Тяговый двигатель - Traction motor

А тяговый двигатель является электрический двигатель используется для приведения в движение транспортного средства, например локомотивы, электрический или же водородные автомобили, лифты или же электрический многоканальный блок.

Тяговые двигатели используются в рельсовых транспортных средствах с электрическим приводом (электрические несколько единиц ) и другие электрические транспортные средства в том числе электрические поплавки для молока, лифты, американские горки, конвейеры, и троллейбусы, а также автомобили с системами электропередачи (Дизель-электрические локомотивы, электрический гибридные автомобили ), и аккумуляторные электромобили.

Типы двигателей и управление

Двигатели постоянного тока с серией обмотки возбуждения являются старейшим типом тяговых двигателей. Они обеспечивают характеристику крутящего момента, полезную для движения, обеспечивая высокий крутящий момент на более низких скоростях для ускорения транспортного средства и снижая крутящий момент при увеличении скорости. Благодаря расположению обмотки возбуждения с несколькими ответвлениями можно изменять характеристики скорости, что позволяет оператору относительно плавно управлять ускорением. Еще одна мера контроля обеспечивается использованием пар двигателей на автомобиле в последовательно-параллельное управление; для медленной работы или высоких нагрузок два двигателя могут работать последовательно от источника постоянного тока. Если требуется более высокая скорость, эти двигатели могут работать параллельно, обеспечивая более высокое напряжение на каждом из них и, таким образом, обеспечивая более высокие скорости. Части железнодорожной системы могут использовать разные напряжения, с более высоким напряжением на больших расстояниях между станциями и более низким напряжением около станций, где требуется только более медленная работа.

Вариантом системы постоянного тока является двигатель серии переменного тока, также известный как универсальный мотор, который по сути является тем же устройством, но работает на переменный ток. Поскольку и якорь, и ток возбуждения меняются одновременно, поведение двигателя аналогично тому, когда он запитан постоянным током. Чтобы добиться лучших условий эксплуатации, на железные дороги переменного тока часто подается ток по более низкой цене. частота чем коммерческий источник питания, используемый для общего освещения и электроснабжения; специальный тяговый ток электростанции, или роторные преобразователи используется для преобразования коммерческой мощности 50 или 60 Гц в 25 Гц или16 2⁄3 Частота Гц, используемая для тяговых двигателей переменного тока. Система переменного тока позволяет эффективно распределять мощность по всей длине железнодорожной линии, а также позволяет управлять скоростью с помощью распределительного устройства на транспортном средстве.

Асинхронные двигатели переменного тока и синхронные двигатели просты и не требуют особого обслуживания, но неудобны для применения в тяговых двигателях из-за их фиксированной характеристики скорости. Асинхронный двигатель переменного тока вырабатывает полезную мощность только в узком диапазоне скоростей, который определяется его конструкцией и частотой источника питания переменного тока. Появление силовые полупроводники позволил разместить частотно-регулируемый привод на локомотиве; это позволяет использовать широкий диапазон скоростей, передачу мощности переменного тока и надежные асинхронные двигатели без изнашиваемых деталей, таких как щетки и коммутаторы.[1]

Транспортные приложения

Дорожная техника

Смотрите также: Гибридный электромобиль и аккумулятор электромобиль

Традиционно в дорожных транспортных средствах (легковые автомобили, автобусы и грузовики) использовались дизельные и бензиновые двигатели с механической или гидравлической трансмиссией. Во второй половине 20-го века автомобили с системами электропередачи (с питанием от двигатель внутреннего сгорания, батарейки или топливные элементы ) начали разрабатываться - одно из преимуществ использования электрических машин состоит в том, что определенные типы могут регенерировать энергию (т.е. действовать как регенеративный тормоз ) - обеспечение замедления, а также повышение общей эффективности за счет зарядки аккумуляторной батареи.

