предохранительной 12 муфт. В процессе движения предохранительные муфты 12 плавно регулируют потребление мощности для обеспечения потребного скоростного режима движения транспортного средства; центробежные муфты 11 обеспечивают согласование частоты вращения колесной пары 6 и роторов электродвигателей 7.
Возможность применения способов и средств автоматического управления агрегатами электропривода [3] в предлагаемой схеме повышают эффективность применения ее для энергосбережения при осуществлении перевозок в жедезнодорожной транспортной системе.
1. Компоновочная схема тягового привода железнодорожного подвижного транспортного средства с параллельными потоками мощности./Патент РФ 
2412072. Бюл. 5. 2011.
2. Торцевая зубчатая передача с внутренним зацеплением. / Патент РФ 2354870. Бюл. 13. 2009.
3. Мучник А.Я., Парфенов К.А. Общая электротехника./ «Высшая школа». — М. 1967. 447 С.
4. Березовский Ю.Н., ЧЧернилевский Д.В., Петров М.С. Детали машин./ «Машинолстроение». — М. 1983. 384 С.
Тяговый привод локомотива с асинхронными электродвигателями, в котором потребные тяговые усилия обеспечиваются параллельными потоками мощности при посредстве передаточного механизма в виде торцевой зубчатой передачи с внутренним зацеплением, отличающийся тем, что схема передаточного механизма построена путем преобразования простейшей планетарной передачи, в которой отсутствует ведущее основное колесо, водило закреплено неподвижно относительно оси колесной пары, вращение которой обеспечивается жестко с ней соединенным исполнительным основным колесом, находящимся в зацеплении с шестернями, утратившими при преобразовании роль сателлитов, при этом ступица-водило неразъемно жестко связано со статорами асинхронных двигателей, валы которых соединены с осями вращения шестерен посредством последовательно расположенных самодействующих (самоуправляющихся) муфт — центробежной и предохранительной; как вариант, центробежная и предохранительная муфты могут быть заменены комбинированной муфтой, сочетающей в себе их свойства, действие муфт согласовано с включенными в состав электропривода устройствами обеспечения запуска двигателя с облегченными условиями пуска.
На Токе заряженный портал
Электродвигатели для электротранспорта. Технологии — На токе
- Статьи об электротранспорте
- Технологии
- Электродвигатели для электротранспорта.
Электродвигатели для электротранспорта.
Под электродвигателем понимается устройство, которое применяется для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращательного элемента электрической машины. Процесс преобразования преимущественно основан на взаимодействии магнитных полей обмоток основных элементов двигателя – ротора и статора. Данные электромашины нашли широкое применение во многих промышленных сферах как элементы приводов электрического транспорта и электрического инструмента, в устройствах автоматизации и т.п.
В настоящее время существует достаточно большое число различных видов электрических двигателей, которые отличаются друг от друга принципом действия, конструкцией и другим параметрам. Рассмотрим наиболее распространенные типы электродвигателей.
По принципу работы выделяют магнитоэлектрические и гистерезисные электродвигатели. Гистерезисные электродвигатели не получили широкого распространения ввиду своей дороговизны и низкого коэффициента полезного действия (КПД), хотя они имели достаточно простую конструкцию и высокие пусковые характеристики. В настоящее время в основном выпускают магнитоэлектрические электродвигатели.
По типу питающего напряжения принято разделять электрические двигатели на те, которые работают от постоянного тока, от переменного тока и универсальные электродвигатели.
По своей конструкции электрические двигатели делятся на устройства с горизонтально или вертикально расположенным валом.
Существуют еще достаточно большое число классификаций (например, по назначению, климатическому исполнению, степени защиты и т.п.), но наиболее важными являются классификации, приведенные выше.
На рисунке показана полная классификация электрических двигателей.
Электродвигатели постоянного тока
На рисунка ниже показана структура электродвигателя постоянного тока. Принцип работы данного устройства базируется на известном многим законе Ампера. Если поместить рамку из проволоки внутри магнитного поля, можно наблюдать ее вращение. Возникший в рамке ток будет формировать вокруг себя магнитное поле, которое будет взаимодействовать со внешним и, тем самым, и наблюдается вращение рамки.
