Асинхронний двигун електровоза. Зарубіжний досвід створення епс – асинхронні тягові двигуни. Основні технічні дані двигуна

Сторінка 21 з 21

В експлуатації в різних країнахперебувають понад 250 одиниць ЕПС із асинхронними тяговими двигунами. Асинхронні тягові двигуни використовуються на магістральних та маневрових електровозах, тепловозах, електропоїздах, як приміських, так і метрополітенів.
Нижче буде розглянуто параметри електровозів, ефективність яких вже підтверджена досвідом. До них насамперед відносяться електровози Е-120 та Е-1200, що експлуатуються на державних залізницях та промисловому транспорті ФРН. Представляють також інтерес і електровози ЕА-3000, що експлуатуються в Данії, та електровози Е-17, що експлуатуються в Норвегії. По електропоїздах метрополітену накопичено досвід експлуатації у ФРН та Фінляндії. Далі буде розглянуто переважно електрообладнання ЕПС, специфічне для асинхронного приводу тягового.
Параметри електровозів із асинхронним тяговим двигуном. Основні параметри електровозів зведені у табл. 13.4.
Конструктивні особливості електровозів, що розглядаються:
всі електровози мають індивідуальний привід осей та рамне підвішування тягових двигунів;
внаслідок малої маси електровоза, що припадає на одну вісь, та значної маси електричного обладнання механічна частина електровоза гранично полегшена;
всі електровози (крім електровоза Е-1200) забезпечують рекуперацію енергії при потужності приблизно рівної тягової потужності електровоза;
всі електровози відрізняються малим впливом, що заважає, на лінії зв'язку і пристрої СЦБ;
всі електровози відрізняються хорошими тяговими властивостями і мають досить досконалі пристрої підтримки високого коефіцієнта використання зчеплення переважають у всіх режимах. Іншими словами, на цих електровозах досить повно реалізовані протибоксувальні властивості асинхронного тягового двигуна.
Розробником та виробником перетворювачів та систем їх регулювання є фірма ВПС (Швейцарія). Особливості цього обладнання буде розглянуто нижче.
Для всіх перерахованих електровозів вже накопичено досвід експлуатації. Електровози Е1-17 виявили добрі тягові властивості при роботі в умовах Заполяр'я на важкому гористому профілі. Однак надійність електричного обладнання на початку експлуатації була нижчою ніж у електровозів, що серійно експлуатуються. Надалі надійність неухильно підвищувалася.
Таблиця 13.4

Параметр		Електровози
Рік виготовлення
Потужність, кВт Швидкість, км/год: Для лінійного двигуна дві частини поділено на одну, розташовану на поїзді, а іншу на доріжці. Електромагнітна взаємодія між струмом у нерухомій частині і тим, що в частині, що рухається, змушує потяг тягтися вздовж лінії. Між цими двома частинами є дуже невеликий повітряний проміжок, як показано на цій фотографії. Ефективність лінійного двигуна становить близько 60% від звичайного двигуна, але у нього є перевага менш рухливих деталей, і він не має впевненості в адгезії звичайного двигуна. Спочатку похідна від операції ліфта понад сто років тому управління кількома одиницями стало найпоширенішою формою управління поїздом, що використовується в усьому світі сьогодні.
максимальна
номінальна Сила тяги, кН:
при торканні
номінальна Спочатку електричні локомотиви були спроектовані таким чином, щоб двигуни контролювали безпосередньо водій. Ланцюги тягової потужності пройшли через великий контролер, встановлений у кабіні управління. Ручка була повернена водієм у міру необхідності, щоб змінити перемикачі в ланцюзі, щоб збільшити або зменшити потужність у міру потреби. Ця угода означала, що водій мав залишатися поруч із двигунами, якби уникали довгих та важких кабелів із електроживленням. Колекторні тягові двигуни У той час як ця домовленість працювала досить добре, прагнення швидкого підйому на міських вуличних залізницях призвело до прийняття дистанційного керування. Ідея полягала в тому, що якби двигуни могли дистанційно керуватися, на кожному кінці поїзда можна було б встановити набір елементів керування водія. Немає необхідності, щоб локомотив був доданий у задній частині поїзда, що прибуває, щоб дозволити йому зробити зворотний шлях. Кабіна буде встановлена ​​на кожному кінці поїзда, і водій просто мав змінити кінці, щоб змінити напрямок.
Напруга контактної мережі, кВ
Частота струму контактної мережі, Гц Діаметр коліс, мм
Передавальні відносини Коли ця ідея була встановлена, було усвідомлено, що двигуни можуть бути розміщені в будь-якому місці поїзда, як і багато інших, необхідних для забезпечення необхідної продуктивності. Завдяки цій розробці більше, ніж менше, мотори були розкидані вздовж поїзда замість того, щоб будувати кілька великих двигунів у локомотиві. Так розвивалася концепція автомобілів та причепів. Автомобілі причепів – це просто пасажирські транспортні засоби, але легкові автомобілі- це пасажирські транспортні засоби з двигунами та пов'язаним з ними обладнанням управління.
Число осей

