Електричні машини електровозів та електропоїздів. Тягові електродвигуни
Завантажити конспект в форматі “docx” ви можете в кінці опису.
Зміст:
На електрорухомому складі залізниць України використовуються різні типи електричних машин. За призначенням електричні машини поділяються на тягові та допоміжні. Тяговими називаються електричні машини великої потужності (250… 1300 кВт), які отримують електроенергію від контактної мережі або силової перетворюючої електроустановки. І перетворюють цю енергію в механічну для руху локомотива і тяги поїзда. Тягові електричні машини виконують з опорно-осьовим або опорно-рамним підвішування. Допоміжні електричні машини можна розділити за їх призначенням та струмом живлення.
Це можуть бути електродвигуни компресорів, вентиляторів, калориферів, розщеплювані фаз, допоміжні генератори, дільники напруги. Ці машини можуть живитись постійним струмом або трифазним змінним. На електричні машини електрорухомого складу впливають такі фактори, як: вібрація, значні коливання температури, запиленість, підвищена вологість, нестабільність напруги живлення. А також динамічні складові, що викликано прискоренням та гальмуванням електровозу або коливанням кузову в різних площинах. Тому для таких машин ставляться додаткові умови до їх надійності та терміну роботи.
Важливим фактором, що впливає на термін простою електровоза в ремонті, є ремонтопридатність машини. На електровози та електропоїзди електрорухомого складу, які експлуатуються на залізницях України, встановлюють тягові електродвигуни та електродвигуни допоміжних кіл виробництва. Харківського заводу «Електроважмаш». Смілянського електромеханічного заводу. Новочеркаського заводу електровозобудування. А також допоміжні машини, які випускає Новокаховський завод «Південелектромаш», Дніпропетровський НВК «Електровозобудування».
Технічні характеристики та схеми комутації тягових електродвигунів
На локомотивах та моторвагонному тяговому рухомому складі використовують тягові електродвигуни постійного струму та асинхронні. Електродвигуни, які живляться випрямленим струмом, називають пульсуючими, тому що після випрямлення змінного струму для їх живлення отримують постійний пульсуючий струм. Найбільш поширені на ЕРС на сьогоднішній день тягові електродвигуни постійного та пульсуючого струму. Позитивним фактором таких тягових електродвигунів є простота електричних схем регулювання їх потужності. Вони дозволяють не тільки працювати електровозу в режимі тяги, але і використовувати режим електродинамічного гальмування, в режимі реостатного гальма або рекуперації.
В електричних машинах постійного струму з послідовним збудженням великий пусковий момент. Тому локомотиви з такими тяговими двигунами реалізовують максимальну силу тяги саме при рушенні з місця. Такі тягові електродвигуни варто встановлювати на вантажних локомотивах, де цей фактор має найбільше значення. Недоліком використання цих двигунів є обмеженість частоти обертання якорю. Яка викликана переходом електричної машини постійного струму з режиму споживання електричної енергії в режим генерації (зворотність електромашини). Це обмежує конструкційну швидкість локомотива.
Для збільшення частоти обертання якоря, збільшення швидкості руху зменшують збудження електромашини (паралельно обмоткам головних полюсів підключають резистори та індуктивні шунти), але це дозволяє лише віддалити процес зворотності. Тому для пасажирського електрорухомого складу найкращі перспективи використання мають асинхронні електродвигуни. Ці електромашини не мають щіткового апарату і дають можливість зменшити витрати на їх обслуговування. Вони не переходять в режим генерації, тому обмеження по частоті обертання ротора викликані конструктивними особливостями механічної частини.
Важливим недоліком асинхронних електродвигунів є те, що вони досягають максимальної потужності тільки при номінальній частоті обертання і тому мають невеликий пусковий момент. Так як регулювання частоти оборотів ротора асинхронної машини відбувається зміною частоти струму живлення, необхідно встановлення складної за конструкцією перетворюючої установки, це ускладнює конструкцію електричного обладнання і підвищує вартість електровоза. Колекторні тягові електродвигуни електровозів та електропоїздів виконують з послідовним збудженням.
Якірна обмотка включається послідовно з обмоткою збудження полюсів. Регулювання потужності та частоти обертання якоря таких машин проводиться регулюванням величини напруги на колекторі. Номінальні параметри тягової машини — напруга на колекторі, струм живлення, потужність, частота обертання якоря та коефіцієнт корисної дії. Тягова електрична машина може працювати в тривалому або годинному режимі, потужність при цьому змінюється на 7…9 %. Номінальна частота обертання якоря становить 700…900 об/хв, максимальна — 1900…2000 об/хв, ККД тягових електродвигунів становить — 0,98.
