Тяговые электрические машины электроподвижного состава

Эту группу машин составляют электрические машины в специальном, тяговом исполнении, устанавливаемые на электроподвижном составе и служащие для приведения во вращение колесных пар (тяговые электродвигатели), для выработки электроэнергии (тяговые генераторы) или привода вспомогательных механизмов {вспомогательные электрические машины — электродвигатели,генераторы, возбудители, расщепители фаз, преобразователи). Иногда к тяговым машинам относят также тяговые трансформаторы, устанавливаемые на ЭПС для понижения напряжения контактной сети до необходимых значений. Электрические машины применяют на магистральном и пригородном, городском, промышленном и рудничном ЭПС.

Тяговые электродвигатели (ТЭД) классифицируются по назначению, конструктивному исполнению, по приводу на ось, способу питания электроэнергией и роду тока, режиму работы, способу охлаждения, степени защиты, климатическому исполнению. Отличие ТЭД от общепромышленных заключается в предельной интенсивности использования электротехнических материалов. Эти требования вызваны работой двигателей в ограниченных габаритах, при низких весовых показателях и высокой переменной механической и электрической нагрузке на конструкции, в условиях повышенного попадания вовнутрь пыли и влаги (в том числе с образованием инея и при низких температурах), а также длительным сроком службы. На условия эксплуатации ТЭД на ж.-д. транспорте РФ разработаны ГОСТ 2582-81 и ГОСТ 15150-69, по которым допускаются одиночные удары с ускорением до 280 м/с2 при опорно-осевом подвешивании двигателя, работа при температуре окружающего воздуха от минус 50 "С (иногда от минус 60 °С) до плюс 40 °С. При работе в зоне умеренного или умеренно-холодного климата регламентирована относительная влажность воздуха - 80%, среднегодовая абсолютная влажность -11 г-м2; допустима эксплуатация на высоте 1200 м - иногда до 1400 м от уровня моря; срок службы 25-30 лет. Резкое изменение механической нагрузки, температуры и влажности провоцирует образование трещин в конструкциях, изоляционных материалах, антикоррозионном покрытии.

ТЭД может, преобразуя электрическую энергию в механическую, приводить во вращение одну ось - индивидуальный привод, несколько осей - групповой привод. ТЭД может работать в режиме реверсирования (изменять направление вращения), а также работать в режиме генератора (при электрическом торможении). По конструктивному исполнению различают коллекторные тяговые электродвигатели и бесколлекторные тяговые электродвигатели. В качестве ТЭД на специальном высокоскоростном электроподвижном составе используются линейные электродвигатели.

Питание ТЭД осуществляется от контактной сети (ЭПС) и от находящегося на подвижном составе источника энергии (электромашинного генератора, аккумулятора). По роду тока различают ТЭД коллекторные постоянного тока (пульсация тока до 10%), коллекторные пульсирующего тока с питанием от однофазного выпрямителя, и бесколлекторные переменного тока асинхронные (однофазные, многофазные) и синхронные (вентильные) с преобразованием однофазного тока в многофазный (обычно в трехфазный). Выпрямители и преобразователи размещены на подвижном составе, что позволяет регулировать напряжение на ТЭД. При питании током постоянного напряжения от контактной сети регулировка напряжения на ТЭД до 1970-х гг. осуществлялась переключением двигателей на последовательное или параллельное соединение и включением в цепь пусковых резисторов. С нач. 70-х гг. на электровозах ВЛ80Р и в дальнейшем осуществляется обычно бесступенчатая плавная регулировка напряжения расположенными на ЭПС полупроводниковыми управляемыми выпрямителями или преобразователями.

Охлаждение ТЭД производится обычно воздухом с независимой вентиляцией. На магистральных электровозах большой мощности применяется самовентиляция (на электропоездах и в вагонах метро), иногда естественное охлаждение либо жидкостное охлаждение, в т. ч. при сверхнизких температурах (опытные разработки линейных двигателей для высокоскоростного транспорта).