Електровози ЕА-3000 успішно експлуатуються в Данії, і Данські залізниці ухвалили рішення про замовлення ще однієї партії електровозів цієї серії.
Ретельно досліджено в експлуатаційних умовах електровози Е-120, які практично відразу після будівництва виявилися придатними до роботи на лінії та мають місячні пробіги, що навіть перевищують пробіги серійних електровозів. На цих електровозах на початку експлуатації виявилися недостатньо надійні вузли, які, однак, не специфічні для нової системи тягового електроприводу. Це трансформатори, допоміжні машини та ін. Пристрої перетворювача практично не вимагали будь-яких удосконалень, оскільки були добре відпрацьовані при стендових випробуваннях тягового електроприводу.
Рівень надійності електровоза такий же, як н у кращих серійних електровозів; є тенденція до подальшого підвищення надійності. Витрати на утримання та ремонт вже значно нижчі, ніж у серійних електровозів. Відзначено економію енергії внаслідок високого коефіцієнта потужності та рекуперативного гальмування.
Підтвердилися переваги електровоза Е-120 щодо реалізації сили тяги, за високим коефіцієнтом потужності, при слабкому впливі, що заважає, на лінії зв'язку і пристрою СЦБ. За тяговими якостями чотиривісний електровоз Е-120 виявився рівноцінним серійному шестносному електровозу. Досвідами встановлено, що бажано мати регулювання кожного асинхронного двигуна, щоб використовувати граничні можливості зі зчеплення кожного колеса з урахуванням динамічного перерозподілу навантажень на колеса. Однак цілком можливе живлення асинхронних тягових двигунів від загальних шин, як це виконано на електровозі Е-1200.

Рис. 13.9. Криві струму та напруги електровоза при використанні чотириквадрантного випрямляча



Рис. 13.10. Залежність коефіцієнта потужності електровоза Н-120 від навантаження
Струм електровоза (рис. 13.9) практично синусоїдальний і збігається по фазі з напругою U3. Залежність коефіцієнта потужності від навантаження дано на рис. 13.10. На рис. 13.11 дано осцилограми напруги та струму фази асинхронних тягових двигунів при відключеному ШІМ інвертора.
Найбільш тривалий досвід експлуатації накопичений електровозами Е-1200. Це чотиривісні, двосистемні електровози (змінний струм частотою 50 Гц та 162/3 Гц), за призначенням маневрово-вивізні з високими значеннями сили тяги. У важких умовах роботи в Рурському басейні вони виявили значні переваги перед електровозами, що випрямляють, з двигунами пульсуючого струму (електровози ЕА-1000).
Основні результати експлуатації електровозів двох типів, що розглядаються, наведені в табл. 13.5. Обидва електровози працювали в однакових умовах.
З табл. 13.5 випливає, що електровоз Е-1200 порівняно з електровозом ЕА-1000 має більшу продуктивність з перевезень, менші експлуатаційні витрати та витрати на ремонт. Примітно, що електровоз з принципово новою конструкцієюелектричного приводу кількість пошкоджень скоротилася вдвічі. Важливий показник - зниження витрати піску втричі під час використання підвищених сил тяги.
Партія електровозів, подібних до електровозів Е-1200, успішно експлуатується в Австрії.
Перетворювальні установки. У дослідному порядку були випробувані всі основні варіанти перетворювачів, які є поєднанням вхідного перетворювача у вигляді керованого випрямляча або імпульсного регуляторанапруги при змінному і постійному струмі контактної мережі відповідно і вихідного перетворювача частоти у вигляді інвертора напруги або струму.
Таблиця 13.5