Годинний режим роботи тягового електродвигуна локомотива визначається найбільшим струмом живлення протягом однієї години зі збудженням. Передбаченим для цього режиму, і нормально діючою вентиляцією. Перевищень температури частин електродвигуна над температурою навколишнього середовища повітря не повинно бути вище встановлених норм для відповідного класу нагрівостійкості ізоляції. Напруга на затисках двигуна повинна бути номінальною. А температура його частин перед випробуваннями повинна бути рівною температурі навколишнього повітря.
Таблиця 4.1. – Технічні дані тягових електродвигунів
Тривалий режим роботи визначається найбільшим струмом живлення протягом необмеженого терміну часу. Збудження та напруга на затисках повинні бути номінальними для даного режиму. Температура частин тягового двигуна не повинна перевищувати встановлені норми. Тягові двигуни електровозів та електропоїздів працюють у важких умовах. Простір, в якому розміщають тягові двигуни на електровозах, обмежено, що викликає відповідне обмеження їхніх габаритних розмірів. Це змушує передбачати в тягових двигунах великої потужності, в порівнянні зі звичайними стаціонарними електричними машинами, більш високі електричні та механічні навантаження. Тому при виготовленні та ремонті тягових двигунів використовують матеріали високої якості.
Діапазон температур, при яких доводиться працювати тяговим двигунам, коливається від -50 °С до +40 °С. Навантаження в експлуатації короткочасно перевищують номінальні на 50…70 %. На двигуни, особливо при опорно-осьовому підвішуванні, впливають великі динамічні сили, що виникають при проходженні колісними парами нерівностей колії. Температура обмоток тягових двигунів в експлуатації може змінюватися до 180 °С. На ізоляцію тягових двигунів може короткочасно впливати значне перевищення напруги живлення. Тягові двигуни розташовані під кузовом електровоза, тому до захисту тягових двигунів від проникнення в них пилу й вологи висувають особливі вимоги.
Гранично припустимі перевищення температур обмоток і колекторів залежать від класу нагрівостійкості ізоляції. Для ізоляції класу «В» температура обмоток якорів не повинна перевищувати 120 °С, обмоток полюсів — 130 °С, колекторів — 95 °С. Для класу ізоляції «Н» температура нагрівання якірних обмоток не повинна бути більше 160 °С, обмоток полюсів — 180 °С, колекторів — 105 °С. Температура якірних підшипників не повинна перевищувати 100 °С. Для зниження температури нагрівання тягових двигунів застосовують примусову вентиляцію, при якій через двигуни продувають повітря.
Необхідний напір вентилюючого двигун повітря створюють вентилятори, які встановлені в кузові. Номінальна напруга в контактній мережі постійного струму, а отже, і на струмоприймачі електрорухомого складу, дорівнює 3000 В. Тягові електродвигуни виготовляють, як правило, на напругу 1500 В з ізоляцією обмоток на 3000 В. Тому під напругу контактної мережі можна включити послідовно не менше двох електродвигунів. Якщо встановити послідовно більше число електродвигунів, напруга на кожному з них буде менше.
На восьмивісних електровозах ВЛ10, ВЛ11М, ВЛ8, ЧС7 застосовують три схеми з’єднання тягових електродвигунів (рис. 4.1): послідовне або серієсне (С) восьми електродвигунів (рис. 4.1, а) з напругою на кожному ІІд = 375 В; послідовно-паралельне (СП) по чотири електродвигуни послідовно в дві паралельні галузі (рис. 4.1, б) з напругою ІІд = 750 В та паралельне (П) з’єднання чотирьох груп електродвигунів по два двигуни послідовно (рис. 4.1, в) з напругою ІІд = 1500 В.
На восьмивісних електровозах ВЛ11 при нормальній роботі використовують послідовно-паралельне та паралельне з’єднання електродвигунів. Послідовне з’єднання застосовують при обмеженні швидкості та маневровій роботі. На шестивісних електровозах ВЛ23, ВЛ22М, ЧС2Т і ЧС2 застосовують також три схеми з’єднання груп тягових електродвигунів: послідовне шести електродвигунів з напругою на кожному електродвигуні ІІд = 500 В, паралельне по три електродвигуни послідовно в дві паралельні гілки з напругою ІІд = 1000 В і паралельне — по два електродвигуни в три паралельні гілки з напругою ІІд = 1500 В.
