Тяговые электрические машины тепловозов
К электрическим машинам в тяговом исполнении относятся элементы электрической передачи тепловоза: тяговые генераторы (ТГ), преобразующие механическую работу теплового двигателя (дизеля) в электрическую энергию, и тяговые электродвигатели (ТЭД), предназначенные для приведения во вращение колесных пар тепловоза и обеспечивающие изменение скорости движения тепловоза от V = 0 до значения конструкционной скорости Vmах.
Режимы работы и технические характеристики
Режимы работы и технические характеристики. Расчетным режимом работы тепловозных тяговых электрических машин является продолжительный режим, который определяется наибольшим током нагрузки, допустимым по нагреву изоляции обмоток в течение неограниченного времени работы при номинальном охлаждении. Продолжительный режим работы тяговых электрических машин соответствует режиму движения тепловоза на расчетном подъеме с номинальной мощностью и характеризуется расчетной скоростью Vр и расчетной силой тяги Fкр.
Тяговые электрические машины имеют большую мощность на единицу объема; их высокие удельные показатели достигаются в основном благодаря интенсивному воздушному охлаждению и меньшему ресурсу по сравнению с электрическими машинами общепромышленного назначения. Машины имеют принудительное воздушное охлаждение нагнетательного типа; для очистки воздуха в воздуховодах систем охлаждения устанавливаются сетчатые и инерционные фильтры. Специфические условия работы тяговых электрических машин требуют высокой эксплуатационной надежности при наименьших габаритах и весе; высокой перегрузочной способности по силе тока, напряжению (коэффициенты регулирования по току и напряжению составляют соответственно 1,3-2,0 и 1,4-1,6) и скорости; обеспечения длительной работы на любой промежуточной ступени регулирования; возможности регулирования частоты вращения ротора ТЭД в диапазоне, соответствующем 0 < V < Vmах. Кратность и время действия перегрузки по току ограничиваются допустимым нагревом обмоток и определяются при выполнении тяговых расчетов.
Тяговые электрические машины относятся к защищенному или закрытому типу; в соответствии с ГОСТ 2582-81 «Машины электрические вращающиеся тяговые» они должны вырабатывать заданный ресурс в интервале температур окружающей среды от -50 до +40 °С, работать на высоте до 1200 м над уровнем моря, при линейных ускорениях под действием динамических нагрузок с ускорением до 212 м/с2.
В зависимости от типа электрической передачи на тепловозах используются ТГ постоянного тока мощностью 780-2000 кВт и синхронные генераторы переменного тока мощностью 1350-4060 кВт (рис. 5.53, таблица 1).
Ось ТГ соединяется с коленчатым валом дизеля (дизель и ТГ образуют энергетическую установку); активная электромагнитная мощность на зажимах ТГ
Pг.эм= mф*Еф*Iф*cosф
(mф - число фаз ТГ; Еф, Iф - соответственно действующие значения результирующей эдс и тока фазы ТГ, соsф - коэффициент мощности, характеризующий степень использования расчетной мощности ТГ) соответствует механической мощности дизеля при каждом значении частоты вращения вала nдиз.
ТГ являются ненасыщенными электрическими машинами, т.е. управляя током возбуждения, можно в широком диапазоне изменять магнитный поток Фг, а соответственно и эдс
Еф = се*nдиз*Фг
(се — коэффициент, характеризующий конструктивные параметры машины). Они имеют независимое регулируемое возбуждение; это позволяет путем регулирования магнитного потока
ФГ = fг(Iг),
где Iг - значение выпрямленного тока, создавать наиболее простые алгоритмы управления электрической передачей тепловоза
Uг*Iг=сопst
(Uг - значение выпрямленного напряжения ТГ),обеспечивая использование полной мощности дизеля во всем диапазоне изменения скорости V.
В кратковременных режимах ТГ постоянного тока используются в качестве электродвигателей пуска дизеля; для этого в их конструкции предусмотрена специальная пусковая обмотка возбуждения, получающая питание от аккумуляторной батареи тепловоза. Масса на единицу мощности ТГ постоянного тока составляет 4-4,5 кг/кВт, а переменного тока - 2,0-2,5 кг/кВт; расчетный ресурс - 25 лет.
