Тэд что это в жд
УСТРОЙСТВО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Тяговый двигатель электровоза, как и все двигатели постоянного тока, имеет следующие основные части: остов с поюсами, якорь, щеткодержатели и щетки, подшипниковые щиты (рис. 14). Конструктивные отличия тяговых двигателей от других электрических машин постоянного тока предопределены условиями их работы.
Размеры тягового двигателя ограничены габаритом — предельными очертаниями локомотива. Двигатели подвергаются значительным перегрузкам, тряске, ударам при прохождении колесных пар по неровностям пути, работают при температуре окружающей среды от +40 до — 50° С, в условиях больших колебаний напряжения в контактной сети. Очень трудно предотвратить проникновение в них пыли, влаги, снега.
Обеспечить длительную безотказную работу тяговых двигателей в таких условиях можно лишь при высоком качестве проектирования и изготовления, правильной эксплуатации и своевременном ремонте.
Якорь
У тягового двигателя якорь (рис. 15, а) состоит из сердечника, вала, обмотки и коллектора.
Сердечник собран из штампованных листов специальной электротехнической стали (рис. 15, б). Каждый лист изолирован от соседнего тонким слоем лака. Проще, казалось, было бы выполнить сердечник в виде сплошного цилиндра. Объясним, почему этого делать нельзя.
Когда якорь вращается, магнитные силовые линии пересекаются не только обмоткой, уложенной на нем, но и сердечником, вследствие чего в нем наводится э. д. с. Значения этой э. д. с. в точках сердечника, имеющих разные радиусы вращения, неодинаковы: чем ближе точки к поверхности, тем э. д. с. больше. Точки, лежащие ближе к поверхности сердечника, за одно и то же время проходят больший путь и пересекают большее число магнитных силовых линий, чем точки, расположенные недалеко от оси вращения. Под действием разности э. д. с, наведенных в сердечнике, возникают так называемые вихревые токи. Даже при небольшой разности э. д. с. вихревые токи могут быть значительными, так как электрическое сопротивление сплошного массивного цилиндра мало. Вихревые токи, проходя по сердечнику, нагревают его. На это бесполезно тратится электрическая энергия и тем самым снижается к. п. д. двигателя.
Избежать разности наведенных э. д. с. при вращательном движении якоря невозможно. Остается одно — увеличить электрическое сопротивление сердечника. Собирая сердечник из отдельных листов толщиной 0,3—0,5 мм, изолированных друг от друга, тем самым разделяют его на ряд проводников с малой площадью сечения и, следовательно, большим электрическим сопротивлением. Кроме того, увеличивают электрическое сопротивление стали, из которой изготовляют сердечники, добавляя в нее 1 — 1,5% кремния.
В сердечнике делают ряд круглых отверстий для пропуска воздуха, охлаждающего якорь, который нагревается теплом, выделяемым обмоткой при прохождении по ней тока, и не полностью устраненными вихревыми токами.
Валы якорей тяговых двигателей изготавливают из особой стали повышенного качества. И все же иногда приходится заменять «уставшие» валы. Поэтому листы сердечника собирают на специальной втулке, а не непосредственно на валу. Это позволяет при необходимости выпрессовывать вал из втулки, не разбирая сердечник, обмотку и коллектор.
Обмотку якоря укладывают в пазы его сердечника. Проводники обмотки соединяют один с другим в определенной последовательности, применяя так называемые лобовые соединения. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы все силы взаимодействия, возникающие между проводниками с током и магнитным потоком, стремились вращать якорь двигателя в одну сторону. Для этого соединяемые проводники, образующие виток, должны быть расположены один от другого на расстоянии, примерно равном расстоянию между полюсами.
Начало и конец витка присоединяют к разным коллекторным пластинам в определенной последовательности, образуя таким образом обмотку якоря. Отдельные витки, составляющие обмотку, называют секциями.
Современные электрические машины постоянного тока, в том числе и тяговые двигатели, обычно делают многополюсными, т. е. они имеют не одну, а две, три и более пар полюсов. При этом проводники обмотки якоря могут быть соединены двумя способами, и в зависимости от этого получают обмотки двух типов — петлевую и волновую.
