Видеоканал РЦИТ на YouTUBE


Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru


ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
«Регионального Центра Инновационных Технологий»
 Тяговые электрические машины.
Учебное пособие
Главы 13 - 17


Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Электроподвижной состав»
Ю.А. Давыдов, А.К. Пляскин

 Тяговые электрические машины.
Учебное пособие

 Рекомендовано
Учебно-методическим объединением
в качестве учебного пособия для студентов
вузов железнодорожного транспорта

 СОДЕРЖАНИЕ

 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО И МИРОВОГО ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ
 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
 3. КОНСТРУКЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
   3.1. Способы подвешивания тяговых двигателей
   3.2. Кинематические схемы тяговых передач
   3.3. Элементы конструкции тягового двигателя постоянного тока
   3.4. Особенности конструкции тяговых двигателей переменного тока
   3.5. Особенности конструкции и перспективы применения линейных двигателей
 4. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
 5. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
 6. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
   6.1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей
   6.2. Магнитные и нагрузочные характеристики тягового электродвигателя
   6.3. Рабочие характеристики двигателей
   6.3.1. Электромеханические характеристики
   6.3.2. Электротяговые характеристики
   6.4. Коэффициент полезного действия и потери в двигателе
 7. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
 8. КОММУТАЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
   8.1. Критерии оценки качества коммутации
   8.2. Коммутация при установившихся процессах
   8.3. Электромагнитные причины искрения
 9. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ НА КОЛЛЕКТОРЕ
   9.1. Распределение индукции и напряжения
   9.2. Способы повышения потенциальной устойчивости
   9.3. Дополнительные полюса и компенсация ими реактивной эдс
   9.4. Компенсационная обмотка и ее влияние на потенциальные условия
   9.5. Круговой огонь на коллекторе тяговых двигателей
 10. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТОКА
   10.1. Внешние способы сглаживания пульсации
   10.2. Коммутация переменной составляющей тока
   10.3. Переменная составляющая момента
   10.4. Особенности коммутационного процесса двигателей пульсирующего тока
   10.5. Определение переменной составляющей екп
   10.6. Компенсация реактивной эдс дополнительными полюсами двигателей пульсирующего тока
   10.7. Способы улучшения коммутации тяговых двигателей пульсирующего тока
 11. НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
   11.1. Виды переходных процессов
   11.2. Влияние вихревых потоков в магнитопроводах на протекание переходных процессов
   11.3. Влияние индуктивности обмоток тяговых машин на переходные процессы
   11.4. Влияние параметров внешних цепей на переходные процессы
   11.5. Мероприятия, направленные на облегчение протекания переходных процессов
 12. НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
   12.1. Допустимые превышения температур
   12.2. Классическая теория нагревания однородного твердого тела
 13. ВЕНТИЛЯЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
   13.1. Самовентилирующиеся машины
   13.2. Независимая вентиляция
   13.3. Расчет вентиляции тяговых электрических машин
 14. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
   14.1. Асинхронные двигатели. Основные понятия.
   14.2. Принцип регулирования асинхронного тягового двигателя
   14.3. Формы фазных токов и напряжений АТД
   14.4. Моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка
   14.5. Коэффициент мощности и кпд АТД
 15. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И МАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
   15.1. Назначение и классификация вспомогательных машин
   15.2. Особенности конструкции вспомогательных машин электроподвижного состава постоянного тока
   15.3. Вспомогательные машины ЭПС переменного тока
   15.4. Мотор-вентиляторы
   15.5. Мотор-компрессоры
   15.6. Мотор-насосы
   15.7. Расщепители фаз
   15.8. Мотор-генераторы и генераторы управления
   15.9. Делители напряжения
 16. ИСПЫТАНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
 17. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
   17.1. Основные неисправности электрических машин
   17.2. Тяговый электродвигатель НБ-520В
 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


Тяговые электрические машины.
Учебное пособие


13. ВЕНТИЛЯЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

   Все потери в двигателе в конечном счете превращаются в тепло, которое необходимо отводить от частей машины, чтобы не вызвать перегрева и тех явлений о которых упоминалось выше. В настоящее время для тяговых двигателей используют воздушное охлаждение.

   Для тяговых электрических машин, установленных на ЭПС используют различные способы вентиляции, которые можно классифицировать по нескольким признакам.

   В зависимости от места установки вентиляторов и способов их вращения различают системы:
   1) независимой вентиляции;
   2) самовентиляции;
   3) смешанной вентиляции.

   При независимой вентиляции вентилятор устанавливается вне вентилируемой машины и приводится во вращение специальным двигателем. Как правило, это машина переменного тока мощностью 30…100 кВт.

   При самовентиляции вентилятор устанавливается на якоре вентилируемой машины и является элементом ее конструкции. Система смешанной вентиляции предполагает совместное использование обоих способов. Применяется она чрезвычайно редко.

   Прежде чем рассматривать подробности каждого вида вентиляции хотелось бы несколько слов сказать о том, как выбирается каждый вид.

   Принято считать, что независимую вентиляцию удобно использовать на электровозах, а самовентиляцию – на электропоездах. Это обусловливается режимами их работы. Электровоз на крутых затяжных подъемах реализует большие токи с низкой частотой вращения якоря тягового двигателя.

   При этом частота вращения в 1,8…2 раза ниже номинальной. В связи с этим, установленный на валу вентилятор был бы не эффективен. У мотор-вагонного подвижного состава режимы работы резко отличаются от электровозных и характеризуются,
   во-первых, большей скоростью,
   во-вторых, частыми интенсивными разгонами, а затем длительным движением на выбеге.
В этом случае вентилятор, установленный на валу, продолжает вращаться и интенсивно охлаждает двигатель. Хотелось бы отметить, что машины мощностью до 250 кВт всегда выполняют с самовентиляцией.