В наиболее современных вариантах данных электродвигателей в качестве рамки используется специальный якорь с обмотками. На данные обмотки подается электрический ток, что приводит к возникновению магнитного поля вокруг якоря. Взаимодействие данного поля с внешним магнитным полем приводит якорь во вращательное движение. Все обмотки якоря объединены в общий узел, который получил название коллектора. Чаще всего он выполняется в виде кольца из ламели, которое зафиксировано на валу якоря. В процессе вращения вала щетки поочередно подают напряжение питания на обмотки сквозь ламели коллектора. За счет этого наблюдается равномерное вращение вала. Очевидно, что чем больше обмоток будет создано на якоре, тем более равномерным будет его вращение.
Обычно электродвигатели, работающие на постоянном токе, используются в качестве приводных механизмов электрического транспорта или промышленных установок. Данные устройства имею целый ряд преимуществ, к числу которых относятся:
— возможность проведения регулировки частоты вращения вала с помощью управления напряжением питания на обмотках;
— достаточно высокий КПД;
— возможно создания опытных образцов электродвигателей с незначительными геометрическими размерами;
— простая схема управления;
— возможность работы в генераторном режиме;
— высокий пусковой момент.
Электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по методам возбуждения. Выделяют:
— электродвигатели с постоянными магнитами, которые имеют небольшие габариты и используются, в основном, в микроприводах;
— электродвигатели с электромагнитным возбуждением, которые получили широкое распространение в настоящее время. Чаще всего их классифицируют по методу подключения обмотки статора на:
— электродвигатели с параллельным возбуждением;
— электрические двигатели с последовательно подключенной обмоткой статора;
— электродвигатели с независимым возбуждением;
— электродвигатели со смешанным возбуждением.
Электродвигатели переменного тока
Электрические двигатели переменного тока нашли широкое применение в приводах любых устройств. Чаще всего принято различать два вида данных электрических двигателей (в зависимости от разности между скоростью вращения статора и частотой вращения ротора) – синхронные и асинхронные электродвигатели. Рассмотрим их подробнее.
Асинхронные электродвигатели
Асинхронные электрические двигатели приобрели высокую популярность вследствие своей простоты и незначительной цены. Главным отличием данного типа электрических двигателей является наличие эффекта скольжения. Под ним понимается разница между частотой вращения магнитного поля неподвижной части электродвигателя и скорость вращения ротора.
На рисунке приведена конструкция асинхронного электрического двигателя. Напряжение на роторе формируется благодаря переменному магнитному полю обмоток статора электродвигателя. В результате процесса вращения происходит взаимодействие поле подвижной и неподвижной частей устройства, которое имеет место вследствие воздействия возникших вихревых токов.
Асинхронные электрические двигатели классифицируются в зависимости от обмоток неподвижной части следующим образом:
— однофазные асинхронные электродвигатели;
— двухфазные асинхронные электродвигатели;
— трех- и многофазные асинхронные электрические двигатели.
В зависимости от конструкции подвижной части асинхронные электродвигатели разделяются на электродвигатели с короткозамкнутым ротором и электродвигатели с фазным ротором.
Синхронные электродвигатели
На рисунке приведена конструкция синхронного электрического двигателя.
По аналогии с асинхронными электрическими двигателями, процесс вращения ротора связан со взаимодействием магнитных полей в самом роторе и статоре. Скорость вращения подвижной части данного электрического двигателя напрямую зависит от частоты поля, которое формируется обмотками неподвижной части двигателя.
Каждая из обмоток неподвижной части электродвигателя питается напряжением от трехфазного источника. К электрическим магнитам подвижной части прикладывается постоянное напряжение. Процедура запуска двигателя и его разгона происходит в асинхронном режиме, для чего на подвижной части имеется одна специальная обмотка. Постоянное напряжение необходимо подавать только после того, как подвижная часть разгонится до номинальной частоты при асинхронном режиме работы.
