Техн ЕМБ / Лек ТЕД

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

в) виконуючи кільцеву обмотку Грамма (рис. 6.30).

Двошарова обмотка із заповненими наполовину крайовими пазами досить часто забезпечує ЛАД прийнятні характеристики.

Рисунок 6.30 – Кільцева обмотка Грамма

6.7.4 Нормальні сили

Сили взаємодії між первинною та вторинною частиною ЛАД, які діють вздовж осі ординат ОУ (рис. 6.31), називаються нормальними.

1 – вторинна частина (реактивна шина); 2 – первинна частина

Рисунок 6.31 – Двобічна первинна частина

звертикальною вторинною частиною

ВЛАД існують два види нормальних сил. Перша – це сила притягання, яка виникає між двома сталевими поверхнями осердя первинної частини та магнітопроводу вторинної частини однобічного ЛАД. Друга – це сила відштовхування, яка обумовлена взаємодією струмів первинної та вторинної частини.

Удвобічному ЛАД (рис. 6.31) між двома первинними частинами існує сила притягання, яка не залежить від положення вторинної частини. Нормальні відштовхуючі сили наведені на рис. 6.32.

211

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

а– збалансована сила відштовхування на вторинній частині;

б– відновлювальна сила відштовхування

Рисунок 6.32

Ця сила викликається взаємодією струмів І1 та І2. При цьому, якщо вторинна частина зміщується зі свого середнього положення, то виникають сили, які намагаються повернути її у первісне положення (стабілізуюча нормальна сила).

1 – сила відштовхування; 2 – колесо на рейці; 3 – зворотне залізо; 4 – алюмінієва пластина

Рисунок 6.33 – Однобічний ЛАД з шихтованим зворотним залізом

В однобічному ЛАД є такі ж нормальні сили, як і в двобічному ЛАД, тільки сили відштовхування не врівноважуються (рис. 6.33) та діють у напрямі, протилежному до сили притягання.

Сила притягання діє на раму вторинної частини. Якщо магнітопровід однобічного ЛАД не шихтований, то з’являється сила відштовхування між магніпроводами первинної та вторинної частини внаслідок вихрових струмів, наведених в масивному магнітопроводі.

212

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Лекція 7 СИСТЕМИ ВИСОКОШВИДКІСНОГО

НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТУ

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

Проблеми створення. Характеристики систем підвішування, тяги й гальмування. Визначення сили тяги потяга. Надпровідні магніти екіпажу.

Лекції –4 години Самостійна робота –8 годин

Рекомендована література: [2].

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

2 Розенфельд, В.Е. Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. – М. : Транспорт, 1983. – 328 с.

7.1 Проблеми створення високошвидкісного наземного транспорту

Чому потяги, які використовують механічний контакт колеса з рейкою, не можуть бути високошвидкісними?

Транспортні засоби, які рухаються зі швидкостями 300, 400 км/год й більше, вважають високошвидкісними. Щоб реалізувати такі швидкості руху, необхідні значно більші, ніж у електрорухомого складу існуючих типів, потужності й сили тяги для подолання різко зростаючого опору рухові.

При русі з дозвуковими швидкостями опорами тертя котіння можливо знехтувати й вважати питомий опір рухові на рівні землі питомим опором повітряного середовища:

Тоді при повному використанні сили зчеплення коліс з рейками й русі з усталеною швидкістю питома сила опору рухові:

wп fзч ,

де f зч – питома сила зчеплення.

Таким чином, для реалізації високих швидкостей необхідна питома потужність (Вт/т):

213

Реалізувати такі великі потужності при традиційних видах тяги на залізницях не можливо. Тому виникла проблема створення нових видів тяги, які б виключали контакт колеса з рейкою.

Які труднощі виникають при створенні високошвидкісного наземного транспорту на принципі левітації екіпажу?

Основні труднощі становлять вибір найбільш надійного, економічного та безпечного у русі виду тяги. Визначаючими при цьому є дві обставини: проблема «підвішування» (левітації – ширяння) екіпажу, та як буде вирішена проблема створення сили тяги й керування нею.