Характеристики тяговых генераторов
Характеристики ТГ делятся на регуляторные (зависимости тока возбуждения ТГ от силы тока нагрузки), статические системы регулирования напряжения (зависимости напряжения на зажимах генератора от силы тока нагрузки при работе автоматической системы регулирования возбуждения), статические при аварийном возбуждении (зависимости напряжения на зажимах генератора от силы тока нагрузки при постоянном возбуждении), тепловые (зависимости температуры и тепловых постоянных времени обмоток от силы тока нагрузки) и аэродинамические (зависимость расхода воздуха через двигатель от избыточного давления на входе).
Условию использования полной мощности дизеля во всем диапазоне изменения V в наибольшей степени соответствуют характеристики ненасыщенных ТЭД постоянного тока с последовательным возбуждением, которые применяются в передачах мощности всех серийных тепловозов. Для опытных тепловозов были разработаны передачи мощности с ТЭД постоянного тока независимого возбуждения и тяговыми асинхронными двигателями, позволяющими улучшить сцепные характеристики тепловозов за счет индивидуального управления моментом или частотой вращения ротора.
Электромагнитный момент на валу ТЭД
Мд = см*Фд*Iд
(см - постоянная, определяемая конструкцией двигателя, Фд, Iд - соответственно магнитный поток и ток двигателя).
Вследствие того, что электрической передачей тепловоза обеспечивается выполнение условия Uг*Iг=соnst, электрическая мощность на зажимах ТЭД при параллельной схеме их соединения Pд.эл=Uг*Iг/b=сопst (Ь - число ведущих осей тепловоза). Отсюда следует, что во всем диапазоне изменения скорости V произведение Мд*nд=cost (nд - частота вращения якоря ТЭД), а сила тяги тепловоза определяется как
(Dк - диаметр колеса; μ и ηтр — соответственно передаточное отношение и кпд тягового редуктора). Для расширения возможного диапазона изменения V системой управления ТЭД предусмотрены две ступени ослабления возбуждения (см. Электрическая передача тепловоза).
ТЭД являются реверсивными, т. е. изменяют направление вращения ротора (якоря), а также обратимыми - переходят в генераторный режим работы при электрическом торможении. Тепловозные ТЭД постоянного тока имеют мощность от 206 кВт до 586 кВт и массу на единицу мощности 6-11 кг/кВт; у перспективных асинхронных тяговых электродвигателей этот показатель прогнозируется на уровне 6 кг/кВт (рис. 5.54, таблица 2).
Классификация по способу установке на раме тележки
По способу установки на раме тележки различают ТЭД с опорно-осевым и опорно- рамным подвешиванием (см. Тепловоз). На существующих тепловозах преимущественно используется опорно-осевое подвешивание, при котором ТЭД опирается на ось колесной пары через моторно-осевой подшипник, а на раму тележки - через специальные кронштейны. При опорно-рамном подвешивании ТЭД полностью подрессорен и опирается только на раму тележки (тепловозы 2ТЭ121, ТЭП75, ТЭП80). Ось ТЭД и ось колесной пары связаны через одностороннюю зубчатую передачу. Базовый ресурс ТЭД до капитального ремонта - 1,2 млн. км пробега (8 лет).
Характеристика тяговых электродвигателей
Характеристики ТЭД делятся на электромеханические (зависимости частоты вращения якоря, момента и кпд от силы тока нагрузки), тепловые и аэродинамические. Электромеханические характеристики тепловозных ТЭД снимаются при законе регулирования Uд*Iд=сопst [гиперболической зависимости Uд=f(Iд) и номинальной мощности] и коэффициентах ослабления возбуждения β = Iв/Iд (Iв,Iд — соответственно ток обмотки возбуждения и ток обмотки якоря электродвигателя), предусмотренных электрической передачей тепловоза. Электромеханические характеристики ТЭД при соответствующих значениях β определяют тяговую характеристику тепловоза (рис. 5.55).