13.1. Самовентилирующиеся машины

   У самовентилирующихся машин различают два типа вентиляции:
   1) вытяжная вентиляция;
   2) нагнетательная вентиляция.

   При вытяжной вентиляции вентилятор устанавливается со стороны обратной коллектору и воздух засасывается через сетку или фильтр в около- коллекторное пространство, а далее протекает между полосами, по каналам якоря и выходит с противоположной стороны.

   При нагнетательной вентиляции воздух засасывается со стороны передачи и затем продувается сквозь двигатель. Достоинство – меньше шума. Несколько слов необходимо сказать о конструкции вентиляторов.

   Якорные вентиляторы выполняют практически всегда с прямыми радиальными лопатками. Это объясняется тем, что тяговые двигатели эксплуатации реверсируют, а подача воздуха должна оставаться постоянной.

   У вспомогательных машин применяют, наряду с прямыми лопатками, и изогнутые. По конструкции венца различают вентиляторы:
   1) c открытыми радиальными лопатками;
   2) c воздухо-направляющими кольцами;
   3) двухкамерные литые вентиляторы с консольными лопатками;
   4) двухкамерные сварные вентиляторы с центральным несущим диском;
   5) литые вентиляторы с удлиненными лопатками.

   На рис. 13.1 приведены примеры вентиляторов двух видов (первого и последнего).


Рис. 13.1. Конструкция якорных вентиляторов

   Все модификации вентиляторов направлены на улучшение аэродинамических свойств и на усиление конструкции. В этом плане хорошими показателями отличается последняя конструкция. Общее число лопаток вентиляторов от 11 до 25 шт.

   13.2. Независимая вентиляция

   Наиболее подробно остановимся на этом типе вентиляции, поскольку она применяется практически на всех современных тепловозах и электровозах.

   При независимой вентиляции воздух забирается из атмосферы и нагнетается по воздухопроводам в тяговую машину, поэтому при независимой вентиляции используют исключительно нагнетательную вентиляцию. По числу тяговых двигателей, обслуживаемых одним вентилятором различают:
   1) групповую систему независимой вентиляции;
   2) индивидуальную систему независимой вентиляции.

   Для равномерного распределения объема охлаждающего воздуха используют специальные заслонки, выравнивая ими сопротивление воздуховодов. При индивидуальной системе вентиляции каждый двигатель обдувается своим вентилятором, а при групповой – на несколько двигателей один вентилятор.

   Наиболее широкое распространение на ЭПС получила система разомкнутого цикла вентилирования. В этой системе воздух после тягового двигателя выбрасывается в атмосферу. Существует система полузамкнутого вентилирования, при которой часть воздуха используется неоднократно. Это помогает сохранить изоляцию защищая её от пыли, влаги и засоленности. Схема полузамкнутой вентиляции изображена на рис. 13.2.

   В разомкнутом цикле нет перемешивания свежего воздуха с прошедшим через двигатель, но в остальном все также.    Как видно из рисунка, воздух поступает со стороны коллекторной камеры.


Рис. 13.2. Системы полузамкнутой независимой вентиляции

   Это сделано по следующим причинам:
   1) удобнее подключать воздуховод;
   2) обеспечивается прохождение относительно большого количества воздуха внутри якоря;
   3) достигается более низкая температура петушков коллектора и его поверхности;
   4) обеспечивается более интенсивное дутье в камере коллектора, благодаря чему исключается скопление ионизированного воздуха и облегчается коммутация тягового двигателя. .

13.3. Расчет вентиляции тяговых электрических машин

   Поскольку машины в основном (за исключением подшипников) охлаждаются воздухом, пропускаемым через них, то эффективность вентиляции будет зависеть от объема охлаждающего воздуха. При этом все выделившееся тепло отдается этому воздуху. Учитывая изложенное,

(13.1)

   где ∆Р – потери мощности при продолжительном режиме без потерь в подшипниках, кВт;
   t – время, за которое рассматривается тепловой баланс, с;
   g – плотность воздуха, кГ/м3;
   τв – температура подогрева воздуха в машине, °С;
   Q – объемный расход воздуха, м3/с;
   с – удельная теплоемкость воздуха, с = 1 кВт·с/(кг·°С).

   Обычно считается (с учетом всех коэффициентов), что объемный расход воздуха при независимой вентиляции

(13.1)

   Как уже показывалось на рис. 13.2, поток воздуха разветвляется на две составляющие (по каналам якоря и между полюсов). Отношение этих потоков оценивается коэффициентом

(13.2)

тогда можно записать

(13.3)

   Считается, что скорость воздуха должна быть 10…12 м/с.

   Тогда статический напор воздуха при входе его в машину будет определяться аэродинамическим сопротивлением каналов протекания воздуха в машине и общим объемом протекающего по машине воздуха 

(13.4)

   Аэродинамическое сопротивление машины определяется по аналогии с электрическим сопротивлением, как сумма сопротивлений протеканию воздуха по отдельным участкам воздуховодов машины.

   Сопротивления участков Zi зависят от потерь напора на этом участке, сечения участка и плотности воздуха. Кроме сечения участка, все показатели зависят от формы участка и гладкости ее поверхностей.

   В заключение хотелось бы остановиться на перспективах вентиляции и общепромышленных способах вентиляции электрических машин. В крупных электрических машинах применяют замкнутую водородную вентиляцию. Водород имеет в 7,1 раза большую теплопроводность и в 1,3 раза больший коэффициент теплоотдачи. Это позволяет уменьшить нагрев, а значит потери, в том числе вентиляционные, приблизительно в 10 раз. 