Показник	Електровози
Об'єм перевезень, млн. т-км
Відносні експлуатаційні витрати
Відносні витрати на утримання та ремонт При використанні простого підйому, що діє між двома рівнями, на кожному майданчику можна використовувати реле для увімкнення підйомного двигуна для переміщення підйомника вгору або вниз. У поїзді контрольний вимикач може бути розташований у будь-якому місці поїзда, щоб активувати реле, що управляє потужністю двигунів. Ті самі принципи можуть бути використані для здійснення будь-якого іншого перемикання, наприклад. для освітлення чи опалення. Він є безпечним і простим способом передачі команд декільком пристроям у поїзді, і це основа, де грунтувалося управління кількома одиницями.
Витрати часу на періодичний ремонт (один раз на 3 міс), добу
Число пошкоджень на 1 електровоз на місяць
Маса тягового двигуна однакової потужності, т
Відносне збільшення коефіцієнта зчеплення при швидкостях, км/год: 0-10 На сучасному рухомому складі реле замінюється у багатьох застосуваннях електронним керуванням, яке прискорює роботу, усуває необхідні механічні переміщення та дозволяє мініатюризувати системи керування. Як ми бачили з наведеного вище опису, реле повинно мати струм, який до нього застосовується весь час, який потрібно закрити. Щоб уникнути постійного струму, скажімо, реле керування освітленням, використовується інший тип дистанційно керованого перемикача. Контактор - це справді заклали реле. Його також можна назвати «миттєвим перемикачем». Це вимагає, щоб струм був увімкнений для «моменту» для його роботи. Щоб зберегти контакти замкнутими після втрати керуючого струму, контакти силового ланцюга утримуються дома механічною клямкою. Коли необхідно відкрити силовий ланцюг, засувка відпущена і контакти розімкнуться.
Витрата піску, кг/млн. т-км

Схема перетворювача (рис. 13.12), розроблена фірмою ВПС, використовується на електровозах Е-120, ЕА-3000 та Е1-17. У цьому перетворювачі вхідний випрямляч спільно з фільтром ЛФ - Сф стабілізує напругу на виході. Споживаний з мережі синусоїдальний струм завдяки широтно-імпульсної модуляції перетворюється на виході в струм, який має постійну складову та складову струму, синусоїдальну формою, до подвійної частоти; останню складову не пропускає фільтр, налаштований на подвоєну частоту в порівнянні з частотою напруги живлення.
Для перетворювача фірми ВПС характерне збільшення загальної кількості тиристорів через наявність комутирующих тиристорів, встановлена ​​потужність яких дорівнює встановленої потужності головних тиристорів внаслідок багаторазових комутацій струму протягом періоду його зміни. З цієї причини помітно зростають втрати у перетворювачі. У випрямлювальну ланку перетворювача входять тиристори VS1 – VS4 та діоди VD1 – VD4. Вузол комутації випрямляча складається з комутувальних тиристорів комутувальних дроселів LK та комутувальних конденсаторів Ск.
У контури комутації інвертора входять комутують конденсатори Ск і комутують дроселі Lк.
Як інвертор використаний інвертор напруги, в якому, крім регулювання частоти, є можливість регулювання напруги при розгоні шляхом введення ШІМ. Широтноімпульсна модуляція напруги забезпечується вузлом комутації для кожної фази, наприклад для фази А. Завдяки використанню швидкодіючих тиристорів є можливість перемикати полярність напруги кілька разів за півперіоду з одночасним регулюванням тривалості імпульсу. Це досягається почерговою пропуском струму через тиристори, що комутують, і замиканням відповідно головних тиристорів.
У проміжній ланці на вході інвертора включені фільтр Лφ - Сф, розрахований на подвоєну частоту живлення змінної напруги, та фільтрові конденсатори Сф.
Дроселі Lc використовуються для зниження амплітуд найвищих гармонік струму в процесі розгону поїзда. Після закінчення розгону дроселі закорочуються контактами контакторів К1 - К3.
При виході на Номінальну напругуімпульсна модуляція напруги припиняється і форми фазної напруги та струму стають звичайними для інвертора напруги (див. рис. 13.11).
Західнонімецька фірма AEG прийняла іншу концепцію під час створення електровозного перетворювача, схема якого представлена ​​на рис. 13.13 а. Тут здійснюється амплітудне регулювання напруги у випрямлювальній ланці та регулювання частоти в інверторі струму, який не потребує комутуючих тиристорів, що суттєво спрощує перетворювач. Головні тиристори можуть бути повільно діючими. Не потрібний і конденсатор фільтра.