Також вас може зацікавити:
Тягові електродвигуни вантажних електровозів (docx)
На чотиривісних електровозах та електропоїздах ЭР2, ЭР1 використають дві схеми з’єднання: послідовне — з напругою на кожному електродвигуні ІІд = 750 В та паралельне з’єднання електродвигунів, включених по два послідовно в дві паралельні гілки з напругою ІІд = 1500 В. На електропоїздах ЭД4, ЭД2Т, ЭР2Р, ЭР2Т тягові електродвигуни розраховані на напругу 750 В, тому застосовують тільки послідовне їх включення.
Для плавної зміни напруги в коло живлення електродвигунів включають реостат R (рис. 4.1, г), опір якого можна регулювати. Однак, в реостаті витрачається багато енергії, спожитої з контактної мережі, що викликає зниження ККД електрорухомого складу. Крім того, сам реостат нагрівається до високих температур. Тому його включають короткочасно, тільки на період пуску і розгону електрорухомого складу і називають пусковим реостатом.
Рис. 4.1 Способи включення тягових електродвигунів на восьмивісних електровозах при: а) послідовному, б) послідовно-паралельному, в) паралельному з’єднаннях; г) пусковим реостатом, д) обмеженням збудження
Магнітний потік можна регулювати, змінюючи магніторушійну силу або магнітну провідність. На електрорухомому складі з електродвигунами послідовного збудження застосовують ослаблення збудження, щоб збільшити швидкість руху. Найбільше поширення одержав спосіб ослаблення збудження шунтуванням обмоток збудження, при якому паралельно обмотці включають шунтувальний контур (рис. 4.1, д), що складається з резистора Ruj та індуктивного шунта ІШ. При цьому через обмотку проходить тільки частина струму якоря Ів. Інша його частина замикається через шунтувальний контур.
Опір резистора Яш регулюють, в результаті чого одержують кілька ступенів збудження. Індуктивний шунт необхідний для збереження співвідношення струмів в обмотці збудження і шунтувальному контурі при перехідних процесах. Якби в шунтувальному контурі не було індуктивного шунта, індуктивний опір контуру був би незначним, тоді зростаючий в обмотці якоря струм в основному пройшов би через шунтувальний контур, надмірно послабивши збудження.
Через обмотку збудження пройде менша частина струму, тому що в цьому ланцюзі він зустріне більший індуктивний опір. На рис. 4.2 показана спрощена схема електрорухомого складу змінного струму. Тяговий трансформатор Тр служить для зниження напруги контактної мережі Uc = 25000 В до значення, необхідного для роботи тягових електродвигунів. У випрямлячі В змінний струм перетвориться в постійний пульсуючий струм.
Рис. 4.2 Спрощена схема електрорухомого складу змінного струму
Тягові електродвигуни М1, М2 і т. д. на електровозах включають паралельно. На електропоїздах використовують іноді послідовно-паралельне з’єднання (наприклад, на електропоїздах ЭР9). Пульсації струму викликають пульсації магнітного потоку головних полюсів. Зменшення пульсації магнітного потоку необхідне для покращення комутації тягового електродвигуна і зниження магнітних втрат. Тому в коло випрямленого струму включений згладжуючий реактор СР, який зменшує ці пульсації. Крім того, паралельно обмотці збудження, установлюють резистор Rm, який має незначний індуктивний і великий активний опір.
Якщо умовно розкласти пульсуючий випрямлений струм на змінну і постійну складові. То побачимо, що його змінна складова замикається в основному через шунтувальний резистор Яш. Який має значно менший індуктивний опір, чим обмотка збудження, а постійна складова — в основному через обмотку збудження. Яка має активний опір значно менше, чим шунтувальний резистор. Таким чином, резистор Rm відіграє роль фільтра. Через обмотку збудження проходить в основному постійна складова, внаслідок чого знижуються пульсації струму та магнітного потоку.
У зв’язку із включенням постійного резистора Ruu тягові електродвигуни електрорухомого складу змінного струму працюють не при повнім збудженні, а при так званому нормальному збудженні, яке становить 0,92…0,97 від повного. Напругу на електродвигунах регулюють, змінюючи коефіцієнт трансформації трансформатора. Для цього ступінчасто змінюють число витків його обмоток. Такі ступені регулювання напруги на електродвигунах називають позиціями головного перемикача. На вантажних електровозах і моторних вагонах електропоїздів використовують регулювання на стороні нижчої напруги трансформатора (система низьковольтного регулювання), при якому вторинна обмотка трансформатора секційована.