Один з можливих напрямків вирішення цієї проблеми – створення екіпажів на повітряній подушці з використанням лінійного двигуна (Франція, Англія, США). Але випробування таких екіпажів показали, що вони мають мале відношення підйомної сили, яка забезпечує їхнє підвішування, до лобового опору рухові; малий коефіцієнт корисного навантаження; вентилятори створюють великий шум; технічно трудно вирішується проблема відбору потужностей від силової установки. Тому потяги на повітряній подушці не є перспективними для ВШНТ.

Як класифікуються системи високошвидкісного транспорту? Найбільш перспективні ВШНТ – потяги з магнітним підвішу-

ванням та лінійним двигуном для тяги. Відома велика кількість пропозицій. Основні з них, які використовують електроенергію, наведено на рис. 7.1.

Які системи підвішування потяга застосовуються на теперішній час? Інші типи ВШНТ (реактивні трубопровідні, реактивні наземні і т. д.) у подальшому не розглядаються. В системах ВШНТ застосову-

ють три варіанта підвішування: на постійних магнітах, електромагнітах та електродинамічне.

Підвішування з використанням постійних магнітів працює на ві-

дштовхуванні однойменних полюсів магнітів, один з котрих розташований на шляху, а інший – на екіпажі.

Електромагнітне підвішування може бути виконане з викорис-

танням як відштовхування (рис. 7.2), так і притягання електромагнітної системи, розташованої на екіпажі, до сталевого шляхового полотна.

214

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Рисунок 7.1 – Системи ВШНТ

а– підвішування екіпажу на принципі відштовхування;

б– електродинамічне підвішування; 1 – екіпаж; 2 – контур зі струмом на екіпажі; 3 – шляхове полотно; 4 – контур зі струмом на шляху

Рисунок 7.2 – Системи підвішування екіпажу

Підвішування на принципі, притягання є не стійким, оскільки зі збільшенням відстані між електромагнітними контурами екіпажа й шляху сила притягання зменшується обернено пропорційно квадрату цієї відстані. В таких конструкціях для забезпечення стійкості перед-

215

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

бачають автоматичне регулювання висоти підвісу за допомогою зворотного зв’язку в вертикальній та горизонтальній площинах.

При електромагнітному підвішуванні використана протидія відштовхуючих сил, які створюються зустрічними струмами двох контурів, тобто – принцип відштовхування.

Один з контурів розташований на екіпажі, а інший є секцією шляхового полотна, яка знаходиться в цей момент під рухомим екіпажем. Під дією струму, який циркулює в контурі рухомого екіпажу, в секції шляхового полотна індукується струм, при взаємодії котрого з магнітним полем контуру екіпажа створюється відштовхуюча сила, яка забезпечує підйом екіпажу над шляховим полотном. В горизонтальних шляхових контурах виникає струм, який створює підйомну силу кожного разу, коли над ними проходить контур екіпажу. Вертикальні шляхові контури створюють відновлюючу силу при горизонтальних відхиленнях екіпажу від осі шляху. Система електродинамічного підвішування стійка у вертикальному й горизонтальному напрямах. Чим більша швидкість руху, тим більший індукований струм в шляховому контурі й підйомна сила, яка пропорційна добуткові обох струмів. Але при малих швидкостях руху, коли ці струми малі, мала й підйомна сила: вона виявляється недостатньою для підйому екіпажу. Суттєвим недоліком такої системи підвішування є необхідність розгону екіпажу традиційними засобами до досягнення ним швидкостей відриву від шляху (від 60 до 30 км/год.).

Чому виникає магнітна сила опору рухові потяга? Що таке коефіцієнт якості та повний коефіцієнт якості підвішування?

Одночасно з підйомною силою виникає магнітна сила опору ру-

хові, обумовлена вихровими струмами. В існуючих проектах ВШНТ ця сила в діапазоні швидкостей 0 < v < 20 км/год. зростає пропорційно швидкості, після чого зменшується обернено пропорційно їй. Відношення магнітної підйомної сили до магнітної сили опору рухові нази-

вають коефіцієнтом якості підвішування, а відношення магнітної під-

йомної сили до суми сил магнітного і аеродинамічного опору рухові – повним коефіцієнтом якості підвішування. В існуючих проектах та моделях ВШНТ повний коефіцієнт якості підвішування досягає 20 – 40. Він є одним з найбільш важливих параметрів системи: чим більше його значення, тим досконаліша система й кращі її техніко-економічні показники.