   Дальнейшее совершенствование систем вентиляции связано с выполнением полых проводников и охлаждение их водородом или водой.

   Промышленные машины уникальной мощности охлаждаются гелием совместно с водородом или азотом. Так называемое криогенное охлаждение. Конечно, в существующих двигателях вряд ли могут быть использованы эти методы. Но для перспективного подвижного состава с линейными двигателями обычные воздушные системы не пригодны и на них будут использованы все указанные способы, вплоть до криогенного охлаждения.


14. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА    

   Необходимость в частом изменении скорости движения ЭПС требует использования в качестве электрического привода двигателей с высокой перегрузочной способностью, обладающих хорошими регулировочными свойствами. Этим требованиям отвечают двигатели постоянного тока. Однако, как уже отмечалось, в настоящее время промышленность подошла к предельным мощностям по условиям коммутации электромеханическим коммутатором, называемым – коллектором. Такой узел даже на тех мощностях, которые существуют, требует повышенного внимания, ухода, осмотра и т. д.

   В основном разработчики обратились к использованию в качестве тягового электродвигателя – электрической машины переменного тока, а именно к синхронным (вентильным) и асинхронным двигателям. Первые образцы ЭПС с асинхронными тяговыми двигателями созданы в 1970–1972 гг. и использовались, как правило, в научных целях. Первые серийные электровозы были выпущены в 1975–1980 гг.

   Почему же так слабо идет (или шло) развитие этого перспективного вида привода? Основное достоинство двигателей вентильных и асинхронных – это отсутствие коллектора. Но тогда, чтобы переключать (коммутировать) большие токи с фазы на фазу потребовался внешний электронный коммутатор, а промышленность ими не располагала. И только в последнее время, с развитием полупроводниковой техники и созданием мощных и надежных тиристоров, эти работы обрели техническую базу.

   Каковы же основные достоинства машин переменного тока:
   1) отсутствие электромеханического коммутатора;
   2) высокая надежность, из-за отсутствия коллектора и уменьшения в силовых цепях контактно-релейной аппаратуры;
   3) улучшение тяговых свойств электровоза благодаря жесткой характеристике электрической машины. Это уменьшает склонность к боксованию;
   4) резкое сокращение расхода меди при производстве тяговых двигателей. Позже, рассматривая конструкцию асинхронного тягового двигателя, будет детально рассмотрено за счет чего добиваются этого сокращения, а пока в двух словах – за счет исключения якорной обмотки, в том смысле, в котором мы это понимаем. При одинаковом моменте и частоте объем меди сокращается в 2…3 раза;
   5) существенное уменьшение массы и габаритов тяговых двигателей;
   6) автоматизация процессов управления режимами работы двигателей переменного тока.

   Эти преимущества и привлекают создателей ЭПС. В середине 80-х гг. ХХ в. рассматривался вопрос создания электровозов либо с вентильными (синхронными) тяговыми двигателями, либо с асинхронными машинами. Сравнительная оценка проектов склонила создателей к проектированию и строительству подвижного состава с асинхронными двигателями. С этим видом двигателя эксплуатируются на Российских железных дорогах высокоскоростные поезда, создан тепловоз «Витязь», планируются к серийному выпуску магистральные электровозы. В связи с этим рассмотрим теорию работы и конструкцию асинхронных тяговых двигателей.

14.1. Асинхронные двигатели. Основные понятия

   Бесколлекторные электрические двигатели переменного тока получили широкое применение в самых различных отраслях техники благодаря простоте устройства. Электродвигатели переменного тока, как и двигатели постоянного тока, представляют собой электрические машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую. Однако в способах осуществления этого принципа в электродвигателях двух типов имеются существенные различия.

   В электродвигателях переменного тока используется вращающееся магнитное поле. Поместим в это поле проводник в виде замкнутой рамки на оси (рис. 14.1). Оси вращения магнитного потока и рамки должны совпадать. Магнитный поток, пересекая рабочие стороны рамки, будет индуктировать в них эдс, как в любом электрическом генераторе.


Рис. 14.1. Схема простейшего электродвигателя переменного тока

   Согласованная эдс в рабочих сторонах приведет к возникновению электрического тока в замкнутой рамке. Этот ток взаимодействует с магнитным полем. Образуется пара сил, которая создает вращающий момент, заставляющий рамку поворачиваться вслед за магнитным полем. Таким образом, в электродвигателе переменного тока вращающийся магнитный поток полюсов статора индуктирует в замкнутых рамках, образующих витки обмотки ротора, электрический ток. Здесь ротор приводится во вращение теми же силами взаимодействия магнитного поля и тока, как и якорь в двигателях постоянного тока, но отпадает необходимость в подводе тока от внешнего источника к вращающейся обмотке, а значит, и надобность в коллекторе. Частота вращения ротора такого электродвигателя окажется несколько меньше частоты вращения магнитного поля. Только при этом условии магнитные силовые линии будут пересекать проводники, образующие витки, и, следовательно, в витках возникнет ток, взаимодействующий с магнитным полем. Если частоты вращения поля и витков будут одинаковыми, то магнитное поле не будет пересекать проводников, исчезнет ток в витках, являющийся причиной вращения ротора. Поэтому ротор и магнитное поле вращаются не с одинаковой частотой, т. е. вращаются несинхронно (асинхронно). Электрические двигатели, работающие по рассмотренному принципу, получили название асинхронных.