Показать обмотку якоря на чертеже в том виде, как ее выполняют в электрической машине, очень сложно. Поэтому для наглядности изображения полюса электрической машины и пластины коллектора, которые в действительности расположены по окружности, на рисунке изображают в виде развертки на плоскости. Это позволяет показать расположение проводников обмотки относительно полюсов магнитной системы, соединение проводников один с другим и с пластинами коллектора, а также соединение секций.
Медные пластины коллектора имеют в сечении форму клина. Одна от другой они изолированы прокладками из коллекторного миканита. Миканит изготовляют из лепестков слюды, обладающей очень высокими электрической прочностью и теплостойкостью, а также влагостойкостью. Склеивают лепестки специальными лаками или смолами.
В нижней части коллекторные и изоляционные пластины имеют форму так называемого «ласточкиного хвоста». «Ласточкины хвосты» пластин и прокладок надежно зажаты между коробкой коллектора и нажимной шайбой, стянутыми болтами. Такое крепление обеспечивает сохранение строго цилиндрической формы коллектора, что очень важно, так как к поверхности коллектора все время прижимаются щетки. Стоит хотя бы одной пластине выйти за очертания окружности коллектора, как щетки начнут подпрыгивать, искрить, что может привести к повреждению двигателя. То же самое может произойти при недостаточно высоком качестве обработки коллектора, а также в случае образования на его поверхности вмятин и выступов.
От коробки и нажимной шайбы коллекторные пластины изолируют, прокладывая конусы и цилиндр, изготовленные из миканита. Коллекторные пластины имеют выступы, называемые петушками. В петушках сделаны прорези, куда впаивают концы секций обмотки якоря.
Во время работы двигателя щетки истирают поверхность коллектора. Миканит более износостоек, чем медь, поэтому в процессе работы поверхность коллектора может стать волнистой. Чтобы этого не произошло, изоляцию в промежутках между медными пластинами после сборки коллектора делают меньшей высоты — продороживают коллектор специальными фрезами.
Щетки и щеткодержатели
Через щетки, установленные в щеткодержателях, электрический ток подводится к обмотке якоря тягового двигателя.
Щетки для тяговых двигателей изготовляют из графита, получаемого при нагреве в электрической печи сажи, кокса, антрацита. Такие щетки называют электрографитизированными. Изготовляя их, стремятся к тому, чтобы они имели высокое переходное сопротивление, низкий коэффициент трения, были упругими, износоустойчивыми.
Одна щетка обычно перекрывает несколько коллекторных пластин, что ухудшает коммутацию (объяснение этого термина будет дано ниже) двигателей. Однако если щетки и коллекторные пластины выполнить равными по ширине, то щетки получились бы очень тонкими и хрупкими. Кроме того, при прохождении большого тока необходимо обеспечить достаточную поверхность контакта между щетками и коллектором. Поэтому, чтобы получить необходимую площадь рабочей поверхности щеток при небольшой их ширине, пришлось бы щетку удлинить, а это привело бы к удлинению коллектора. Размеры же двигателя ограничены габаритом электровоза, и увеличение длины коллектора вызвало бы необходимость уменьшить длину сердечника якоря и проводников обмотки, что в свою очередь привело бы к снижению мощности двигателя.
Щеткодержатель (рис. 19) состоит из корпуса и кронштейна, корпус соединяют с кронштейном болтом. Для более надежного крепления и лучшего электрического контакта соприкасающиеся поверхности кронштейна и корпуса сделаны рифлеными. Щеткодержатели должны быть надежно изолированы от остова двигателя. Поэтому их кронштейны крепят к остову или подшипниковым щитам с помощью изоляторов.
Щетки прижаты к поверхности коллектора пальцами, соединенными с пружинами. Для улучшения контакта между щетками и коллектором применяют составные (разрезные) щетки.
