Техн ЕМБ / Лек ТЕД

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

В. Д. ФЛОРА

ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВИГУНИ

ПЕРЕДМОВА

Книга є результатом роботи автора в галузі спеціальних електричних машин з 1971 р. Від того часу й до теперішнього автор читав лекції з курсів «Тягові електричні машини», «Основи електричної тяги», «Спеціальні електричні машини».

Автор вважає своїм приємним обов’язком висловити глибоку вдячність рецензентам книги д. т. н., професорові Шкрабцю Ф. П., д. т. н., професорові Дубенцю Л. В. та д. т. н., професорові Качану Ю. Г. за нелегку працю по рецензуванню книги й корисні зауваження.

Автор вдячний всім працівникам кафедри “Електричні машини” ЗНТУ та студентам, які допомогли в оформленні рукопису книги.

ВЧИТИСЯ!

ВЧИТИСЯ!

ВЧИТИСЯ!

☻- синім кольором – план лекції

☻- червоним кольором – література

☻- фіолетовим кольором – питання для самоперевірки

1

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

ВСТУП

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

Визначення, різновиди й галузі застосування тягових електричних машин. Стан та перспективи розвитку цих машин.

Лекції – 2 години Самостійна робота – 2 години

Рекомендована література: [1]

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1Захарченко Д. Д., Ротанов Н. А. Тяговые Электрические машины: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. – М.: Транспорт. – 1991. –

343 с.

2Иоффе А. Б. Тяговые электрические машины. Теория, конструкция, проектирование. – М. – Л.: Энергия. – 1965. – 232 с.

3Алексеев А. Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. – Л.: Энергия. – 1967. – 432 с.

4Тягові електричні машини електрорухомого складу: Навчальний посібник /В. М. Безрученко, В. К. Варченко, В. В. Чумак. – Д.: Вид-во Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна,

2003. – 252 с.

5Дзензерский В. А., Омельяненко В. И., Васильев С. В., Матин В. И., Сергеев С. А. Высокоскоростной магнитный транспорт с электродинамической левитацией / Под общей ред. д. т. н., проф. В. А Дзензерского; проф. В. И. Омельяненко. – К.: Наукова думка. – 2001.

–480 с.

Тягові електричні машини – це велика група електричних машин, які застосовуються в міському електротранспорті (трамваї, тролейбуси, метро), залізничному (електровози, електропотяги, тепловози, дизель-потяги, шахтні та кар’єрні електровози), підлоговому (електрокари, електронавантажувачі, електроштабелери, електровізки, електротягачі та ін.), електромобілях, електролітаках, мотор-колесах великих вантажних автомобілів, підводних човнах, торпедах і т. д.

Конструкції та теорія тягових двигунів, які застосовуються на залізничному транспорті розглянуті в багатьох літературних джерелах

2

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

[1–5]. На залізничному транспорті найбільше розповсюдження в

електрорухомому складі має індивідуальний привод, коли кожен двигун обертає одну колісну пару. В такому приводі потужність тягового двигуна знаходиться в межах:

для електровозів – 900÷1200 кВт; для електропотягів – 230÷250 кВт; для тепловозів – 300÷350 кВт.

Іноді застосовують груповий привод, коли кожен тяговий двигун обертає дві – три колісні пари. При цьому дещо зменшується маса двигуна, яка припадає на одну колісну пару, але ускладнюється конструкція тягової передачі та зростає обсяг її ремонту.

Електровози живляться від контактної мережі постійного струму з номінальною напругою 3000В, яка може коливатись в межах 3000÷4000В або змінного струму з номінальною напругою 25

кВ, яка може коливатись в межах 19÷29 кВ.

Тролейбуси й трамваї також живляться від контактної ме-

режі постійного або змінного струму з напругою у кілька сотень вольт (звичайно – 500÷700В).

На залізничному транспорті при швидкостях руху більших,

ніж 300÷350 км/г сильно зменшується коефіцієнт зчеплення коліс з рейками, Тому для високошвидкісного наземного транспорту

(ВШНТ) застосовують тільки лінійні, не обертові тягові двигуни з електромагнітним підвішуванням потяга, тобто без використання зчеплення коліс з рейками.

На підлоговому транспорті застосовуються акумуляторні батареї, які живлять тягові двигуни напругою 12÷125В постійного струму.

Завдяки тяговим двигунам використовується електричне гальмування: рекуперативне та реостатне (динамічне). У зв’язку з важкими умовами роботи та жорсткими габаритними обмеженнями тягові двигуни вважаються машинами граничного використання.

Більшість тягових двигунів – це машини колекторного типу постійного та пульсуючого струму. Починаючи з 60-х років ХХ ст.

застосовуються безколекторні тягові двигуни асинхронні та вентильні (синхронні з напівпровідниковим керуванням).

3

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Питання, що виносяться на перший модульний контроль

1Де застосовуються тягові двигуни?

2Які різновиди привода на електрорухомому складі? Які особливості цих різновидів?