   Различие частоты вращения магнитного поля и ротора характеризуют скольжением. Численно скольжение S представляет собой отношение разности частот вращения магнитного поля и ротора к частоте вращения магнитного поля. Рассмотренное выше устройство, обеспечивающее вращение ротора, еще не является электродвигателем, так как требует механического вращения статора. В электродвигателе вращающееся магнитное поле должно создать непосредственно электрический ток. Вращающееся магнитное поле может быть получено с помощью многофазного тока.

   Физический процесс образования намагничивающей силы в асинхронных двигателях аналогичен процессу в вентильном двигателе, но отличается от него тем, что ток идет сразу по трем фазам, правда, в двух фазах ток вполовину меньше, чем в одной. В тяговом электромашиностроении преимущественное применение нашли двигатели с короткозамкнутым ротором.

   Конструктивное исполнение машины было рассмотрено ранее, поэтому остановимся на образовании намагничивающей силы и форм фазных токов и напряжений.

14.2. Принцип регулирования асинхронного тягового двигателя

   Не зависимо от тягового двигателя на электроподвижном составе обеспечиваются основные зависимости: тяговые характеристики и характеристики мощности. Примерный их вид для обеспечения нормальной работы в режиме пуска и движения должен быть следующий (рис. 14.2).

   Причем точка 1 соответствует номинальной мощности, которая поддерживается до точки 2.

   От точки 2 до точки 3, как видно из рис. 14.2, мощность падает, однако, это скорее затруднение двигателей постоянного тока, чем АТД. Дело в том, что реализация больших мощностей в области высоких скоростей связана с ухудшением условий коммутации и именно этими условиями ограничена.

   Так же, как и у коллекторных двигателей, регулирование может осуществляться с помощью двух параметров: питающего напряжения U1 и частоты f1, примерно пропорциональной скорости движения. Графики входных параметров АТД характерны для электровоза (рис. 14.3).


Рис. 14.2. Тяговые характеристики и характеристики мощности АТД


Рис. 14.3. Параметры АТД, характерные для электровоза

   Применительно к асинхронным нерегулируемым двигателям U1 = const; f1 = const и все остальные параметры также постоянны.

   АТД призваны работать при широком изменении вращающего момента напряжения, частоты, потока и т. д. В этих условиях большинство параметров становится переменным, зависящими от потока, а также от U1 и частот f1 и f2, где f2 – частота скольжения.

   Сделаем некоторый экскурс в теорию работы электрических машин. Для этого рассмотрим работу асинхронных машин в двигательном режиме (рис. 14.4).


Рис. 14.4. Принцип работы АТД в двигательном режиме

   Учитывая, что ротор и поле, создаваемое трех- или многофазной статорной обмоткой, вращаются несинхронно, поле статора, взаимодействуя с токами, индуктированными им в короткозамкнутой обмотке ротора, создают электромагнитный момент.

   Многофазная обмотка статора, обтекаемая переменными токами частоты f1 образует электромагнит в каждый момент времени, ось  F1 которого вращается с угловой скоростью

 (14.1)

   где р – число пар полюсов.

   Это магнитное поле увлекает за собой короткозамкнутый ротор, который в двигательном режиме вращается с несколько меньшей угловой скоростью

 (14.2)

   причем

 (14.3)

   где величина     и есть скольжение.

   Магнитное поле обгоняет ротор с угловой скоростью

 (14.4)

   и индуктирует в его обмотке эдс, частота которой

   или

 (14.6)

   отсюда

 (14.7)

   или

 (14.8)

   Из формулы видно, что

 (14.9)

   Многофазовая обмотка ротора создает вращающееся магнитное поле с осью F2 за счет поля статора.
   Это поле вращается вслед за обмоткой ротора с угловой скоростью

 (14.10)

   между этими векторами есть угол ΘF . Таким образом, магнитное поле статора вращается в пространстве одновременно с обмоткой ротора, опережая его на некоторый угол (по векторам).

 

   При взаимодействии электромагнитов ротора и статора и возникает момент

 (14.11)

   или

 (14.12)

   где к – коэффициент, характеризующий конструкционные особенности машины.

   Исходя из сказанного, можно сделать выводы:
   1) основное магнитное поле машины, вращающееся в пространстве с угловой скоростью Ω1, создается неподвижной многофазной статорной обмоткой, обтекаемой токами частоты f1. При этом ток в обмотке статора зависит от нагрузки машины;
   2) ротор вращается несинхронно с основным магнитным полем. При этом угловая скорость ротора зависит от нагрузки, т. е. от момента на валу машины;
   3) электрическая энергия подводится к асинхронному двигателю только со стороны статора, роторная же обмотка замкнута накоротко и токи в ней индуцируются основным магнитным полем.

   Уравнения электромагнитного момента лишний раз это подтверждают, поскольку индуктивные сопротивления зависят от частоты вращения поля статора, а также от величины скольжения.

   Рассмотрим теперь зависимости магнитного потока Ф, эдс Е1 и частоты тока ротора f2 от скорости движения (рис. 14.5).

   Для сохранения значительной силы тяги в зоне скоростей от 0 до  Vном необходимо иметь постоянный наибольший электромагнитный момент.

   Для того чтобы это реализовать необходимо осуществлять запуск с максимальным магнитным потоком. В конечном счете должно быть выдержано соотношение

 (14.13)

   Эдс при скоростях близких к Vном мало отличается от напряжения U1, однако, в области малых скоростей – это заметно.

   Для улучшения процесса пуска желательно сохранить ток I1 неизменным.

   При скоростях движения больше Vном мощность может поддерживаться постоянной

(14.14)

   т. е. магнитный поток будет уменьшаться с ростом частоты. Если же сохранить постоянной частоту вращения ротора, то уменьшение потока приведет к снижению тока в роторной и статорной обмотках, а следовательно, к снижению мощности.