На пасажирських електровозах ЧС4 і ЧС4Т застосовується регулювання на первинній стороні тягового трансформатора. (система високовольтного регулювання). Основним показником тягової електричної машини являється електромеханічна характеристика тягового електродвигуна — графік залежності величини струму якоря від швидкості руху локомотива. На рис. 4.3 показано характеристики тягового електродвигуна ТЛ-2К електровозів серій ВЛ10, ВЛ11.
По вертикалі відкладено швидкість руху локомотива, по горизонталі — струм тягового електродвигуна в різних режимах включення (С — серієсному, СП — серієс-паралельному, П — паралельному). А також в п’яти ступенях послаблення збудження (ПП — повне поле; ОВ1, ОВ2, ОВЗ, ОВ4 — чотири ступені послаблення поля). З характеристики видно, що чим більше швидкість руху локомотива, тим менше струм тяги. Швидкість руху збільшується при включенні ступенів послаблення поля.
Колекторні тягові електродвигуни постійного та пульсуючого струму можуть працювати як в режимі тяги та електродинамічного гальмування. Зміна напрямку обертання якоря тягового електродвигуна на протилежний проводиться переключенням виводів обмотки збудження (рис. 4.4, а). Це приводить до зміни напрямку руху локомотива. Електричні апарати, які виконують переключення, називаються
Рис. 4.3 Електродинамічні характеристики електродвигуна НБ-418К6
реверсорами. Зазвичай два тягових електродвигуни одного візка підвішують у різні сторони від шкворневого бруса. Тому один з них комутований для руху «вперед» інший — «назад».
Рис. 4.4 Схеми комутації тягових електродвигунів:
а) режим тяги; б) режим реостатного гальмування; в) режим рекуперації протизбудженням збудника; г) режим рекуперації електровозів змінного струму
Властивості роботи колекторного тягового електродвигуна як генератора використовуються при електродинамічному (реостатному та рекуперативному) гальмуванні. Якщо на локомотиві є джерело енергії для живлення обмоток збудження тягових машин, то застосовують незалежне збудження. Така схема використана на електровозах змінного струму ВЛ80С, ВЛ80Т и ЧС4Т. На (рис. 4.4, б) наведено принципову схему реостатного гальмування двох тягових машин М1 і М2. Обмотки збудження яких з’єднані послідовно і одержують живлення від тиристорного перетворювача випрямної установки збудження ТП. Підключеного до декількох секцій вторинної обмотки тягового трансформатора.
Обмотка якоря кожної тягової машини замкнута на свій гальмовий реостат або резистор (Rt1, Rt2), опір яких не змінюється. Іноді використовують реостат із двома ступенями опору (електровози ВЛ80Т останніх випусків і ВЛ80С). Регулюють струм і гальмову силу, змінюючи струм збудження Ів. На електровозах ВЛ80С і ВЛ80Т застосована схема із чотирма тяговими машинами на кожній секції. Обмотки збудження восьми тягових машин з’єднані послідовно й живляться від частини вторинної обмотки тягового трансформатора через тиристорну випрямну установку (ВУВ). За допомогою ВУВ регулюється напруга на обмотках збудження тягових електродвигунів, а отже, і струм збудження.
Крім того, для спрощення керування реостатним гальмом на них застосована система автоматичного регулювання. Що дозволяє рухатися поїзду по спуску з встановленою машиністом постійною швидкістю. При цьому гальмова сила автоматично змінюється залежно від ухилу та опору руху. Якщо на крутому спуску швидкість буде зростати, система автоматично створить більший струм збудження Ів і гальмову силу. А при зниженні зменшить її, підтримуючи задану швидкість руху. За бажанням машиніст може встановити необхідну, приблизно постійну гальмову силу. Що автоматично підтримується при зміні швидкості руху. Цей режим зручно застосовувати при гальмуванні для зниження швидкості.
Рекуперацію енергії широко використовують для підтримки постійної швидкості на затяжних спусках, а також зниження швидкості руху. Залежно від крутості ухилів та їхньої довжини на лініях з гірським профілем витрата енергії на тягу знижується на 15…25 %, а на ділянках з нерівним профілем — на 10…15 %. На електрифікованих дорогах щорічно повертається в контактну мережу приблизно 3 % спожитої енергії. При цьому заощаджується значне число гальмових колодок. На лініях постійного струму енергію рекуперації, що віддається в контактну мережу, найчастіше використовує електрорухомий склад. Який працює в цей момент у режимі тяги.