Железнодорожные пути

Швейцарский Ретийская железная дорога Ge 6/6 I Крокодил локомотив, с одним большим тяговым двигателем над каждой тележкой, с приводом от соединительных тяг.

Традиционно это были щеточные электродвигатели постоянного тока с последовательной обмоткой, обычно работает примерно от 600 вольт. Наличие мощных полупроводников (тиристоры и IGBT ) теперь стало практичным использование гораздо более простых и надежных AC асинхронные двигатели известные как асинхронные тяговые двигатели. Синхронные двигатели переменного тока также иногда используются, например, во французском TGV.

Монтаж двигателей

До середины 20 века один большой двигатель часто использовался для привода нескольких ведущие колеса через шатуны которые были очень похожи на те, которые использовались на паровозы. Примерами являются Пенсильванская железная дорога DD1, FF1 и L5 и различные Швейцарские крокодилы. В настоящее время стандартной практикой является использование одного тягового двигателя, приводящего в движение каждую ось через зубчатую передачу.

Тяговый мотор с носовой подвеской для чеха ČD класс 182 локомотив

Обычно тяговый двигатель подвешивается на трех точках между тележка рама и ведомый мост; это называется «тяговый двигатель с носовой подвеской». Проблема с такой компоновкой заключается в том, что часть веса двигателя снижается. неподрессоренный, увеличивая нежелательные силы на трассе. В случае знаменитой Пенсильванской железной дороги GG1, два двигателя на тележке приводили в движение каждую ось через гусиный привод. "Биполярный "электровозы, построенные General Electric для Milwaukee Road имел двигатели с прямым приводом. Вращающийся вал двигателя был также осью для колес. В случае французского TGV силовые машины двигатель, установленный на раме силового автомобиля, приводит в движение каждую ось; привод «тренога» обеспечивает небольшую гибкость трансмиссии, позволяя тележкам грузовиков поворачиваться. За счет установки относительно тяжелого тягового двигателя непосредственно на раму силового автомобиля, а не на тележку, достигается лучшая динамика, позволяющая работать на высоких скоростях.[2]

Обмотки

Электродвигатель постоянного тока долгие годы являлся основой электрических тяговых приводов электрических и дизель-электрических локомотивов, трамваев и дизель-электрических буровых установок. Он состоит из двух частей: вращающегося якоря и неподвижных обмоток возбуждения, окружающих вращающийся якорь, установленный вокруг вала. Фиксированные обмотки возбуждения состоят из плотно намотанных катушек провода, помещенных внутри корпуса двигателя. Якорь представляет собой еще один набор катушек, намотанных вокруг центрального вала и соединенных с обмотками возбуждения через «щетки», которые представляют собой подпружиненные контакты, прижимающиеся к продолжению якоря, называемому коммутатор. Коммутатор собирает все выводы катушек якоря и распределяет их по кругу, чтобы обеспечить правильную последовательность протекания тока. Когда якорь и обмотки возбуждения соединены последовательно, весь двигатель называется «с последовательной обмоткой». Двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой имеет поле с низким сопротивлением и цепь якоря. По этой причине, когда на него подается напряжение, ток велик из-за Закон Ома. Преимущество высокого тока состоит в том, что внутри двигателя сильные магнитные поля, создающие большой крутящий момент (крутящее усилие), поэтому он идеально подходит для запуска поезда. Недостатком является то, что ток, протекающий в двигатель, должен быть ограничен, иначе источник питания может быть перегружен или двигатель и его кабели могут быть повреждены. В лучшем случае крутящий момент превысит сцепление, и ведущие колеса проскочат. Традиционно резисторы использовались для ограничения начального тока.