   Для пассажирских и грузовых электровозов вопрос поддержания скорости или мощности решается поразному. Для пассажирских электровозов требуется наращивать мощность и скорость вплоть до Vконстр. Для грузовых электровозов, в соответствии с их тяговой характеристикой, надобности в поддержании мощности вплоть до Vконстр. нет, поэтому можно допустить снижение тока за счет поддержания частоты вращения f2 = const.

   Имея основные соотношения АТД, можно, оперируя тремя параметрами, регулировать мощность. Контролируется обычно частота вращения

 (14.15)

   где f1 – частота вращения поля статора задается такой, чтобы обеспечить необходимое значение f2 и n. Вторая регулирующая величина U1.


Рис. 14.5. Зависимости магнитного потока, эдс от скорости движения

   Для того чтобы оценить регулировочные свойства тяговых асинхронных двигателей приведем еще одно выражение, определяющее электромагнитный момент на валу двигателя, которое отличается от ранее записанных лишь по форме

(14.16)

   где Кв = 1,05...1,11  – коэффициент формы поля.

   Последняя дробь в этом выражении есть не что иное, как cosψ22 / r2 .

   Из приведенного уравнения (14.16) видно, что один и тот же момент может быть получен для различных сочетаний тока, а значит, частоты и магнитного потока

 (14.17)

   что позволяет поддерживать постоянный момент, стремясь к оптимизации по току. Тем самым сокращаются потери.

   Широко распространен закон регулирования асинхронного частотно-регулируемого двигателя, установленный академиком М.П. Костенко

(14.18)

   где U1, f1, М1 – текущее значение напряжения частоты и вращающего момента; U, f, М – номинальные значения этих же величин.

   Из последнего уравнения можно сделать вывод, что для поддержания во всех режимах значительного момента при регулировании частоты f1, необходимо иметь значительный магнитный поток, значение которого обеспечивается подводимым напряжением.

14.3. Формы фазных токов и напряжений АТД

   Идеальная форма фазных токов может быть изображена следующим образом:
   - для инвертора тока (рис. 14.6);
   - для инвертора напряжения (рис. 14.7)

   Формирование трехфазной системы токов в трехфазной обмотке (рис. 14.7) обеспечивается следующим образом: по одной из обмоток протекает ток  Id , по двум другим – ток  Id / 2 . Принятие той или иной формы тока неизбежно приведет к созданию вполне определенной аппаратуры управления и инвертора.


Рис. 14.6. Идеальная форма фазного тока инвертора тока


Рис. 14.7. Идеальная форма фазного тока инвертора напряжения

   В реальных условиях, в последней схеме, так же как и в рассматриваемой ранее, процесс изменения тока будет носить не мгновенный характер.

   С учетом конечного времени коммутации форма фазных токов будет иметь вид для инверторного тока (рис. 14.8). <   Провалы в форме напряжения происходят из-за коммутации токов. Для инвертора напряжения наиболее вероятную форму фазного тока можно получить наложением кривой фазной эдс на идеализированную форму фазного напряжения (в идеальном случае форма фазной эдс аналогична форме фазных токов) (рис. 14.9).


Рис. 14.8. Формы фазных токов и напряжений


Рис. 14.9. Осциллограммы фазных напряжений и токов двигателя НБ-602

   Из осциллограмм и предыдущих построений видно, что на несущую гармонику накладываются высшие гармонические составляющие 92…100 Гц.

   Любые высшие гармонические составляющие ведут к добавочным потерям. На современном уровне преобразовательной техники можно существенно снизить высшие гармоники тока, введя в преобразователь широтно-импульсную модуляцию напряжения. Однако это заметно усложняет и удорожает конструкцию, снижая кпд привода. <   Для идеализированной формы фазного напряжения Uф спектральный ряд высших гармоник можно определить разложением Uф в ряд Фурье

  (14.19)

   Параметры высших гармонических составляющих позволяют определить потери искажения формы кривых. Кроме того, они необходимы для определения моментов АТД. Хотелось бы отметить, что содержание высших гармоник не падает по мере увеличения номера гармоники, а носит переменный характер. Для двигателя НБ602 отношение высшей гармоники напряжения к основной (для приведенных осциллограмм) имеет значение, показанные в табл. 14.1.

Таблица 14.1. Пример гармонического состава кривой фазного напряжения

 Номер
гармоники
1 5 7 11 13 17 19
Uv/U1 0,95 0,19 0,136 0,86 0,7 0,55 0,5

   Таким же образом можно определить гармонический состав токов. Имея такие исходные данные (табл. 14.1), можно рассчитать электромагнитные моменты.

   Электромагнитные моменты в асинхронных тяговых двигателях различаются:
   1) на основной постоянный момент от первых гармоник тока и магнитного потока;
   2) постоянные моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка;
   3) постоянные моменты от высших пространственных гармоник поля;
   4) знакопеременные моменты от высших временных гармоник тока и первой гармоники потока.

   Момент от первой гармоники тока и потока

  (14.20)

   где р – число пар полюсов;
   m1, ω1 – число фаз и число витков статорной обмотки; ;
   Коб1  – обмоточный коэффициент статорной обмотки;
   Ф – магнитный поток;
   I' – ток ротора, приведенный к обмотке статора;
   ψ2 – угол между вектором тока I' и перпендикуляром к вектору потока Ф.

14.4. Моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка а

   Токи высших гармоник обмотки статора создают магнитные потоки гармоник тех же номеров и соответствующие им токи в обмотке ротора. От взаимодействия токов и потоков одинаковых номеров возникают постоянные моменты, которые действуют как согласно, так и встречно основному моменту, это видно из разложения Uф в ряд Фурье.