Остов
У тягового двигателя остов (рис. 20) одновременно служит магнитопроводом, к нему крепят главные и дополнительные полюса. Остов (ярмо) должен оказывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока, поэтому его изготовляют из стали, обладающей хорошими магнитными свойствами.
В магнитной системе тяговых двигателей, установленных на электровозах переменного тока, пульсирующий выпрямленный ток вызывает дополнительные потери. Чтобы снизить их, в массивный остов часто впрессовывают вставку, набранную, подобно якорю, из отдельных листов.
На электровозах с опорно-осевым подвешиванием остову в поперечном сечении придавали почти квадратное очертание с несколько срезанными углами. Такая форма позволяла уменьшить размеры двигателя, что важно для размещения его на электровозе. Стремление к непрерывному снижению массы тяговых двигателей привело к применению остовов цилиндрической формы. К остову крепят главные и дополнительные полюса, щиты с роликовыми подшипниками, в которых вращается якорь электродвигателя, и другие детали; предусмотрены в остове люки для подвода и отвода охлаждающего воздуха. Остов имеет горловины, через которые в него устанавливают полюса, якорь и другие детали. В процессе эксплуатации электровоза приходится периодически проверять состояние коллектора и щеточного аппарата. Для этого в остове имеются смотровые люки, герметично закрываемые крышками.
Подшипниковые щиты. Ими плотно закрывают торцовые горловины остова с обеих сторон. Концы вала якоря закрепляют в подшипниках, размещенных в щитах. Поэтому щиты называют подшипниковыми. В современных тяговых двигателях применяют только роликовые подшипники качения, более надежные, чем шариковые и подшипники трения скольжения. Роликовые подшипники не требуют частого пополнения смазки и постоянного ухода.
При вращении вала тягового двигателя смазка может выбрасываться из подшипников. Чтобы избежать этого, на валу устанавливают специальные устройства, предупреждающие разбрызгивание и выбрасывание смазки — лабиринтные маслоуплотнители. Подшипниковые щиты предотвращают загрязнение частей двигателя и проникновение в него влаги.
Главные полюса
Они представляют собой сердечники, на которые надевают катушки обмотки возбуждения. Сердечники главных полюсов, как и якоря, собирают из отдельных листов стали. Зачем это делают? По катушке сердечника проходит постоянный магнитный поток, а сам сердечник неподвижен и, следовательно, вихревые токи в нем возникнуть не могут. Все это было бы так, если бы якорь имел гладкую поверхность. В действительности зубцы и впадины его сердечника, перемещаясь при вращении под полюсами, искажают магнитное поле и вызывают пульсацию магнитного потока, из-за чего в сердечнике полюса возникают вихревые токи. Вот и приходится набирать сердечник из тонких листов стали, т. е. выполнять шихтованным.
Чтобы обеспечить необходимое распределение магнитного потока по поверхности якоря, сердечнику (рис. 21, а и б) придают довольно сложную Т-образную форму: она определяется соотношением размеров ширины сердечника и его полюсного наконечника, формой воздушного зазора, наличием компенсационной обмотки, условиями размещения и закрепления ее и катушек главных полюсов, способом крепления сердечников к остову.
Тяговые двигатели электровозов постоянного тока имеют две или три пары главных полюсов, а на электровозах переменного тока — три пары полюсов.
Компенсационная обмотка, применяемая в тяговых двигателях пульсирующего тока и в мощных двигателях постоянного тока, служит для компенсации реакции якоря. Обмотку располагают в пазах наконечника главных полюсов (см. рис. 21, б) и соединяют последовательно с обмоткой якоря. В отечественных тяговых двигателях применена хордовая компенсационная обмотка (рис. 22) из мягкой прямоугольной медной проволоки, выполняемая катушками, которые можно устанавливать и снимать независимо от других обмоток. Крепят компенсационную обмотку в пазах клиньями.