Рис. 13.11. Форма фазної напруги та струму без широтно-імпульсної модуляції інвертора
Рис. 13.12. Схема силових ланцюгів перетворювача електровоза Е-120

Однак ємність комутувальних конденсаторів повинна бути значною, оскільки комутуючий контур входить індуктивність обмоток тягового двигуна. У міру вдосконалення тиристорів інвертори струму втрачають свої первісні переваги.



Рис. 13.13. Схеми перетворювачів для асинхронних тягових двигунів зі ланкою постійного струму (а) та без ланки постійного струму (б):
K1 – контактор переходу в гальмівний режим; Сф – конденсатор фільтра; Л-реактор фільтра; Lc - згладжуючий реактор; VDI – гальмівний діод; VD2 – зворотний діод; VSI – головний тиристор; р2 - гальмівний тиристор; П – гальмівний резистор; р2 - гальмівні резистори в ланцюгу двигуна
При живленні ЕПС від мережі постійного струму фірмою Siemens (ФРН) розроблений перетворювач, представлений на рис. 13.13 б. Він включає інвертор струму і імпульсний переривник на вході, що забезпечує плавне регулювання напруги постійного струму. У режимі тяги контакти К1 – КЗ замкнуті. Тиристорний переривник з головним тиристором VS1, на вхід якого подається постійна напруга приблизно незмінного рівня, перетворює останнє на змінну постійну напругу. Ця напруга через згладжуючий реактор Lc проміжної ланки постійного струму подається на інвертор (тиристори 4 - 6 і діоди VD3-VD8), в якому постійний струм перетворюється на трифазний, у вигляді прямокутних імпульсів, зрушених на 120° для кожної фази. Інвертор регулює частоту вихідного струму. У період пуску при малій частоті живлення двигуна здійснюється імпульсна модуляція струму, в результаті чого струм фази статора набуває трапецієподібної форми.

Параметр	Типи тягових двигунів
Потужність, кВт
Момент, κΗ·μ
Максимальна частота обертання, Звичайно, струм для обладнання на кожному транспортному засобі, Як і в даному випадку, при освітленні, надходить з окремого джерела - у вигляді батареї, генератора змінного струму, інвертор або лінії електропоїзда. Як ви заважаєте одному локомотиву злетіти у неправильному напрямку? Ну, він убудований у проводку, і це просто, як показано на малюнку. Асинхронний електропривод на вагонах метрополітену. Навчальний посібник Рисунок 9: Діаграма, що показує схему підключення, необхідну для забезпечення роботи локомотивів або кількох блоків, що працюють в тому самому поїзді, у прямому та зворотному напрямку незалежно від напрямку руху. Кожен блок живлення має передній і зворотний провід, з'єднаний з перемикачем «вперед і назад» того чи іншого типу в кабіні. Розглядаючи блок 1, якщо водій вибирає "Вперед", передня провідна система знаходиться під напругою, а "пряме реле" активується, щоб змусити локомотив рухатися у прямому напрямку.
маса, кг
Число полюсів
Фазна напруга,
Частота струму статора, Гц
Частота струму ротора, Гц Щоб забезпечити правильний напрямок, другий локомотив, який з'єднаний з першим, прокладає вперед та назад дроти у перемичці. Якщо другий локомотив звернений у протилежному напрямку до першого, його зворотний провід буде під напругою, щоб локомотив працював у тому ж напрямку, що його партнер. Щоб це завжди відбувалося, всі перемички з кількома блоками управління мають перехрещені вперед та зворотні дроти. Але ви могли б запитати, що якщо локомотиви стоятимуть в одному напрямку? Вам не потрібні перехрещені дроти у перемичці. Перехрещені дроти в перемичці зроблять другий локомотив протилежним. Тепер, незалежно від того, який шлях навколо локомотивів пов'язаний один з одним, і в якому порядку вперед команда завжди буде приводити всі пристрої в той самий напрям, а зворотна команда змусить всі пристрої рухатися в протилежному напрямку.
Передавальні відносини
Зовнішній діаметр, м
Повітряний зазор, мм