Режимы работы ТЭД - продолжительный и кратковременный. Продолжительный режим - работа в течение неограниченного времени при номинальном напряжении с наибольшей силой тока, при которой температура обмоток достигает предельно допустимой. Для ТЭД, используемых при электрическом торможении, номинальные продолжительные режимы устанавливают при наименьшем и наибольшем допускаемых напряжениях, при номинальной мощности и частоте вращения. Номинальные кратковременные режимы устанавливают при длительности рабочих периодов 15, 30, 40, 60 и 90 мин.

Наибольшее распространение на ЭПС ж. д. России и зарубежных стран получили коллекторные ТЭД постоянного и пульсирующего тока; первые - на электрифицированных линиях с постоянным напряжением, вторые — на линиях с переменным напряжением промышленной частоты. Однофазные коллекторные ТЭД переменного тока используются реже (в СССР такие ТЭД для тяги не применяли); их включают непосредственно на вторичную обмотку трансформатора. В ряде стран Западной Европы на старых участках электрифицированных ж. д. тяговые двигатели получают питание переменным током с пониженным напряжением в контактной сети частотой 162/з Гц. В 1950-е гг. на электровозах (Франция) устанавливали однофазные коллекторные ТЭД, работавшие на промышленной частоте 50 Гц. Распространения эти двигатели не получили из-за плохой коммутации, сложности конструкции многощеточного токосъемного узла и сильной пульсации малого вращающего момента, а также из-за большого веса, неспособности работать в режиме торможения. Особенно неперспективными однофазные коллекторные ТЭД стали с появлением ЭПС, на котором применялись полупроводниковые выпрямители. Благодаря созданию полупроводниковых преобразователей, приемлемых по йесовым, габаритным и энергетическим показателям, начиная с 1970-х гг. стали применять асинхронные и синхронные бесколлекторные ТЭД трехфазного тока.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока, работавший от гальванической батареи, впервые применил в 1838 г. рус. электротехник Б. С. Якоби, установив его на судне. ТЭД для тяги на ж. д. демонстрировался в кон. 70-х гг. 19 в. В 80-е гг. ТЭД начали использовать на городском рельсовом транспорте - трамвае, а затем и на ж.-д. подвижном составе. Коллекторные ТЭД для трамваев строили на Рижском электромашиностроительном заводе (РЭЗ), Петроградском заводе «Электросила» и на Московском заводе «Динамо». В 1929 г. на заводе «Динамо» построены тяговые двигатели мощностью 340 кВт на напряжение 1500 В для магистральных электровозов ВЛ19. С конца 40-х гг. производство коллекторных ТЭД для электровозов в основном осуществлялось на Новочеркасском и Тбилисском заводах, для тепловозов - на Харьковском, для моторных вагонов магистральных железных дорог и линий метрополитена - на Рижском и Московском заводах. Пассажирские электровозы для ж. д. России поставлялись также из Чехословакии (все серии ЧС). В начальный период электрификации рос. железных дорог на переменном токе небольшие партии электровозов с коллекторными ТЭД были закуплены во Франции и Германии. С начала 90-х гг. коллекторные ТЭД в России изготовляют на НЭВЗ (для электровозов), заводе «Электросила» и РЭЗ, небольшие партии - на Новосибирском заводе «Сибстанкоэлектропривод» (для моторных вагонов).

Основные части коллекторного ТЭД - неподвижный индуктор и вращающийся якорь (рис. 5.56).