Дополнительные полюса
Как и главные, эти полюса состоят из сердечников и катушек. Магнитный поток, необходимый для компенсации реактивной э. д. с, сравнительно невелик, вследствие чего дополнительные полюса имеют меньшие размеры, чем главные. Потери в их сердечниках, вызываемые пульсацией магнитного потока, незначительны, поэтому сердечники изготовляют сплошными. В машинах с тяжелыми условиями коммутации, а также в двигателях пульсирующего тока для уменьшения вихревых токов эти сердечники выполняют шихтованными.
Катушки дополнительных полюсов наматывают из полосовой меди. Число дополнительных полюсов всегда равно числу главных.
Остов, главные и дополнительные полюса образуют магнитную систему тягового двигателя. Магнитная система обеспечивает прохождение магнитного потока, его концентрацию в определенных частях двигателя.
Электрическая изоляция
Изоляция играет важную роль в обеспечении надежной работы любого электрического устройства, в том числе и двигателей. Изоляция тяговых двигателей подвергается значительному нагреву, воздействию влаги, перенапряжений, вибрации, поэтому она должна обладать достаточной электрической и механической прочностью, быть нагрево- и влагоустойчивой. Нагревоустойчивость — один из основных показателей качества изоляции, в зависимости от нее все электроизоляционные материалы делят на классы. Класс изоляции обозначается буквами латинского алфавита. В соответствии с ГОСТ 2582—81 «Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические требования» в тяговых машинах используют изоляцию классов
В, F, Н, Р.
Применение изоляции высокого класса повышает надежность тягового двигателя, позволяет при тех же размерах реализовать большую мощность, допускать более высокие температуры нагрева его частей.
Где же применяют изоляцию в тяговых двигателях? Прежде всего в обмотке якоря (рис. 23): изолируют друг от друга медные провода, из которых выполнена эта обмотка,— витковая изоляция; каждую секцию изолируют от корпуса и одну от другой — корпусная изоляция. Корпусная изоляция от механических повреждений защищена покровной. Кроме того, секции, расположенные в одном пазу, имеют еще общую покровную изоляцию и прокладки, которые укладывают на дно паза, между секциями, а также между верхней секцией и клином. В катушках полюсов изолированными выполняют отдельные витки, слои витков и выводы, изолируют также всю катушку от остова двигателя.
Кронштейны щеткодержателей изолируют от корпуса двигателя с помощью фарфоровых изоляторов (см. рис. 19). Изоляцию коллекторных пластин относительно корпуса и одну от другой выполняют так, как показано на рис. 18.
Тяговые электрические машины электроподвижного состава
Содержание
Тяговые электродвигатели
Питание
Питание ТЭД осуществляется от контактной сети (ЭПС) и от находящегося на подвижном составе источника энергии (электромашинного генератора, аккумулятора). По роду тока различают ТЭД коллекторные постоянного тока (пульсация тока до 10%), коллекторные пульсирующего тока с питанием от однофазного выпрямителя, и бесколлекторные переменного тока асинхронные (однофазные, многофазные) и синхронные (вентильные) с преобразованием однофазного тока в многофазный (обычно в трехфазный). Выпрямители и преобразователи размещены на подвижном составе, что позволяет регулировать напряжение на ТЭД. При питании током постоянного напряжения от контактной сети регулировка напряжения на ТЭД до 1970-х гг. осуществлялась переключением двигателей на последовательное или параллельное соединение и включением в цепь пусковых резисторов. С нач. 70-х гг. на электровозах ВЛ80Р и в дальнейшем осуществляется обычно бесступенчатая плавная регулировка напряжения расположенными на ЭПС полупроводниковыми управляемыми выпрямителями или преобразователями.
Охлаждение
Охлаждение ТЭД производится обычно воздухом с независимой вентиляцией. На магистральных электровозах большой мощности применяется самовентиляция (на электропоездах и в вагонах метро), иногда естественное охлаждение либо жидкостное охлаждение, в т. ч. при сверхнизких температурах (опытные разработки линейных двигателей для высокоскоростного транспорта).