3Які джерела живлення застосовуються на електрорухомому складі? З якими напругами?

4Які різновиди електричного гальмування застосовуються на електрорухомому складі?

5Чому тягові двигуни вважаються машинами граничного використання?

6Які різновиди тягових двигунів використовуються на теперішній час?

4

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Лекція 1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ВЛАСТИВОСТІ КОЛЕКТОРНИХ ТЯГОВИХ ДВИГУНІВ

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

Номінальні та граничні параметри. Магнітні характеристики. ККД та втрати потужності. Робочі характеристики. Принципи регулювання режимів роботи. Регулювальні та експлуатаційні властивості тягових двигунів. Характеристики в режимі електричного гальмування.

Лекції –4 години Самостійна робота – 4 години

Рекомендована література: [1], [9].

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1 Захарченко Д. Д., Ротанов Н. А. Тяговые Электрические машины: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. – М.: Транспорт. – 1991. –

343 с.

9 Тягові електричні машини електрорухомого складу: Навчальний посібник /В. М. Безрученко, В. К. Варченко, В. В. Чумак. – Д.: Вид-во Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна,

2003. – 252 с.

1.1 Особливості роботи тягових двигунів та вимоги до них

Працездатність та експлуатаційні якості тягових двигунів визначаються відповідністю їх параметрів та конструкції умовам експлуатації. Окремі показники умов експлуатації мають параметричний, детермінований характер, інші залежать від випадкових значень збурюючих факторів та нестабільностей.

Які динамічні сили діють на тягові двигуни? Які причини виникнення цих сил? Як ці сили залежать від різновиду підвішування двигуна? На що впливають ці сили?

На роботу тягових двигунів впливають внутрішні та зовнішні динамічні сили.

Внутрішні динамічні сили, які діють на окремі частини тягового двигуна, визначаються в основному технологічними та експлуатаційними відхиленнями від розрахункових конструктивних показників:

5

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

викривленнями робочої поверхні колектора, незбалансованістю якоря, несправністю тягової передачі та деталей підвішування двигуна.

Найбільш значні зовнішні динамічні сили виявляються при взаємодії між ходовими частинами електрорухомого складу та рейками під час руху потяга.

Рівень цих імпульсних сил Pд звичайно оцінюють можливим значенням динамічного прискорення aд:

Pд maд Gaд* ,

де m, G – маса та вага частини, на яку діє динамічне прискорен-

ня;

aд* agд ,

g – прискорення вільного падіння.

За експериментальними даними для тягового двигуна при опорно-осьовому підвішуванні (з одного боку – опора на вісь колісної пари через моторно-осьові підшипники, а з іншого – еластичне підвішування до рами візка), схема якого наведена на рис. 1.1,

aд* =10÷15, а при підвищених швидкостях руху aд* =20÷25.

При рамному підвішуванні (тяговий двигун повністю підресорний) aд* =3÷5, а для машин, розташованих у кузові, aд* =1÷1,5. Для

частин якоря найбільші прискорення

aдя* ад* ,

де - передаточне відношення тягової передачі.

Динамічні прискорення впливають як на міцність окремих частин машини, так і на процес струмознімання.

Які домішки та чому є у вентиляційному повітрі тягового двигуна? На що це впливає?

Тягові двигуни розташовуються в безпосередній близькості від колії, тому необхідно передбачати заходи, які перешкоджають проникненню забруднень, що заносяться повітряним потоком під час руху потяга. Для охолодження тягового двигуна необхідні витрати по-

вітря 100÷150 м3/хв. В повітрі, яке входить у вентиляційну систему двигуна, вміщується пил, металічні частки, які утворюються від тертя гальмівних колодок. Концентрація пилу досягає 14÷30

6

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

мг/м3. При завірюхах у повітрі, яке надходить до двигунів, може вміщуватись до 20÷25 г/м3 снігу.

Сильне забруднення провідними частками викликає збільшений знос щіток та колектора, оскільки у тягових двигунах доводиться підвищувати натиснення щіток. Забруднення погіршує стан всіх ізоляційних частин двигуна та умови його охолодження. Запилювання внутрішніх вентиляційних каналів може знизити розсіювання теплоти з їх поверхонь майже в 3 рази.

1 – вісь колісної пари; 2 – моторно-осьовий підшипник; 3 – тяговий двигун; 4 – пружний елемент; 5 – рама візка

Рисунок 1.1 – Опорно-осьове підвішування тягового двигуна

Чи стабільне навантаження тягового двигуна? На що це впли-

ває?

Внаслідок змінення режимів роботи тягового двигуна струм якоря змінюється у межах від (0,25 2)Iном. Максимальне значення струму

де КП – коефіцієнт перевантаження.

7

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Звичайно КП = 1,4÷2. Коливання струмів призводить до ще більших коливань електричних втрат потужності Pe від

Pe min 0.0625Iном2 r

до

Pe max (1.96 4)Iном2 r ,

де r – опір ланцюга якоря.