Индуктор, создающий магнитный поток,— это стальной (литой или сварной) массивный корпус с главными и дополнительными полюсами. Якорь, вращаясь в индукторе, преобразует механическую энергию в электрическую (режим генератора). Якорь имеет стальной сердечник с обмоткой, подсоединенной к коллектору. Коллектор, набранный из отдельных пластин, необходим для изменения направления тока (коммутации) в проводнике якорной обмотки, чтобы не менялось направление вращающего момента при перемещении этого проводника под полюс другой полярности. Процесс коммутации может сопровождаться искрением под щетками; расстройство коммутации при определенных условиях приводит к возникновению на коллекторе электрической дуги (круговой огонь), повреждающей коллектор и щетки. Мощность коллекторных ТЭД ограничена условиями коммутации. ТЭД постоянного тока питаются непосредственно от контактной сети напряжением 3000 В с допустимым повышением до 4000 В (за рубежом есть линии на 1500 В), максимальная мощность до 1000 кВт (на грузовых и скоростных пассажирских электровозах). Двигатели соединяют последовательно по два и более для понижения номинального напряжения на коллекторе до 1500 В, реже до 750 В (хуже по эксплуатационным показателям; используется главным образом на моторных вагонах).

Изоляцию обмоток от корпуса рассчитывают на максимальное напряжение в контактной сети.

ТЭД пульсирующего тока питается от однофазного выпрямителя ЭПС; пульсация тока частотой 100 Гц при номинальной нагрузке 20-30%. Номинальное напряжение на коллекторе 750-1000 В, максимальное 1200 В. На электровозах сила тока ТЭД - до 1200 А, мощность - до 1000 кВт, на моторных вагонах - до 400-600 А и 300 кВт. Напряжение ТЭД регулируется переключением обмоток тягового трансформатора или изменением угла открытия тиристоров (при питании от управляемого выпрямителя).

Недостатком любых конструкций коллекторных ТЭД является ненадежный в работе коллекторно-щеточный узел, ограничивающий мощность и частоту вращения (допустимая линейная скорость на поверхности коллектора 50-60 м/с) и требующий регулярного обслуживания при эксплуатации. Основные технические данные ТЭД, применяемых на ЭПС локомотивного парка России и других стран СНГ, приведены в таблице.

Характеристики ТЭД делятся на электромеханические, тепловые и аэродинамические. К электромеханическим характеристикам относят зависимости частоты вращения якоря n, вращающего момента двигателя М и кпд на его валу ηд от силы тока якоря Iа, а также отношения напряжения в обмотках якоря (эдс) к частоте вращения Е/n в зависимости от силы тока возбуждения Iв. Последняя зависимость нелинейна из-за насыщения магнитной цепи машины при большом токе возбуждения (рис. 5.57).

Основные расчетные зависимости для любой электрической машины постоянного тока следующие:

Рэ = Elа= 1,028 Мэ*n; Е=с*Ф8n; U = Е + IаR; η=Р2/Р1,

где Рэ, Мэ — электромагнитная мощность и момент (в воздушном зазоре), Р1 = U*Iа, Р2 = Р1-ΣΔP -мощность на выводах (зажимах) и валу, U - напряжение на выводах машины.

Тепловые характеристики и кривые нагревания и охлаждения обмоток (якоря, компенсационной, главных и дополнительных полюсов) показывают зависимости температур обмоток (либо чаще - превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды) в зависимости от силы тока нагрузки или от времени при различной силе тока. Аэродинамические характеристики определяются зависимостью пропускаемого через двигатель количества воздуха от давления его в коллекторной камере.

Конструкция ТЭД должна исключать возможность случайного соприкосновения обслуживающего персонала с вращающимися частями, обеспечивать удобное техническое обслуживание и ремонт, удовлетворять требованиям пожарной безопасности. Основные показатели надежности ТЭД — вероятность безотказной работы, наработка на отказ, установленный срок службы до списания и т.д.

Бесколлекторный электродвигатель - электродвигатель для привода колесных пар ЭПС (используется также на тепловозе), конструктивно выполненный в виде многофазной (обычно трехфазной) электрической машины переменного тока (синхронной и асинхронной). Эти двигатели не имеют коллектора и частота их вращения лимитируется главным образом работоспособностью подшипников оси ротора.