Режимы работы
Коллекторный электродвигатель
Индуктор, создающий магнитный поток — это стальной (литой или сварной) массивный корпус с главными и дополнительными полюсами. Якорь, вращаясь в индукторе, преобразует механическую энергию в электрическую (режим генератора). Якорь имеет стальной сердечник с обмоткой, подсоединенной к коллектору. Коллектор, набранный из отдельных пластин, необходим для изменения направления тока (коммутации) в проводнике якорной обмотки, чтобы не менялось направление вращающего момента при перемещении этого проводника под полюс другой полярности. Процесс коммутации может сопровождаться искрением под щетками; расстройство коммутации при определенных условиях приводит к возникновению на коллекторе электрической дуги (круговой огонь), повреждающей коллектор и щетки. Мощность коллекторных ТЭД ограничена условиями коммутации. ТЭД постоянного тока питаются непосредственно от контактной сети напряжением 3000 В с допустимым повышением до 4000 В (за рубежом есть линии на 1500 В), максимальная мощность до 1000 кВт (на грузовых и скоростных пассажирских электровозах). Двигатели соединяют последовательно по два и более для понижения номинального напряжения на коллекторе до 1500 В, реже до 750 В (хуже по эксплуатационным показателям; используется главным образом на моторных вагонах).
Изоляцию обмоток от корпуса рассчитывают на максимальное напряжение в контактной сети.
ТЭД пульсирующего тока
Недостатком любых конструкций коллекторных ТЭД является ненадежный в работе коллекторно-щеточный узел, ограничивающий мощность и частоту вращения (допустимая линейная скорость на поверхности коллектора 50-60 м/с) и требующий регулярного обслуживания при эксплуатации. Основные технические данные ТЭД, применяемых на ЭПС локомотивного парка России и других стран СНГ, приведены в таблице.
Характеристики ТЭД
Характеристики ТЭД делятся на электромеханические, тепловые и аэродинамические. К электромеханическим характеристикам относят зависимости частоты вращения якоря n, вращающего момента двигателя М и кпд на его валу ηд от силы тока якоря Iа, а также отношения напряжения в обмотках якоря (эдс) к частоте вращения Е/n в зависимости от силы тока возбуждения Iв. Последняя зависимость нелинейна из-за насыщения магнитной цепи машины при большом токе возбуждения (рис. 5.57).
Основные расчетные зависимости для любой электрической машины постоянного тока следующие:
Рэ = Elа= 1,028 Мэ*n; Е=с*Ф8n; U = Е + IаR; η=Р2/Р1,
Тепловые характеристики
Конструкция ТЭД должна исключать возможность случайного соприкосновения обслуживающего персонала с вращающимися частями, обеспечивать удобное техническое обслуживание и ремонт, удовлетворять требованиям пожарной безопасности. Основные показатели надежности ТЭД — вероятность безотказной работы, наработка на отказ, установленный срок службы до списания и т.д.
Бесколлекторный электродвигатель
Впервые бесколлекторный электродвигатель в качестве тягового был применен в Венгрии в 20-х гг. 20 в. на электровозах однофазно-трехфазного тока. Использовались вращающиеся преобразователи системы инженера К. Кандо; двигатели были тихоходными, с переключением полюсов. Вентильный ТЭД впервые предложен в Германии A930 г.). В начале 50-х гг. во Франции 20 электровозов были оборудованы частотно-регулируемыми асинхронными ТЭД для линии Валансьен-Тьонвиль, электрифицированной на переменном токе частотой 50 Гц, напряжением 22-25 кВ. ТЭД широко используются за рубежом (США, Австрия, Норвегия, Швейцария, Италия, Дания и др.) на ЭПС, на городском электротранспорте, а также на тепловозах.
В России разработки по применению бесколлекторных ТЭД в тяговом электроприводе начались в 60-х гг. Их использование на подвижном составе стало экономически обоснованным после появления малогабаритных полупроводниковых преобразователей напряжения и частоты. В 70—80-е гг. были построены опытные электровозы с вентильными (ВЛ80В, ВЛ83) и асинхронными (ВЛ80А, ВЛ86, ВЛ86Ф) тяговыми электродвигателями. В конце 90-х гг. начались испытания электровоза ЭП10 двойного питания с асинхронным ТЭД производства НЭВЗ с преобразователями зарубежного производства и скоростного пассажирского электровоза ЭП200 Коломенского и Новочеркасского заводов.