216

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Як створюється електродинамічне підвішування потяга? Навіщо та як застосовують надпровідні електромагніти?

Для створення в системі електродинамічного підвішування по можливості більшої підйомної сили необхідні в контурі екіпажу великі струми – до сотень кілоампер. На сучасному рівні техніки такі струми не можливо одержати без використання явища надпровідності, тобто кріостатів – пристроїв, які дозволяють встановити низькі температури (4 – 15 К) і так зване «заморожене» магнітне поле, яке не потребує постійного живлення у зв’язку з відсутністю втрат у надпровідниках. «Заморожене» магнітне поле одержують, короткозамикаючи обмотку збудження надпровідного магніту. Такий магніт за своїми властивостями подібний до постійного магніту. При цьому можна відмовитись від активної сталі в магнітному ланцюзі надпровідного магніту екіпажу та одержати надвисокі значення МРС, не обмежені магнітним насиченням сталі. Для цього на екіпажі виконують контури з надпровідними магнітами, а на шляху розміщають звичайні пасивні контури. Обернений варіант, тобто пасивні контури на екіпажі та надпровідні на шляховому полотні, значно дорожчий у зв’язку з низьким використанням та складністю будови полотна.

Регулювання висоти підйому екіпажу при електродинамічному підвішуванні здійснюється впливом на струм надпровідних магнітів.

Наведіть конструктивну схему та поясніть принцип дії магнітного підвішування з нульовим потоком.

Існує варіант магнітного підвішування з так званим «нульовим» потоком, тобто результуючий магнітний потік в будь-якій секції шляхового полотна дорівнює нулеві (рис. 7.3). Якщо в такій системі екіпаж зміститься під впливом якоїсь зовнішньої причини (наприклад, сильного вітру) від положення симетрії, то виникне не зкомпенсований магнітний потік і, отже, струм, взаємодія котрих викличе появу магнітної сили, яка повертає екіпаж у нейтральне положення. Недоліком цієї системи є складність будови магнітної системи екіпажу.

Які особливості та проблеми застосування лінійного асинхронного двигуна для високошвидкісного наземного транспорту?

В перших проектах ВШНТ як тяговий був застосований лінійний асинхронний двигун (ЛАД). Оскільки в ЛАД сталевий магнітний ланцюг розімкнений, то магнітне поле стає неоднорідним, виникають пульсуючі крайові поля, тобто виникає крайовий ефект.

217

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Тому погіршуються ККД та cos ЛАД. Регулювання швидкості

можливе за тим же принципом, що й для звичайних асинхронних двигунів. При цьому складно визначити абсолютне ковзання ЛАД. Тому як критерій можливо використати, наприклад, мінімум сили магнітного опору рухові екіпажу або її вертикальної складової.

Однією з перспективних є система ВШНТ, в котрій використовуються асинхронні двигуни з накопичувачами енергії в ланцюзі ротора (В.С. Кулєбакін, 1938 р.). Електромагнітні характеристики такої системи принципово відрізняються від характеристик звичайного асинхронного двигуна. В залежності від ємності в ланцюзі ротора їх можна зробити потрібної форми.

1 – пасажирський салон вагона; 2 – система глибокого охолодження; 3 – верхній магніт електродинамічної системи підвішування;

4 – алюмінієвий контур «нульового» магнітного потоку системи підвішування; 5 – нижній надпровідний магніт системи підвішування; 6 – шляхова основа; 7 – надпровідний магніт лінійного

синхронного двигуна; 8 – котушка пасивного шляхового контуру

Рисунок 7.3 – Підвішування з нульовим потоком

В системі ЛАД відносно просто може здійснюватись режим рекуперації. Отримувана при цьому економія електроенергії зростає на великих швидкостях руху. Але при високих швидкостях руху внаслідок малого зазору між обмоткою статора, розташованою на екіпажі, та шляховою шиною (ротором) виникають серйозні труднощі у використанні ЛАД. Якщо збільшити зазор, різко зменшується ККД й cos

218

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

такої системи. З іншого боку, необхідний достатній за умовами безпечного руху в кривих та при коливаннях екіпажу зазор.