Универсальные двигатели
Существует также отдельная группа электродвигателей, в которую относятся так называемые универсальные электрические двигатели, которые могут работать как от источников переменного, так и от источников постоянного напряжения. Конструктивно данные устройства очень похожи на электродвигатели, работающие от источников постоянного напряжения. Основное отличие заключается в конструкции магнитной системы и обмоток подвижной части электродвигателя.
Каждая разновидность электродвигателя обладает свои набором плюсов и минусов. Для того, чтобы сделать грамотный выбор необходимого электродвигателя, необходимо учитывать условия эксплуатации, необходимую частоту вращения ротора, тип нагрузки и многие другие характеристики.
Тяговые характеристики тепловозов с электрической передачей мощности.
На сегодняшний день большинство тепловозов используемых на железных дорогах России и мира в качестве передачи мощности используют электрическую передачу. В зависимости от типа используемых электрических машин электрические передачи разделяют на передачи постоянного тока, переменно-постоянного тока и переменного тока. В передачах постоянного тока используются тяговый генератор и тяговые двигатели постоянного тока, в передачах переменно-постоянного тока используется синхронный тяговый генератор и двигатели постоянного тока, в передачах переменного тока используются генератор и двигатели переменного тока. В электрической передаче якорь тягового генератора через муфту жестко соединен с коленчатым валом дизеля, а якоря тяговых двигателей через осевые редуктора связаны с ведущими колесными парами тепловоза.
Принципиальная схема электрической передачи постоянного тока приведена на рисунке 18. Передача содержит тяговый генератор и несколько тяговых двигателей. Такие передачи нашли широкое распространение на тепловозах мощностью до 2200кВт.
Рисунок 18. Схема электрической передачи постоянного тока:
САР – система автоматического регулирования возбуждения тягового генератора; ОВГ – обмотка возбуждения тягового генератора; ТГ – тяговый генератор; ТЭД – тяговый электродвигатель; ОВ – обмотка возбуждения тягового электродвигателя; RШ1, RШ2 – сопротивления ослабления магнитного потока тягового двигателя.
Благодаря наличию двух последовательно соединенных коллекторов генератора и тягового двигателя вся тяговая цепь данной передачи может быть разделена на две практически независимые системы: дизель – тяговый генератор и тяговый двигатель – колесная пара.
Как и в случае с э.п.с. регулирование скорости движение тепловоза с электрической передачей осуществляется путем изменения напряжения тягового генератора (ступенчатое при изменении схемы соединения или плавно при регулировании возбуждении тягового генератора) или регулированием тяговых двигателей включением ступеней ослабления магнитного потока.
При регулировании тягового генератора стремятся обеспечить постоянство мощности, частоты вращения и подачи топлива дизеля при различных значениях тока нагрузки. Для этого используется специальная система регулирования напряжения тягового генератора.
При регулировании и выборе типа применяемых тяговых двигателей главной задачей является обеспечение наименьшего изменения тока нагрузки при изменении момента сопротивления движению. Наиболее подходящими для данного условия являются двигатели с сериесной (последовательной) системой возбуждения. В качестве регулирования используется включение ступеней ослабления поля.
При установившемся режиме работы дизеля и постоянном выходе рейки топливного насоса система регулирования возбуждения тягового генератора изменяет напряжение на его зажимах таким образом, чтобы обеспечить выполнение следующего условия:
; (13) где PГ – выходная мощность тягового генератора кВт, IГ – ток нагрузки тягового генератора (А); UГ – напряжение на зажимах тягового генератора (В); 
– коэффициент полезного действия тягового генератора.
Зависимость 
при реализации номинальной мощности дизеля называют внешней характеристикой тягового генератора. Та же зависимость при мощности дизеля меньше номинальной называется частичной характеристикой тягового генератора. Внешняя и частичные характеристики тягового генератора показаны на рисунке 19. При определении мощности генератора на частичных нагрузках при различных частотах вращения, прежде всего, стремятся обеспечить экономичность работы тепловозного дизеля.