Синхронный (вентильный) двигатель
Асинхронный ТЭД
Асинхронный ТЭД имеет ротор с короткозамкнутой обмоткой без изоляции; обмотка статора выполнена с изоляцией. На ЭПС асинхронный ТЭД получает питание от статических преобразователей, построенных на базе автономных инверторов напряжения или тока. Регулирование режимов работы электродвигателя, осуществляемое изменением напряжения и его частоты (два независимых канала регулирования), может проводиться индивидуально для каждого электродвигателя или одновременно для нескольких. Рабочие тяговые характеристики двигателя показаны на рис. 5.58.
Линейный электродвигатель
Линейный электродвигатель является составной частью линейного электропривода и служит для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию поступательного движения транспортного средства, т. е. без механической передачи. В линейный привод входит также аппаратура управления и регулирования скорости. Линейный электродвигатель (рис. 5.59) содержит питаемый электрическим током первичный элемент (индуктор), являющийся статором, и вторичный элемент в виде реактивной полосы, выполняющей роль ротора. Индуктор и реактивная полоса разделены воздушным зазором. Неподвижный элемент магнитной системы линейного электродвигателя разомкнут и имеет развернутую в плоскости обмотку произвольной длины, создающую бегущее магнитное поле, а подвижный элемент движется относительно неподвижного (см. рис.).
Линейный электродвигатель может быть асинхронным и синхронным. Реактивная полоса асинхронного линейного электродвигателя (наиболее распространенная схема), выполненная в виде бруска обычно прямоугольного сечения без обмоток, закрепляется вдоль путепровода, над которым перемещается электровоз, несущий подвижную часть (индуктор) двигателя. Магнитопровод индуктора выполнен с развернутыми многофазными обмотками, питаемыми от источника переменного тока. Вследствие взаимодействия магнитного поля индуктора с полем реактивной полосы возникают силы, которые заставляют перемещаться с ускорением индуктор линейного электродвигателя относительно неподвижной реактивной полосы до тех пор, пока скорости перемещения индуктора и бегущего магнитного поля реактивной полосы не уравняются. Преимуществом такой конструкции является размещение в путепроводе более простой в изготовлении, чем индуктор, реактивной полосы. Возможна схема, в которой в путепроводе размещается индуктор, при этом не требуется передачи электроэнергии на движущийся объект, нет контактного рельса на трассе и токоприемников на подвижном составе. Однако в этом случае вдоль трассы необходимо разместить большое число индукторов. Такая схема целесообразна при большой частоте следования транспортных средств или при подвижном составе большой длины. Применяется и комбинированный вариант, например, с размещением индукторов в путепроводе на участках разгона, торможения, подъема и спуска; на остальной части трассы используется индуктор, установленный на подвижном составе. Линейный электродвигатель получает питание от преобразователя или непосредственно от промышленной сети переменного тока (линейный асинхронный привод).
Управление силой тяги и скоростью движения осуществляется системой автоматического управления и регулирования путем изменения частоты напряжения и силы тока в обмотках двигателя.
Линейный электропривод обеспечивает также торможение подвижного состава, например, противовключением. Достоинствами привода являются отсутствие вращающихся частей, механической передачи, простота в эксплуатации, большой ресурс работы. К недостаткам относятся более низкие по сравнению с обычным электроприводом энергетические показатели, связанные с разомкнутостью магнитной цепи и большими рабочими зазорами, сложность и высокая стоимость изготовления и др. Линейные электродвигатели могут применяться на поездах высокоскоростного наземного транспорта, относящихся к левитирующим транспортным системам. Общий кпд таких систем с линейным электродвигателем при оптимизации его показателей не уступает кпд обычного тягового электропривода вследствие исключения промежуточных звеньев передачи силы тяги и отсутствия проскальзывания при механическом контакте между ходовой частью и путепроводом.