Контроль мощности

Когда двигатель постоянного тока начинает вращаться, взаимодействие внутренних магнитных полей заставляет его генерировать внутреннее напряжение. Этот противоэлектродвижущая сила (CEMF) противостоит приложенному напряжению, а протекающий ток регулируется разницей между ними. По мере увеличения скорости двигателя внутреннее генерируемое напряжение увеличивается, результирующая ЭДС падает, через двигатель проходит меньше тока и крутящий момент падает. Двигатель, естественно, перестает ускоряться, когда сопротивление поезда соответствует крутящему моменту, создаваемому двигателями. Чтобы продолжить ускорение поезда, последовательно отключаются резисторы шаг за шагом, каждый шаг увеличивает эффективное напряжение и, таким образом, ток и крутящий момент на некоторое время, пока двигатель не догонит его. В старых поездах постоянного тока это можно услышать и почувствовать как серию ударов под полом, каждый из которых сопровождается рывком ускорения, поскольку крутящий момент внезапно увеличивается в ответ на новый всплеск тока. Когда в цепи не осталось резисторов, полное линейное напряжение подается непосредственно на двигатель. Скорость поезда остается постоянной в точке, где крутящий момент двигателя, регулируемый действующим напряжением, равен сопротивлению - иногда это называется уравновешивающей скоростью. Если поезд начинает подниматься по склону, скорость уменьшается, потому что сопротивление превышает крутящий момент, и снижение скорости приводит к падению CEMF и, следовательно, к повышению эффективного напряжения - до тех пор, пока ток через двигатель не создаст достаточный крутящий момент, чтобы соответствовать новому сопротивлению. . Использование последовательного сопротивления было расточительным, потому что много энергии терялось в виде тепла. Чтобы уменьшить эти потери, электровозы и поезда (до появления силовая электроника ) обычно были оборудованы для последовательно-параллельное управление также.

Динамическое торможение

Если поезд начинает спускаться с уклона, скорость увеличивается, потому что (уменьшенное) сопротивление меньше крутящего момента. С увеличением скорости внутренне генерируемое напряжение обратной ЭДС повышается, уменьшая крутящий момент до тех пор, пока крутящий момент снова не уравновесит сопротивление. Поскольку ток возбуждения уменьшается за счет обратной ЭДС в двигателе с последовательной обмоткой, нет скорости, при которой обратная ЭДС превысит напряжение питания, и, следовательно, тяговый двигатель постоянного тока с одной последовательной обмоткой не может обеспечить динамическое или рекуперативное торможение.

Однако существуют различные схемы обеспечения тормозящей силы с помощью тяговых двигателей. Вырабатываемая энергия может быть возвращена в источник питания (рекуперативное торможение) или рассеиваться бортовыми резисторами (динамическое торможение). Такая система может довести груз до низкой скорости, требуя относительно небольшого фрикционного торможения для полной остановки груза.

Автоматическое ускорение

В электропоезде машинисту поезда изначально приходилось управлять отключением сопротивления вручную, но к 1914 году стали использовать автоматическое ускорение. Это было достигнуто с помощью ускоряющего реле (часто называемого «режекторным реле») в цепи двигателя, которое отслеживало падение тока при отключении каждой ступени сопротивления. Все, что нужно было сделать водителю, - это выбрать низкую, среднюю или полную скорость (называемую «последовательной», «параллельной» и «шунтирующей» в зависимости от способа подключения двигателей в цепи сопротивления), а все остальное сделает автоматика.

Рейтинг

Электровозы обычно есть непрерывный и один час рейтинг. Часовая номинальная мощность - это максимальная мощность, которую двигатели могут непрерывно развивать в течение одного часа без перегрева. Такое испытание начинается с электродвигателей при +25 ° C (и наружный воздух, используемый для вентиляции, также при +25 ° C). В СССР по ГОСТ 2582-72 с изоляцией класса N максимально допустимые температуры для двигателей постоянного тока составляли 160 ° C для якоря, 180 ° C для статора и 105 ° C для коллектора.[3] Одночасовое значение обычно примерно на десять процентов выше, чем непрерывное, и ограничивается повышением температуры двигателя.