Основные показатели надежности тяговых электрических машин - вероятность безотказной работы,наработка на отказ, ресурс.
Особенности конструкции и технологии изготовления
Особенности конструкции и технологии изготовления. Тяжелые условия работы тяговых электрических машин (высокие перегрузки, значительные колебания температур, большие механические воздействия от неровностей пути, загрязнения рабочих поверхностей и увлажнение изоляции) учитываются при их проектировании и изготовлении.
Обмотки тяговых электрических машин изготавливают из провода прямоугольного сечения с изоляцией классов нагревостойкости F или H, допускающих температуру в продолжительном режиме 180-200 °С. Пазы сердечников якорей и статоров выстилают стеклотканью, увеличивая электрическую прочность изоляции. Обмотки в пазах закрепляют клиньями. На дно паза и под клин устанавливают дополнительные стеклотекстолитовые прокладки. Лобовые части обмоток якорей машин постоянного тока покрывают бандажами, выполненными из высокопрочной и теплостойкой стеклобандажной ленты, пропитанной термореактивным лаком, а статорные обмотки синхронных генераторов закрепляют на статоре через изолированные кольца.
Коллекторы машин постоянного тока имеют арочную конструкцию. Коллекторные пластины изготавливают из меди, легированной кадмием или серебром, что способствует повышению их твердости. Коллектор балансируется, а для повышения монолитности - формуется (ряд последовательных нагревов, прессовок и разгонов до частоты вращения, превышающей на 25% максимальную). Постоянное нажатие щеток на коллектор обеспечивается использованием в щеткодержателях рулонных пружин.
Сердечники якорей машин постоянного тока, статоров машин переменного тока и их главных полюсов шихтуют - набирают из листов электротехнической стали, обладающей высокой магнитной проницаемостью, и стягивают шпильками (при диаметрах шихтованных магнитопроводов более 1000 мм их набирают из отдельных сегментов). Сердечники добавочных полюсов ТГ постоянного тока изготавливают из толстолистовой стали, а ТЭД - из проката. Для повышения электрической и механической прочности, а также увеличения коррозионной устойчивости и теплопроводности изоляции полюсные катушки и сердечники якорей ТЭД в собранном состоянии покрываются эмалью и запекаются.
Остовы машин постоянного тока выполняют функции магнитопровода, поэтому их изготавливают из магнитного материала - углеродистой стали. В тяговых машинах переменного тока магнитопровод не может служить одновременно остовом машины из-за недостаточной жесткости его конструкции, поэтому его собирают и закрепляют на остове.
Для повышения вибропрочности выводов катушек главных и добавочных полюсов машин постоянного тока их изготавливают из уголкового медного профиля или усиливают стальными пластинами; в конструкции синхронных ТГ применяют многослойные гибкие выводы.
Моторно-осевые подшипники и подшипники роторов машин выполняются по специальным техническим условиям для ж.-д. подвижного состава, предусматривающим использование консистентной смазки с рабочей температурой от -60 до +120 °С.
Число полюсов ТГ постоянного тока определяется мощностью: десятиполюсная машина - при мощности более 1000 кВт и восьмиполюсная - при мощности менее 1000 кВт. На главных полюсах расположена пусковая обмотка; компенсационная обмотка отсутствует. Один конец оси ТГ предназначен для соединения с коленчатым валом дизеля через полужесткую муфту, а второй (конусный) - для привода вспомогательных машин.
Обмотка якоря
Якорь имеет двухходовую петлевую обмотку с уравнительными соединениями, уложенными со стороны коллектора. Вся конструкция якоря выполнена на укороченном валу (безвальный генератор), что позволяет снизить весовые и габаритные характеристики ТГ. Для обмотки якоря применяется изоляция класса нагревостойкости F, а для обмотки главных полюсов класса H. ТГ постоянного тока имеют осевую систему охлаждения (при мощности до 2000 кВт) или радиально-осевую (при мощности более 2000 кВт) с вентиляционными каналами, расположенными в сердечнике якоря.