Це викликає значні змінення температури нагріву ізоляції, що знижує її довговічність.

Які перехідні процеси виникають у тягових двигунах? Що на них впливає?

При роботі тягових двигунів виникають перехідні процеси, на хід яких суттєво впливають накопичувачі енергії (кінетичної Ак та електромагнітної Аі), які входять в систему:

де m, – маси елементів системи та їх швидкості;

L, I – індуктивності елементів та струми в їхніх ланцюгах. Вплив накопичувачів енергії на перехідні процеси тим більший,

чим більші значення m, L та d /dt й dI/dt. Так при короткому замкненні в режимі тяги dI/dt 104÷105А/с, а в режимі рекуперації dI/dt 106А/с. При цьому виникають індуктивні ЕРС, які викликають ко-

мутаційні перенапруги

де Uкном – номінальна напруга тягового двигуна.

Чому в тягових двигунах є розходження характеристик? На що це впливає?

Досить часто виникають такі нестаціонарні процеси, як відновлення напруги, буксування та інші, які потребують більших конструктивних запасів.

При виготовленні та експлуатації тягових двигунів виникають розходження характеристик, особливо при глибоких ослабленнях збудження. ГОСТ 2582-81 допускає значні розходження швидкісних характеристик. Розходження характеристик збільшуються у зв’язку з різними діаметрами коліс.

8

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Якщо характеристики двигунів не однакові, виникає нерівномірний струморозподіл, тобто – різниця струмів двигунів, що призводить до різних втрат потужності в двигунах та різних температур (іноді підвищених) нагріву їхніх обмоток, що знижує довговічність ізоляції.

Які ще зовнішні фактори впливають на роботу тягових двигунів? Які вимоги ставляться до тягових двигунів?

Крім розглянутих факторів, на роботу тягових двигунів впливають нестабільність навколишніх температур та напруг, нерівномірність розподілу охолоджуючого повітря і т. д.

Ставляться підвищені вимоги до надійності тягових двигунів, до їх конструкції.

Тягові двигуни повинні бути ремонтопридатними, мати високий ККД. З іншого боку – вони повинні мати малі питомі витрати матеріалів (міді, ізоляції, сталі):

де mi – маса і-го матеріалу на один тяговий двигун.

В решті решт питомі втрати матеріалів визначаються технікоекономічними розрахунками.

1.2. Номінальні й граничні параметри тягових двигунів

Які номінальні режими роботи встановлені для тягових двигунів? Дати визначення та пояснити, якими величинами ці номінальні режими характеризуються.

Не дивлячись на те, що тягові двигуни працюють у змінних режимах, для їх розрахунку встановлюються регламентовані номінальні режими. Їм відповідають номінальні потужність, напруга, струм, частота обертання, обертаючий момент і т. д. Для тягових двигунів пе-

редбачено два номінальні режими: тривалий та годинний.

Тривалий режим роботи тягового двигуна – це режим, при якому не викликається перевищення гранично допустимих температур необмежено тривалий час при найбільшому струмі якоря, номінальних напрузі та вентиляції.

9

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

При випробуваннях зі струмом тривалого режиму сталі температури частин машини практично досягаються через 4-6 годин після початку випробування.

Годинний режим – при якому не виникає перевищення гранично допустимої температури з початку роботи в практично холодному стані, на протязі однієї години з найбільшим струмом якоря, номінальною напругою, збудженням та вентиляцією, відповідним цьому режимові.

Параметри двигуна в тривалому режиму позначаємо індек-

сами « » , а в годинному – «г»: I , I Г ; P , PГ ; n , nГ ;, Г і т. д.

Номінальні параметри тягового двигуна надаються в паспортній табличці, технічному паспорті та інших технічних документах. Розра-

хунковим для тягових двигунів електровозів є тривалий режим, а для тягових двигунів електропотягів – годинний.

Як визначається номінальна напруга тягових двигунів постійного та пульсуючого струмів? Що визначають напруги номінальна та мережі?

На електрорухомому складі постійного струму двигуни вмикають послідовно на напругу струмоприймача, тобто контактної мережі Uм. Номінальна напруга в нашій країні Uмном = 3 кВ. Номі-

нальна напруга на затискачах двигунах

де nдmin – мінімальне число тягових двигунів, з’єднаних послідовно (звичайно 2 або 4).

Напруга Uмном визначає клас ізоляції струмоведучих частин від корпусу тягового двигуна, а напруга на затискачах двигуна Uкном – параметри його електромагнітної системи. Для тягових дви-

гунів, які живляться через перетворювач на електрорухомому складі змінного струму, Uкном визначається з техніко-економічних міркувань незалежно від значення Uмном.

Напруга Uм нестабільна. Її граничне найбільше значення регламентується «Правилами технічної експлуатації залізниць». Для тяго-

вих двигунів електрорухомого складу постійного струму Uмmax =4000 В та Uкmax =2000 В. Для електрорухомого складу змінного струму Uкmax = (1,35÷1,45) Uкном .

10