   Моменты можно определить аналогично основному моменту

 (14.21)

   Обычно эти моменты не велики, а суммарный эффект незначителен, и ими пренебрегают.

   Моменты от высших пространственных гармоник поля возникают при питании асинхронных двигателей синусоидальным током. Появляются они из-за зубчатой структуры статора. В связи с этим применяют скосы пазов и оригинальные способы регулирования. Допустим, частотное регулирование позволяет почти полностью компенсировать эти моменты. В связи с последним, их, как правило, не учитывают.

   Знакопеременные моменты от высших гармоник тока и первой гармоники потока, в отличие от предыдущих, могут быть значительными и определяться как

 (14.22)

   в этом выражении

   где r1 , r'2 , x1 , x'2 – активные и индуктивные сопротивления статорной и приведенные роторной к статорной обмоток.

   Эти моменты наиболее существенны в момент пуска, когда частота питающего напряжения 1 Гц, а частота переменного момента 5…6 Гц. Может наблюдаться раскачивание остова.

   Эксперименты показывают, что уменьшения переменного момента при пуске можно добиться, уменьшая амплитуды высших гармоник, либо повышая пусковую частоту.

14.5. Коэффициент мощности и кпд АТД

   Высшие гармоники тока статора создают потоки рассеяния статорной обмотки, потоки взаимной индукции, обусловливающие ток ротора, в свою очередь, вызывающий поток рассеяния роторной обмотки. Эти поля снижают коэффициент мощности АТД, который определяется

(14.25)

   В числителе выражения сумма активных мощностей для гармоник от 1 до 17. В знаменателе – полная мощность АТД от этих гармоник.

   С помощью ЭВМ разложить кривые напряжения и тока в ряд Фурье не представляется затруднительным. При этом можно определить как амплитуды гармоник, так и их фазовый сдвиг cosφv – относительно первой гармоники.

   Коэффициент полезного действия асинхронного тягового двигателя с учетом потерь от всех гармоник

  (14.26)

   где Р1v – подведенная мощность от всех гармоник; ∆Рмv , ∆Рcv , ∆Рдобv , ∆Рмехv – электрические, магнитные, добавочные и механические потери в АТД соответствующих временных гармоник.

   Поскольку было установлено, что высшие гармоники практически не участвуют в создании момента, а лишь обусловливают добавочные потери, то без серьезного отклонения от истины можно записать

(14.27)

   Формула аналогична двигателям постоянного тока за исключением числа фаз (3) и cosφ1 , угол между U и I (cosφ1 ).


15. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И
МАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ  

 


16. ИСПЫТАНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН   

 


17. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И
РЕМОНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН  

17.1. Основные неисправности электрических машин

   В процессе эксплуатации электровозов состояние тяговых двигателей постепенно, но неуклонно ухудшается, что может привести к отказу локомотивов и в более серьезных случаях к авариям различной степени тяжести. Таблица 17.1. Межремонтные пробеги двигателей

Электрическая машина Наименование обслуживания
ТО-1 ТО-2 Пробег, тыс. км
ТО-3  ТР-1 ТР-2 ТР-3
Тяговый электродвигатель
НБ-520В
При смене
локомотивных бригад
48 ч - 25 200 600
Асинхронный электродвигатель
АНЭ 225L4
При смене
локомотивных бригад
48 ч 30 150 300 600

   Условия работы тяговых двигателей уже рассматривались ранее.

   Возникающие повреждения могут выявляться локомотивными бригадами в процессе эксплуатации или в стационарных условиях при техническом обслуживании или ремонте в депо.
   В первом случае повреждения определяются обычно визуально,
   а во втором – с применением различных контрольно-измерительных приборов и диагностических устройств.

   К основным неисправностям тяговых машин, возникающим в процессе эксплуатации можно отнести:
   – старение изоляции и, как следствие, ее пробой;
   – обрывы проводников;
   – межвитковые замыкания катушек;
   – выплавление припоя из петушков коллектора;
   – размотка бандажей;
   – разрушение подшипников;
   – излом вала якоря;
   – появление на рабочей поверхности коллектора чрезмерных выработок;
   – ослабление креплений деталей и узлов;
   – излом пружин в щеткодержателях

   К основным неисправностям вспомогательных машин относятся:
   – обрыв витков;
   – межвитковые замыкания.

   Методы выявления мест коротких замыканий (КЗ) и обрывов различны. Места КЗ в депо первоначально пытаются установить по записи, сделанной машинистами в Журнале технического состояния локомотива формы ТУ-152. Подозрительное место внимательно осматривают, уточняют по следам копоти, брызгам металла и по возможному запаху горелой изоляции. При недостаточности этих признаков выполняют проверку мегомметром.

   Для уточнения места повреждения зону поиска постепенно сужают, разделяя проверяемую цепь на отдельные участки, отключая отдельные последовательно включенные в эту цепь аппараты или устанавливая между контактами изоляцию. В ряде случаев цепь приходится делить на участки разъединением кабелей, проводов или шин.

   Механические повреждения электрических машин постоянного тока возникают в эксплуатации даже при нормальных условиях работы. Наиболее интенсивно изнашиваются щетки, рабочая поверхность коллектора и внутренние стенки окон щеткодержателей. У машин с односторонним вращением якоря (вспомогательные машины на ЭПС постоянного тока) возможно заедание щетки в окне корпуса щеткодержателя, которое сопровождается потерей контакта щетки с коллектором, повышением сопротивления в переходном контакте, повышенным нагревом, что иногда приводит к разрушению щетки.