У режимі електричного гальмування розмикаються гальмівні перемикачі К1 і К2 і тиристором VS3 забезпечується можливість підключення гальмівного резистора. При гальмуванні асинхронна машина працює у генераторному режимі, а інвертор виконує функції керованого випрямляча. При цьому змінюється полярність постійної напруги Ud, але зберігається колишній напрямок струму Id.



Рис. 13.14. Тяговий привід електровоза Е-120

Для реалізації необхідного гальмівного моменту за будь-якої частоти обертання ротора тягового двигуна необхідно керувати потужністю гальмування шляхом зміни постійної напруги і струму. Ці функції виконує переривник постійного струму, який при розімкнених контактах гальмівного перемикача не пропускає потоку енергії з боку контактної мережі. У режимі тактової частоти переривник періодично здійснює короткі замиканнясхеми через гальмівний діод VD1 При цьому в період провідного стану переривника наростає струм в реакторі Lc проміжної ланки, а в період непровідного стану спадний постійний струм або направляється в контактну мережу, замикаючись через діоди VD1 і VD2 (рекуперативне гальмування), або, коли немає приймачів енергії, що рекуперується, струм у гальмівний резистор після відмикання гальмівного тиристора (реостатне гальмування). Для стабілізації режиму рекуперації при гальмуванні з високих швидкостейвикористовуються обмежувальні резистори 2, які в інших режимах експлуатації шунтуються контактором КЗ. Для запобігання впливу на інвертор підвищеної напруги резистори встановлені між інвертором та двигуном.
Конструкції тягових двигунів електровозів Е-120 та Е-1200 перевірені тривалою експлуатацією. Параметри цих машин наведено у табл. 13.6.
Усі асинхронні тягові двигуни, використані фірмою ВВС, мають чотири полюсне виконання, що обумовлено необхідністю застосувати імпульсну модуляцію напруги у ланці інвертора, оскільки при цьому гранично знижується робоча частота фазної напругидвигуна та є можливість скоротити тактову частоту модуляції, що знижує комутаційні втрати.
Тягові двигуни мають високу розрахункову частоту обертання, оскільки відсутні обмеження по струмознімання та міцності ротора. Це дозволило знизити розрахунковий момент, що обертає, при значних силах тяги на обід колеса завдяки високим значенням передавального відношення.
Слід зазначити застосування на тягових асинхронних двигунах досконалих моторно-якорних підшипників, що дозволяють реалізувати максимальні частоти обертання до 3600 об/хв при значних моментах. Одною з конструктивних особливостейє використання полімерного сепаратора. Завдяки високій частотітягові двигуни мають порівняно невелику масу при звичайному способі повітряного охолодження.
Рис. 13.14 пояснює конструкцію тягової передачі. Насамперед привертають увагу шевронні зубчасті шестерні, які дозволяють передавати великі зусилля при мінімальній ширині шестерень. Передача зусилля з порожнього валу на колесо здійснена шарнірно-пружними муфтами, подібними до передачі типу «Альстом».
Загалом тягові асинхронні двигунита передачі є досить досконалими, що переконливо демонструє великі можливості покращення конструкції тягового приводу.

Асинхронні короткозамкнуті електродвигунидуже прості за конструкцією; вони мають високу надійність в експлуатації, низьку вартість виготовлення та ремонту меншими габаритними розмірамита масою порівняно з електродвигунами постійного струму, не вимагають особливого догляду, крім спостереження за підшипниками, ізоляцією, контактними з'єднаннями, та мають задовільні тягові властивості. При підвищенні частоти обертання ротора вище за синхронну (частоти обертання магнітного поля) автоматично переходять у генераторний режим без будь-яких перемикань, що спрощує електричну схемупід час використання електричного гальмування.