При відсутності споживачів електроенергії рекуперативне гальмування неможливо. Щоб забезпечити надійний гальмовий режим при відсутності споживачів енергії, які живляться від контактної мережі, або при недостатній їхній потужності, енергію рекуперації (надлишкову енергію) можна передати в енергосистему, де завжди є споживачі. Для цього на тягових підстанціях постійного струму встановлюють інвертори, що перетворюють постійний струм у змінний. При густому русі поїздів основну частину енергії рекуперації споживають інші поїзди, і надлишкова енергія невелика.
Вона зазвичай з’являється на двоколійних ділянках при збої руху поїздів, що йдуть на підйом назустріч електровозам або електропоїздам з рекуперацією. У цьому випадку надлишкова енергія може бути погашена в спеціальних баластових установках— реостатах. Вони установлені на тягових підстанціях і перегонах. Основною умовою для одержання рекуперативного гальмування є перевищення е.р.с. генерації електричної машини над е.р.с. спожитої напруги. У цьому випадку струм, а отже і електрична енергія, будуть спрямовані від тягової машини в мережу. На електрорухомому складі постійного струму широке поширення одержала система рекуперативного гальмування із протизбудженням збудника.
Система збудника застосована на електровозах серій ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11. Принципова схема такої системи для однієї тягової машини наведена на рис. 4.4, в. Обмотка збудження живиться від генератора — збудника В, на кожному полюсі якого є дві обмотки. Обмотка незалежного збудження Whb служить для створення магнітного потоку збудника. Вона живиться від кіл управління електрорухомого складу через реостат, опір якого, а отже і струм Інв, регулюють за допомогою гальмової рукоятки контролера машиніста. На кожному полюсі встановлено витки обмотки протизбудженням Wne, по яких протікає струм рекуперації Ір.
Магніторушійна сила цієї обмотки діє проти магніторушійної сили обмотки незалежного збудження. Тому при незмінному струмі Інв магнітний потік збудника зменшується з ростом струму рекуперації. Якір збудника обертається електродвигуном, який підключають під напругу контактної мережі. На моторних вагонах електропоїздів ЭР2Р, ЭР2Т, ЭТ2, ЭД2Т, ЭД4, ЭД4М застосовується рекуперативно-реостатне гальмування. Спочатку включається реостатне гальмування при незалежному збудженні тягових електродвигунів і з’являється гальмова сила.
Під дією системи автоматичного керування електричним гальмуванням (САУТ) збільшується магнітний потік і е.р.с. Коли сумарна е.р.с. чотирьох послідовно включених тягових електродвигунів досягає напруги контактної мережі. Відбувається автоматичний перехід з реостатного на рекуперативне гальмування при незалежному збудженні. Обмотки збудження цих електродвигунів з’єднуються послідовно і живляться через статичний перетворювач від поїзної трифазної мережі змінного струму з напругою 220 В. Гальмову силу в обох режимах регулюють зміною струму збудження (від 50 до 250 А).
Коли швидкість поїзда знизиться до 45…50 км/г або у випадку відсутності споживачів енергії, відбувається автоматичний перехід з рекуперативного на реостатне гальмування із самозбудженням тягових електродвигунів. Гальмова сила при цьому регулюється зміною опору гальмового реостата і підтримується у випадку зниження швидкості перед зупинкою. У зоні малих швидкостей, коли реостатне гальмування не може створити достатню гальмову силу, включають електропневматичне гальмування поїзда. На ЕРС змінного струму система рекуперації використовується на електровозах 2ЕЛ5, 2ЭС5К, ВЛ80Р (рис. 4.4, г).
Обмотки збудження тягових електродвигунів цих електровозів підключаються до випрямної установки збудження ВУВ. А якорі підключені до вторинної обмотки тягового трансформатора Тт через тиристори випрямно-інверторного перетворювача (ВІГІ). Мікропроцесорна система послідовно включає тиристори ВІГІ, перетворюючи постійний струм, що генерується тяговим електродвигуном, змінною частотою 50Гц. Напруга якого підвищується тяговим трансформатором Тт і повертається в контактну мережу. У режимі тяги силові напівпровідникові прилади ВІГІ використовують для плавного регулювання напруги на тягових електродвигунах.
Також вас може зацікавити:
Загальні відомості про електрорухомий склад (електропоїзди, електровози)