Які переваги має лінійний синхронний двигун перед лінійним асинхронним при застосуванні на залізничному транспорті? Яка будова синхронного лінійного двигуна?

Цих недоліків не має лінійний синхронний двигун (ЛСД). В такій системі використовується кріогенний електромагнітний підвіс з потужним надпровідним електромагнітом на екіпажі та пасивними шляховими контурами.

Сила тяги виникає при взаємодії магнітного поля надпровідного магніту екіпажа з трифазною тяговою обмоткою, розташованою вздовж шляху, яка живиться від тягової підстанції.

Тягова обмотка розділена на ланки по 5 – 10 км, кожна з яких отримує живлення тільки в момент знаходження на ній екіпажу, що суттєво підвищує ККД системи. Тягову обмотку виконують з тим же кроком, що й контури надпровідних магнітів екіпажу. Завдяки цьому екіпаж рухається в фазі з рухомою МРС тягової обмотки, що дає можливість синхронізації руху потягів. За допомогою синхронізму найпростіше вирішується проблема автоматизації руху потягів, забезпечення безпеки.

В системі ЛСД крайовий ефект дуже малий. Оскільки подовжні розміри провідників контуру надпровідних магнітів та секції шляхового контуру великі у порівнянні з їхніми поперечними перерізами, при визначенні взаємодії цих контурів нехтують крайовим ефектом. Розгорнута тягова обмотка ЛСД, укладена вздовж шляху, яку можна уявити як нескінченну, також не викликає виникнення крайового ефекту. Важлива перевага ЛСД – можливість використання надпровідних магнітів екіпажу як для системи підвішування, так і для створення сили тяги.

Складною проблемою ВШНТ з ЛАД є підведення електричної енергії до потяга, який рухається з великою швидкістю. Розміщувати на рухомому складі автономну енергетичну установку недоцільно. В цьому разі мова може йти лише про використання газових турбін, але й тут виникає низка складних конструктивних проблем. Тому при розробці систем ВШНТ необхідно вирішити питання про передачу енергії між поверхнями, які рухаються одна відносно одної з дуже високими швидкостями, не допускаючи відриву контактних поверхонь. Для цього потрібно застосовувати, або тридротову контактну мережу,

219

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

або трифазну систему контактних рейок, які дозволяють передавати велику потужність. Безконтактна передача енергії дискусійна. Плазмова або електродугова передача не забезпечує тривалого часу існування «шнура» плазми, й тому не може бути використана в системі ВШНТ. Крім того, це породжує надзвичайний шум і пов’язано з швидким зносом контактних поверхонь.

Система ВШНТ з ЛСД й надпровідними магнітами на екіпажі знімає ці проблеми: електропостачання тягової обмотки на шляховому полотні можливо здійснити традиційними методами – від перетворювальних тягових підстанцій.

7.2 Характеристики систем підвішування, тяги й гальмування ВШНТ

Які системи координат застосовуються при аналізі сил в системі підвішування? Який зв’язок між однойменними координатами цих систем?

Як уже говорилось, перспективною є система ЛСД. Надпровідні магніти, які живляться постійним струмом, створюють сильне магнітне поле, яке наводить великі струми в шляхових контурах. ККД в таких системах може досягати 60 – 80 % при зазорі між площинами надпровідних магнітів та шляховим контуром 20 – 30 см.

Якщо магнітне поле надпровідного магніту досить сильне, можливо мати повітряний зазор на порядок більший, ніж в системах з ЛАД, і сумістити системи підвішування екіпажу та його тяги.

Для аналізу сил в системі підвішування виберемо дві системи координат:

–нерухому на шляху (хш, yш,zш),

–рухому, жорстко зв’язану з екіпажем (x,y,z) [25, 26].

При t = 0 (рис.7.4) початки відліку в обох системах співпадають. Взаємний зв’язок однойменних координат обох систем можливо

виразити рівняннями.

де v –швидкість руху екіпажу;

h – повітряний зазор між центральною площиною надпровідного магніту екіпажу й площиною шляху.

220