Впервые бесколлекторный электродвигатель в качестве тягового был применен в Венгрии в 20-х гг. 20 в. на электровозах однофазно-трехфазного тока. Использовались вращающиеся преобразователи системы инженера К. Кандо; двигатели были тихоходными, с переключением полюсов. Вентильный ТЭД впервые предложен в Германии A930 г.). В начале 50-х гг. во Франции 20 электровозов были оборудованы частотно-регулируемыми асинхронными ТЭД для линии Валансьен-Тьонвиль, электрифицированной на переменном токе частотой 50 Гц, напряжением 22-25 кВ. ТЭД широко используются за рубежом (США, Австрия, Норвегия, Швейцария, Италия, Дания и др.) на ЭПС, на городском электротранспорте, а также на тепловозах.

В России разработки по применению бесколлекторных ТЭД в тяговом электроприводе начались в 60-х гг. Их использование на подвижном составе стало экономически обоснованным после появления малогабаритных полупроводниковых преобразователей напряжения и частоты. В 70—80-е гг. были построены опытные электровозы с вентильными (ВЛ80В, ВЛ83) и асинхронными (ВЛ80А, ВЛ86, ВЛ86Ф) тяговыми электродвигателями. В конце 90-х гг. начались испытания электровоза ЭП10 двойного питания с асинхронным ТЭД производства НЭВЗ с преобразователями зарубежного производства и скоростного пассажирского электровоза ЭП200 Коломенского и Новочеркасского заводов.

По сравнению с коллекторным двигателем бесколлекторный ТЭД легче, конструктивно проще, требует меньших расходов на обслуживание. При индивидуальном приводе движущихся колесных пар мощность современных многофазных ТЭД достигает 1600 кВт, при мономоторном - 2800 кВт (например, синхронные двигатели на электровозе ВВ26000 французских ж. д.). Наибольшая частота вращения ротора достигает 4500 об/мин, что делает их незаменимыми для сверхскоростного ЭПС. В частности, рекорд скорости 515,3 км/ч установлен в 1990 г. на французском электропоезде ТСУ-А с синхронными ТЭД.

На российском скоростном моторвагонном электропоезде «Сокол» установлен асинхронный бесколлекторный ТЭД мощностью 650 кВт. Асинхронные и синхронные тяговые электродвигатели имеют примерно одинаковую удельную мощность — 2,2 и 2,25 кг/кВт на электровозах ЭП10 и ЭП200 (у последнего частота вращения ТЭД больше), которая в 2-2,5 раза превосходит показатели коллекторных двигателей. Бесколлекторные ТЭД более надежны в эксплуатации (отсутствует коллекторно-щеточный узел); кпд коллекторных и бесколлекторных ТЭД - примерно одинаковый (94-95% при мощности 750-1200 кВт). Для питания бесколлекторных ТЭД применяют статические полупроводниковые преобразователи на одно- или двухоперационных тиристорах или на мощных силовых транзисторах ЮВТ (с 90-х гг.). Масса, габариты и, особенно, стоимость этих преобразователей сдерживают внедрение многофазных ТЭД на ЭПС. Другим сдерживающим фактором является необходимость обеспечения электромагнитной совместимости ЭПС, на котором установлены многофазные ТЭД, с рельсовыми цепями СЦБ и АЛС.

Синхронный (вентильный) ТЭД по принципу действия подобен машине постоянного тока, в которой механический коллектор заменен системой силовых управляемых вентилей преобразовательной установки. На статоре располагается многофазная обмотка, на роторе - обмотка возбуждения постоянного тока, электроэнергия к которой подводится через специальные кольца и щетки. Переключение вентилей происходит при малой частоте вращения по сигналам от датчиков контроля положения ротора, установленных внутри электродвигателя, или по противоэдс при более высокой скорости. Непрерывное вращение ротора обеспечивается поочередным переключением выводов статорной обмотки согласно программе управления вентилями преобразователя. Регулирование вентильного ТЭД осуществляется по напряжению, частоте и силе тока возбуждения (три независимых канала регулирования). В системе управления вентильным ТЭД могут быть использованы микропроцессоры.