Поскольку тяговые двигатели используют редукторную передачу для передачи крутящего момента от якоря двигателя на ведомую ось, фактическая нагрузка на двигатель зависит от передаточного числа. В противном случае «одинаковые» тяговые двигатели могут иметь существенно разную грузоподъемность. Тяговый двигатель для грузовых перевозок с низкая передача Передаточное отношение будет безопасно создавать более высокий крутящий момент на колесах в течение более длительного периода при том же уровне тока, потому что более низкие передачи дают двигателю больше механических преимуществ.

В дизель-электрический и газотурбинные электровозы, то Лошадиные силы мощность тяговых двигателей обычно составляет около 81% от номинальной. первичный двигатель. Это предполагает, что электрический генератор преобразует 90% мощности двигателя в электрическую энергию, а тяговые двигатели преобразуют 90% этой электроэнергии обратно в механическую энергию.[нужна цитата ] Расчет: 0,9 × 0,9 = 0,81

Номинальная мощность отдельных тяговых двигателей обычно составляет 1600 кВт (2100 л.с.).

Еще одним важным фактором при проектировании или спецификации тяговых двигателей является рабочая скорость. Якорь двигателя имеет максимальную безопасную скорость вращения, при которой обмотки надежно остаются на месте.

Дизельные двигатели стали преобладающей мощностью современных тракторов, поскольку они обладают самым высоким тепловым КПД среди двигателей внутреннего или внешнего сгорания благодаря чрезвычайно высокой степени сжатия. В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели тракторов используют сильно сжатый горячий воздух для воспламенения топлива, а не свечи зажигания.

Центробежная сила, действующая на якорь, выше этой максимальной скорости, заставит обмотки выбрасываться наружу. В тяжелых случаях это может привести к "птичьему гнезду", поскольку обмотки контактируют с корпусом двигателя и в конечном итоге полностью отрываются от якоря и разматываются.

Гнездо птиц из-за превышения скорости может происходить либо в работающих тяговых двигателях локомотивов с механическим приводом, либо в тяговых двигателях локомотивов, находящихся в мертвом составе, которые перемещаются в составе поезда, движущегося слишком быстро. Другая причина - замена изношенных или поврежденных тяговых двигателей агрегатами, неправильно настроенными для применения.

Повреждения от перегрузки и перегрева также могут привести к скоплению птиц на скоростях ниже номинальных, когда сборка якоря, а также опоры и фиксаторы обмотки были повреждены в результате предыдущего неправильного обращения.

Охлаждение

Из-за высокого уровня мощности тяговые двигатели почти всегда охлаждаются нагнетаемым воздухом, водой или специальной диэлектрической жидкостью.

Типичные системы охлаждения на дизельных электровозах США состоят из вентилятора с электрическим приводом, который нагнетает воздух в проход, встроенный в раму локомотива. Резиновые охлаждающие каналы соединяют канал с отдельными тяговыми двигателями, и охлаждающий воздух проходит вниз и поперек арматуры, прежде чем выбрасывается в атмосферу.

Производители

Основная статья: Список производителей тяговых двигателей

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Андреас Штаймель Электротяга - движущая сила и энергоснабжение: основы и практический опыт Oldenbourg Industrieverlag, 2008 г. ISBN  3835631322 ; Глава 6 «Асинхронные тяговые двигатели и их управление»
  2. ^ «TGVweb -« Под капотом »ТЖВ». www.trainweb.org. Получено 2017-12-12.
  3. ^ Сидоров 1980, стр.47

Библиография

  • Британские железные дороги (1962 г.). «Раздел 13: Контроль тяги». Руководство по дизельной тяге для инженеров (1-е изд.). Британская транспортная комиссия. С. 172–189.
  • Болтон, Уильям Ф. (1963). Руководство железнодорожника по дизелю (4-е изд.). С. 107–111, 184–190.

внешняя ссылка