   Реже наблюдаются размотка бандажей якоря;
   задир или рассыпание коллектора;
   излом деталей щеткодержателей;
   обрыв болтов полюсов и кронштейнов щеткодержателей,
   трещины в остовах, порча подшипников и ослабление крепления подшипникового щита,
   излом вала якоря;
   задир коллектора в результате попадания на него посторонних деталей или излома деталей щеткодержателя.

   Рассыпание коллектора, т. е. возвышение над рабочей поверхностью коллектора одной или нескольких пластин, устранить в условиях эксплуатации нельзя. Электродвигатель должен быть направлен на завод для ремонта со снятием обмотки и замены коллектора.

   Ослабление посадки подшипникового щита выявляют визуально при обнаружении следов ржавчины по наружному контуру прилегания щита и ослабления крепежных болтов.

   О повреждении подшипников якоря в эксплуатации обычно свидетельствуют следы нагрева крышки подшипника и попадание смазки во внутрь остова. Для уточнения наличия данного повреждения в депо колесную пару с тяговым электродвигателем вывешивают, подставляя под ее буксы домкраты, и к тяговому электродвигателю подводят пониженное напряжение (около 100 В). При вращении якоря с поврежденным подшипником прослушивается характерный шум. Для более точного контроля можно использовать стетоскоп или различные приборы вибродиагностики. При значительном повреждении подшипника происходит просадка вала, которую можно выявить с помощью пластинчатого или шарикового щупа.

   Повреждения механической части вспомогательных машин постоянного тока аналогичны. У асинхронных электродвигателей в эксплуатации каких-либо неисправностей механической части, кроме повреждения подшипников ротора, как правило, не возникает.

   Каждый случай установки или снятия электрической машины следует отметить в ее паспорте и учетной документации депо с указанием даты, причины снятия и объема проведенной работы, номера и серии локомотива, на который она устанавливается, и его пробега от начала эксплуатации.

   При заклинивании зубчатой передачи или ослаблении посадки (появляется проворот или наблюдается спрессовка) шестерни на валу тягового электродвигателя, поврежденный колесно-моторный блок заменяют новым. На снятом тяговом электродвигателе выполняется ревизия подшипниковых узлов в объеме среднего ремонта.

17.2. Тяговый электродвигатель НБ-520В В

   Техническое обслуживание ТО-2

   Процедура технического обслуживания и ремонта тягового электродвигателя, установленного на электровозе ЭП1 достаточно типовая и в значительной мере необходима для других машин.

   ТО-2 включает следующие работы:
   – проверку надежности крепления крышек коллекторных люков;
   – определение отсутствия зазоров в соединительных частях;
   – осмотр коллектора, кронштейнов и пальцев щеткодержателей, межкатушечных соединений, бандажей якоря;
   – определение температуры нагрева частей (для якорных подшипников не более 80 °С);
   – проверку крепления кабельных наконечников;
   – проверку уплотнений;
   – оценку целостности брезентовых суфле;
   – измерение сопротивления изоляции в зимнее время.

   При необходимости производится замена щеток. На двигателе НБ-520В применяются щетки ЭГ-61А.

   Текущий ремонт ТР-1

   Текущий ремонт ТР-1 дополнительно к работам по ТО-2 требует выполнения следующих работ:
   – проверку сопротивления изоляции обмоток;
   – сушку двигателей, имеющих сопротивление изоляции ниже установленной нормы;
   – осмотр остова и подшипниковых щитов на отсутствие трещин;
   – проверку состояния изоляторов, надежность их крепления к остову;
   – измерение нажатия пружин щеткодержателей;
   – определение соответствия геометрических размеров допускам (перекос шеткодержателей, глубина выработки коллектора, продорожка);
   – проверку установки щеток на геометрическую нейтраль.

   Изоляторы и пальцы протирают безворсовой салфеткой, смоченной в бензине. Изоляторы с повреждением глазури свыше 20% длины заменяют, при меньших повреждениях разрешается их покрытие электроизоляционной эмалью ГФ-92ХС или КО-983.

   Коллектор и его корпус протирают для удаления пыли, проверяют биение коллектора. При сколах щеток и следах кругового огня на коллекторе устраняют следы переброса электрической дуги. При необходимости зачищают и окрашивают корпус коллектора изоляционной эмалью. Проводят зачистку и шлифовку коллектора на вращающемся якоре, затем тяговый двигатель продувают сжатым воздухом давлением 0,25...0,30 МПа и проверяют сопротивление изоляции, которое должно быть не менее установленных норм.

   Текущий ремонт ТР-2

   Текущий ремонт ТР-2 производится на снятом с электровоза двигателе и предусматривает дополнительно к указанным выше работам съем с двигателя щеткодержателей для производства ревизии.

   После ревизии и установки щеткодержатели регулируют на гребенке по высоте. Расстояние нижней части щеткодержателя от поверхности коллектора должно выдерживаться в пределах 3±1 мм, так как при большем зазоре возможна вибрация щеток. На поверхности щеткодержателя не допускается наличие заусенцев, следов перебросов, трещин. Поврежденные корпуса и пальцы щеткодержателей заменяют новыми.

   Допустимая разность расстояний между щетками соседних щеткодержателей составляет не более 1,5 мм.

   Щетки со сколами, трещинами и предельным износом по высоте заменяют. При замене щеток предварительно следует пришлифовать их на специальном приспособлении, обеспечив прилегание не менее 75 % площади контактной поверхности каждой щетки. При отсутствии приспособления допускается проводить пришлифовку щеток мелкозернистой шлифовальной бумагой непосредственно в электродвигателе с обязательной продувкой после этого коллекторной камеры при открытых люках сухим сжатым воздухом давлением от 0,25 до 0,30 МПа. Применять для этой цели крупнозернистую шлифовальную бумагу не допускается, так как крупные частицы абразивного материала могут попасть на рабочую поверхность коллектора и повредить ее. При разрезных щетках давление нажимного пальца на обе половинки должно быть равномерным. Не допускаются перекос щеток, сколы, неравномерный или предельный износ по высоте.