Важным вопросом является выбор основных параметров внешней характеристики тягового генератора, а именно максимального и номинального тока, а также максимального напряжения. Максимальный ток тягового генератора выбирается таким образом, чтобы обеспечить реализацию тяговым двигателям реализацию максимальной силы тяги по условиям сцепления колесных пар с рельсами. Номинальный ток тягового генератора выбирается таким образом, чтобы обеспечить реализацию длительной (расчетной) силы тяги по условию нагревания электрических машин. Значение максимального напряжения генератора определяется исходя из обеспечения максимальной скорости движения тепловоза при включенном ослаблении поля.
Рисунок 19. Внешняя и частичные характеристики тягового генератора:
Uг max – максимальное напряжение тягового генератора (В); Uг ном – номинальное напряжение тягового генератора (В); Uг min – минимальное напряжение тягового генератора; Iг max – максимальный ток тягового генератора (А); Iг ном – номинальный (расчетный) ток тягового генератора (А); Iг min – минимальный ток тягового генератора (А); ПКМ1, ПКМ5, ПКМ10, ПКМ14 и ПКМ15 – соответственно первая, пятая, десятая, четырнадцатая и пятнадцатая позиции контроллера машиниста.
Преимуществами электрической передачи мощности постоянного тока являются:
• отсутствие кинематической связи вала теплового двигателя с движущими колесами локомотива;
• возможность плавного регулирования силы тяги и скорости локомотива во всем заданном рабочем диапазоне;
• высокое значение к. п. д. передачи и теплового двигателя во всем рабочем диапазоне (при мощности менее 1000кВт к.п.д. составляет 0,78—0,84, а при более 1000 кВт – 0,84—0,86);
• высокая степень использования мощности теплового двигателя во всем рабочем диапазоне;
• отсутствие муфт сцепления и промежуточных зубчатых редукторов; возможность осуществления электродинамического или реостатного торможения; высокая долговечность и надежность;
• достаточная свобода в размещении силового и вспомогательного оборудования при конструировании локомотива.
К числу недостатков электрической передачи постоянного тока можно отнести:
• более высокую стоимость передачи по сравнению с механической и гидравлической, что особенно заметно при малых мощностях;
• значительный расход цветных металлов, высококачественной стали и изоляционных материалов на изготовление;
• многократные настроечные (реостатные) испытания в процессе эксплуатации;
• снижение надежности и к.п.д. передачи в целом от ухудшения климатических условий эксплуатации;
• достаточно большой вес электрических машин и передачи в целом;
• необходимость тщательного ухода за коллекторно-щеточным узлом электрических машин.
Электрическая передача постоянного тока для тягового подвижного ж.д. состава охватывает диапазон мощностей от 220 до 4400 кВт. Отдельные локомотивы строятся или проектируются на большие мощности. При мощностях более 1470 кВт в агрегате применяется исключительно электрическая передача.
Электрические передачи мощности переменно-постоянного тока. Тенденция к увеличению мощности на единицу веса и габаритов тепловоза привела к тому, что возникла проблема с размещением оборудования в дизельном помещении и моторных тележках, а затем и снижение надежной работы коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока и в первую очередь тягового генератора. Увеличение нагрузок привели к неудовлетворительной работе его щеток и коллектора.
Расчеты и опытные данные показали, что при произведении Рг ном×nд ном > (25¸30)×10 3 не удается обеспечить надежную работу коллекторно-щеточного узла машины постоянного тока. Поэтому переход на передачу постоянно-переменного тока для тепловозов был обусловлен.
С шестидесятых годов начался выпуск тепловозов с синхронным генератором и полупроводниковой выпрямительной установкой. Система регулирования генератора и характеристики на выходе выпрямителя соответствовали передачам постоянно-постоянного тока. На данный момент времени данный тип передачи применен на тепловозах 2ТЭ116, 2ТЭ121, ТЭП70, ТЭМ7 и др.