Асинхронный ТЭД имеет ротор с короткозамкнутой обмоткой без изоляции; обмотка статора выполнена с изоляцией. На ЭПС асинхронный ТЭД получает питание от статических преобразователей, построенных на базе автономных инверторов напряжения или тока. Регулирование режимов работы электродвигателя, осуществляемое изменением напряжения и его частоты (два независимых канала регулирования), может проводиться индивидуально для каждого электродвигателя или одновременно для нескольких. Рабочие тяговые характеристики двигателя показаны на рис. 5.58.

Линейный электродвигатель является составной частью линейного электропривода и служит для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию поступательного движения транспортного средства, т. е. без механической передачи. В линейный привод входит также аппаратура управления и регулирования скорости. Линейный электродвигатель (рис. 5.59) содержит питаемый электрическим током первичный элемент (индуктор), являющийся статором, и вторичный элемент в виде реактивной полосы, выполняющей роль ротора. Индуктор и реактивная полоса разделены воздушным зазором. Неподвижный элемент магнитной системы линейного электродвигателя разомкнут и имеет развернутую в плоскости обмотку произвольной длины, создающую бегущее магнитное поле, а подвижный элемент движется относительно неподвижного (см. рис.).

Линейный электродвигатель может быть асинхронным и синхронным. Реактивная полоса асинхронного линейного электродвигателя (наиболее распространенная схема), выполненная в виде бруска обычно прямоугольного сечения без обмоток, закрепляется вдоль путепровода, над которым перемещается электровоз, несущий подвижную часть (индуктор) двигателя. Магнитопровод индуктора выполнен с развернутыми многофазными обмотками, питаемыми от источника переменного тока. Вследствие взаимодействия магнитного поля индуктора с полем реактивной полосы возникают силы, которые заставляют перемещаться с ускорением индуктор линейного электродвигателя относительно неподвижной реактивной полосы до тех пор, пока скорости перемещения индуктора и бегущего магнитного поля реактивной полосы не уравняются. Преимуществом такой конструкции является размещение в путепроводе более простой в изготовлении, чем индуктор, реактивной полосы. Возможна схема, в которой в путепроводе размещается индуктор, при этом не требуется передачи электроэнергии на движущийся объект, нет контактного рельса на трассе и токоприемников на подвижном составе. Однако в этом случае вдоль трассы необходимо разместить большое число индукторов. Такая схема целесообразна при большой частоте следования транспортных средств или при подвижном составе большой длины. Применяется и комбинированный вариант, например, с размещением индукторов в путепроводе на участках разгона, торможения, подъема и спуска; на остальной части трассы используется индуктор, установленный на подвижном составе. Линейный электродвигатель получает питание от преобразователя или непосредственно от промышленной сети переменного тока (линейный асинхронный привод).

Управление силой тяги и скоростью движения осуществляется системой автоматического управления и регулирования путем изменения частоты напряжения и силы тока в обмотках двигателя.

Линейный электропривод обеспечивает также торможение подвижного состава, например, противовключением. Достоинствами привода являются отсутствие вращающихся частей, механической передачи, простота в эксплуатации, большой ресурс работы. К недостаткам относятся более низкие по сравнению с обычным электроприводом энергетические показатели, связанные с разомкнутостью магнитной цепи и большими рабочими зазорами, сложность и высокая стоимость изготовления и др. Линейные электродвигатели могут применяться на поездах высокоскоростного наземного транспорта, относящихся к левитирующим транспортным системам. Общий кпд таких систем с линейным электродвигателем при оптимизации его показателей не уступает кпд обычного тягового электропривода вследствие исключения промежуточных звеньев передачи силы тяги и отсутствия проскальзывания при механическом контакте между ходовой частью и путепроводом.