Тепловозные ТГ переменного тока представляют собой явнополюсные машины, работающие на выпрямительную установку; они имеют 12 полюсов, собранных на индукторе ротора. Полюсные катушки вместе с сердечниками полюсов заливаются эпоксидным компаундом, образуя монолитную конструкцию с изоляционным покрытием класса нагревостойкости F. Все катушки соединяются последовательно. На полюсах располагается также демпферная обмотка, выполненная из медных или стальных стержней. Две трехфазные статорные обмотки, сдвинутые на угол 30 эл. град., соединяются по схеме «звезда». Применение в синхронном генераторе двух статорных обмоток позволяет подавить высшие гармонические составляющие фазного тока и уменьшить пульсации выпрямленного напряжения (наибольшая величина пульсаций выпрямленного напряжения связана с 12-й гармоникой). Это приводит к уменьшению добавочных потерь в самом ТГ и повышает коммутационную надежность ТЭД. Обмотка статора - двухслойная волновая с изоляцией класса нагревостойкости H.
С ростом секционной мощности тепловозов для уменьшения весовых и габаритных характеристик электрооборудования были внедрены тяговые агрегаты, в корпусе которых на одном валу собраны две синхронные электрические машины - ТГ мощностью 2800-4060 кВт и генератор собственных нужд с самовозбуждением мощностью 630-810 кВт. Генератор собственных нужд обеспечивает питание обмотки возбуждения ТГ, привода вспомогательных механизмов и машин, систем автоматики тепловоза. На тепловозе ТЭП75 генератор собственных нужд выполняет функции генератора энергоснабжения поезда. На роторе тягового агрегата расположены две самостоятельные системы полюсов: синхронного ТГ и генератора собственных нужд. Контактные кольца обеих машин расположены между подшипниковым щитом и генератором собственных нужд.
Все тепловозные ТЭД постоянного тока имеют 4 главных и 4 добавочных полюса. В пазах якоря укладывается петлевая обмотка с уравнительными соединениями. Для уменьшения потока рассеяния катушка обмотки якоря по высоте составляется из двух или трех элементарных проводников.
Применение
В 1997 г. разработан ряд универсальных ТЭД типа ЭДУ133 с диапазоном мощности 106-418 кВт, предназначенных для использования как на магистральных, так и на маневровых тепловозах. Характерная особенность этих двигателей - единые габаритные размеры при различных значениях номинальной мощности и параметрах продолжительного режима. Двигатель имеет сварной остов. Класс нагревостойкости изоляции обмоток полюсов - F, а обмотки якоря - H.
На тепловозах с электрической передачей переменного тока применяются асинхронные ТЭД, ротор которых выполнен с короткозамкнутой обмоткой в виде «беличьей клетки», полученной путем заливки пазов и торцов сердечника алюминиевым сплавом; пазы ротора — полузакрытые. Шихтованный статор с уложенной в пазы петлевой обмоткой закрепляют в остове на осевых ребрах жесткости, которые образуют воздушные каналы, используемые для охлаждения электродвигателя. Двигатель имеет круглый сварной остов.
Помимо тяговых электрических машин на тепловозах применяются вспомогательные машины. На тепловозах с передачей постоянного тока для питания обмотки возбуждения ТГ применяется возбудитель (генератор постоянного тока); вспомогательный генератор (машина постоянного тока) используется для питания цепей управления; цепи автоматики получают питание от синхронного подвозбудителя (однофазного синхронного генератора). Возбудители и вспомогательные генераторы постоянного тока выполняются в одном корпусе и образуют двухмашинный агрегат. На тепловозах с передачей переменно-постоянного тока для питания обмотки возбуждения ТГ и цепей автоматики применяется однофазный синхронный генератор (синхронный возбудитель); стартер-генератор (машина постоянного тока) используется для пуска дизеля (двигательный режим работы) и питания цепей управления (генераторный режим работы). Кроме того, для привода вспомогательных механизмов (насосов, компрессоров, вентиляторов) применяются электродвигатели постоянного И переменного тока.