На тепловозах с передачей мощности переменно-постоянного тока применяются тяговые электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением и ступенчатым ослаблением магнитного потока возбуждения.
В тепловозной передаче мощности переменно-постоянного тока (рисунок 20) применен синхронный трехфазный генератор СГ с возбудителем В и полупроводниковый кремниевый выпрямитель ВУ с интенсивным охлаждением. Синхронные генераторы имеют вес на единицу мощности почти в два раза меньше, чем генераторы постоянного тока при той же мощности и частоте вращения вала дизеля. Имеются реальные возможности для снижения веса и размеров выпрямительных установок.
Рисунок 20. Схема электрической передачи переменно-постоянного тока:
САР – система автоматического регулирования возбуждения тягового генератора; ОВГ – обмотка возбуждения тягового генератора (расположена на роторе); СТГ – синхронный тяговый генератор; ВУ – выпрямительная установка; ТЭД – тяговый электродвигатель; ОВ – обмотка возбуждения тягового электродвигателя; RШ1, RШ2 – сопротивления ослабления магнитного потока тягового двигателя.
Основное преимущество синхронного генератора перед генератором постоянного тока заключается в отсутствии коллектора, что повышает надежность его работы и позволяет существенно повысить окружную скорость на поверхности ротора. Если для генератора постоянного тока окружная скорость якоря не превышает 70 м/с, то для синхронного генератора она допускается 180 м/с и в некоторых случаях до 200 м/с.
Расчет и построение тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей аналогичен подобному расчету для э.п.с. с той лишь разницей, что напряжение тяговых двигателей изменяется согласно гиперболической характеристике тягового генератора.
На рисунке 21 приведены характеристики тепловоза 3ТЭ10М с электрической передачей постоянного тока, а на рисунке 22 тепловоза 2ТЭ116 с передачей переменно-постоянного тока.
Рисунок 21. Тяговая характеристика тепловоза 3ТЭ10М.
Рисунок 22. Тяговая характеристика тепловоза 2ТЭ116.
Дальнейшее развитие электрической передачи мощности локомотива – это применение передачи мощности переменно-переменного тока – переход на тяговые асинхронные электродвигатели, как тепловозов, так и электровозов.
Основными видами бесколлекторных электродвигателей являются асинхронный, синхронный и вентильный двигатели. Короткозамкнутый асинхронный тяговый электродвигатель прост по конструкции и имеет наименьшие габариты и массу. При одинаковом вращающем моменте и мощности масса асинхронного электродвигателя на 25—30% меньше, чем электродвигателя постоянного тока.
Электрическая передача переменного тока маневрового тепловоза ТЭМ21, построенного на Брянском машиностроительном заводе, состоит из синхронного генератора переменного тока ГСТ1050-1000, двух статических преобразователей частоты (выпрямитель и инвертор) и четырех асинхронных тяговых двигателей ДАТ-350. Схема передачи приведена на рисунке 23. Синхронный генератор имеет три трехфазные обмотки (две тяговые и третья для питания электроприводов вспомогательных машин) с помощью полужесткой муфты соединен с коленчатым валом дизеля мощностью 1100кВт. Каждый из статических преобразователей частоты состоит из управляемого выпрямителя и автономного инвертора тока и предназначен для регулирования частоты и амплитуды питающего напряжения асинхронных тяговых двигателей. Асинхронные тяговые двигатели попарно подключены к статическим преобразователям. Реверсирование двигателей осуществляется путем изменения последовательности чередования фаз питающего тока.
Рисунок 23. Принципиальная схема электрической передачи переменного тока тепловоза ТЭМ21: СГ – синхронный тяговый генератор; УВУ – управляемая выпрямительная установка; АИТ – автономный инвертор тока; БЗТ – блок запирающих (тормозных) тиристоров; В-ТПЕ – управляемый вентиль цепи возбуждения СГ; RТ – сопротивление тормозных резисторов; АТД – асинхронный тяговый электродвигатель.
Дата добавления: 2017-11-21 ; просмотров: 2120 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