Поряд із перевагами асинхронні електродвигуни мають ряд недоліків, що ускладнюють їх використання на рухомому складі. Пускова характеристика двигуна з короткозамкненим роторомпри постійній частоті струму не забезпечує високих прискорень, тому що момент при торканні відносно малий і збільшується до максимального значення зі зростанням швидкості. Управління частотою обертання електродвигуна утруднене. Повітряний зазор між статором та ротором дуже малий. Збільшення зазору підвищує масу та збільшує розміри двигуна. Пуск електродвигуна з короткозамкненим ротором пов'язаний з великими втратами потужності та нагріванням обмоток.

Успіхи силової напівпровідникової техніки та засобів автоматики дозволяють створити надійні та економічні статичні перетворювачі частоти з прийнятними для тепловозів розмірами та масою. Цим зумовлюється практичне застосуванняу тепловозній тязі передачі змінного струму з асинхронними коротко-замкнутими електродвигунами, тим більше що для тепловозів з

Рис. 3.23. Тяговий асинхронний електродвигунЕД-900 (подовжній та поперечний розрізи):

1 - вал; 2 - шайба; 3-роликові підшипники; 4 – підшипникові щити; 5- втулка; 6-сердечник ротора; 7-обмотка статора; Я-сердечник статора; 9-корпус (кістя); 10 кожух захисний; 1/- короткозамкнута обмоткаротора; 12 - паз сердечника ротора; 13- паз сердечника статора; 14 - приплив; 15 вентиляційний канал; 16 - коробка затискачів; 17- вентиляційні отвори в сердечнику ротора дизелями потужністю понад 2940 кВт у секції при використанні тягових електродвигунів постійного струму доведеться суттєво ускладнювати їх конструкцію (застосовувати збірні або зварні кістяки, компенсаційні обмотки тощо або збільшувати кількість осей). Харківський завод «Електроважмаш» ім. Леніна, Ворошиловградський тепловозобудівний завод ім. Жовтневої революціїта Талліннський електромеханічний завод ім. Калініна створили макетний тепловоз ТЕ120 потужністю 2940 кВт із передачею змінного струму, на якому використовуються асинхронні короткозамкнуті тягові електродвигуни ЕД-900 (рис. 3.2.3) з опорно-рамною підвіскою (див. табл. 3.4).

У тягових машинах змінного струму магнітопровід, що виконується з листів електротехнічної сталі, не може служити одночасно кістяком машини (недостатня стійкість його форми), тому він закріплений у корпусі статора. Товщина стінок корпусу (остова) визначається з умов міцності та сполучення з іншими частинами машини: підшипниковими щитами, деталями повітроводу та ін.

Основні частини двигуна: статор, ротор та торцеві щити з підшипниками. Статор включає корпус 9, осердя 8, обмотку 7 і натискні шайби. Литий круглий корпус має внутрішні осьові ребра жорсткості, що утворюють канали для проходу повітря, що охолоджує статор. Для входу і виходу повітря кістяк має два люки. Вихідний люк забезпечений захисним кожухом, що оберігає від потрапляння всередину двигуна води (при миття візків).

Пакет статора набирають із листів електротехнічної сталі на спеціальні призми та закріплюють натискними шайбами. Обмотку статора (двошарову петлеву) укладають у пази сердечника статора і закріплюють у них ізоляційними клинами. Лобові частини котушки статора обмотки закріплюють конусними кільцями. Обмотаний статор обточують призмами і запресовують в корпус. Ізоляція від корпусу статора обмотки виконана з поліамідної плівки. Ротор включає вал 1, втулку (кістя) 5, сердечник 6" і обмотку 1/.

На вал напресована втулка у вигляді труби, а на неї - сердечник ротора, набраний з листів електротехнічної сталі. Коротко замкнута обмотка виконана у вигляді «біличної клітини» шляхом заливання пазів та торців сердечника алюмінієвим сплавом. Повітряний зазор між статором та ротором I,Г> мм Конструкція підшипникових вузлів подібна до підшипникових вузлів тягових електродвигунів постійного струму.

Збудники, допоміжні генератори та електродвигуни