   Нажимные пальцы должны поворачиваться вокруг осей без заеданий. Перемещение щеток в гнездах должно быть свободным, без заеданий, но исключающим их перекос. Давление на щетки одного щеткодержателя и щеткодержателей одной полярности во избежание неравномерного распределения тока не должно отличаться более чем на 10 %.

   После замены элементов щеточного аппарата двигателя поворотом траверсы щетки выставляют на нейтраль.

   Проверяют также состояние перемычек. При обрыве более 15 % нитей проводов перемычки заменяют.

   В случае повреждении слоя резиновой изоляции проводов разрешается ее восстановление с применением ленты натуральной резины и лакоткани. Обнаруженные перетирания вязок восстанавливают. Причины, вызвавшие перетирание изоляции кабелей, устраняют, усиливают изоляцию.

   При обнаружении влаги в изоляции ее сушат. Болты протягивают при их ослабления.

   Текущий ремонт ТР-3

   Основные этапы ТР-3 [10]:
   – разборка тягового электродвигателя со снятием резинокордной муфты, подшипниковых щитов, выемкой торсионного вала и якоря;
   – ремонт катушек полюсной системы остова, имеющих поврежденную изоляцию, с частичной или полной (при необходимости);
   – разборка полюсной системы, частичной или полной (при необходимости) заменой изоляции;
   – ремонт механической части остова с исправлением дефектных резьбовых и проходных отверстий;
   – ремонт моторно-якорных подшипников, подшипниковых щитов и их крышек, лабиринтовых колец, крышек коллекторных люков и масленок, сеток, крепежных и других деталей;
   – ремонт механической части якоря с заменой (при необходимости) зубчатого венца зубчатой муфты передаточного механизма, с восстановлением натягов сопрягаемых деталей;
   – восстановление прочности крепления якорной обмотки с заменой ослабших клиньев и поврежденных стеклобандажей, осуществление проточки, продорожки, снятия фасок и шлифовки коллектора;
   – очистка якоря от эксплуатационных загрязнений, проверка и восстановление (при необходимости) сварных соединений обмотки якоря с коллектором;
   – вакуум-нагнетательная или ультразвуковая пропитка якоря, проверка электрической прочности изоляции;
   – динамическая балансировка якоря;
   – ремонт щеткодержателей с разборкой и заменой негодных деталей или установка новых щеткодержателей;
   – ремонт якорных подшипников качения или замена вышедших из строя новыми;
   – сборка узлов и электродвигателей в целом, приемосдаточные испытания на стенде испытательной станции;
   – восстановление маркировки, отделка и окраска.

   При неудовлетворительном состоянии обмоток и любых пробегах – остов ремонтируется капитальным ремонтом с полной сменой изоляции поврежденных катушек полюсов и компенсационных обмоток. Якорь заменяется новым.

   Более подробно порядок разборки-сборки двигателя определяется инструкцией на каждую марку электрической машины.

   Как правило, при разборке и сборке используют гидравлические прессы, краны, индукционные нагреватели.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ  

   Эксплуатация и ремонт тяговых электрических машин в условиях непрерывного увеличения массы и длины поезда является важнейшей задачей, которая связана с безопасностью и надежностью перевозок.
   В настоящее время на электровозах и тепловозах в массовом порядке эксплуатируются двигатели постоянного, пульсирующего тока.
   Выпущены новые виды подвижного состава с асинхронными двигателями. Знания электромагнитных процессов в этих электрических машинах, их конструкции, техники и технологии ремонта позволят специалистам обеспечить качество ремонта и безаварийную эксплуатацию тяговых и вспомогательных машин.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

   1. Курбасов, А.С. Проектирование тяговых электродвигателей : учеб. пособие для вузов ж.д. транспорта / А.С. Курбасов, В.И. Седов, Л.Н. Сорин; под. ред. А.С. Курбасова. – М. : Транспорт, 1987.

   2. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины / под ред. В.И. Комарова и В.П. Умова. – М. : Энергоатомиздат, 1992.

   3. Захарченко, Д.Д. Тяговые электрические машины и трансформаторы / Д.Д. Захарченко, Н.А. Ротанов, Е.В. Горчаков; под ред. Д.Д. Захарченко. – М. : Транспорт, 1992.

   4. Проектирование тяговых электрических машин : учеб. пособие для вузов ж. д. транспорта / под ред. М.Д. Находкина. – М .: Транспорт, 1976.

   5. Тяговые электрические машины и преобразователи. – Л. : Энергия, 1977.

   6. Давыдов, Ю.А. Тяговые электрические машины : метод. указания для выполнения курсового проекта / Ю.А. Давыдов. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 1999. – 24 с.

   7. Кацман, М.М. Электрические машины / М.М. Кацман. – М. : Высш. шк., 1990.

   8. Алексеев, А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи / А.Е. Алексеев. – Л. : Энергия, 1977.

   9. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины / В.И. Бочаров [и др.]. – М. : Энергоатомиздат, 1992. – 464 с.: ил.

   10. Грищенко, А.В. Новые электрические машины локомотивов : учеб. пособие для вузов ж.-д. транспорта / А.В. Грищенко, Е.В. Казаченко. – М. : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2008. – 271 с.


<<< | ОГЛАВЛЕНИЕ | >>>


Давыдов Ю.А.
 Тяговые электрические машины. Учебное пособие
Хабаровск. Издательство ДВГУПС. 2013