Көліктік электрмоторы

Кіріспе

Көлікті қозғауға арналған электр қозғалтқышы

Тракциялық қозғалтқыш – локомотивтер, электрлік немесе сутегімен жүретін көліктер, немесе электрлік көп вагонды пойыз сияқты көлік құралдарын қозғау үшін қолданылатын электр қозғалтқышы. Тракциялық қозғалтқыштар электр қуатымен жұмыс істейтін теміржол көліктерінде (электрлік көп вагонды пойыз), сондай-ақ электр сүт тасымалдау машиналары, троллейбустар, лифттер, американдық таулар және конвейерлік жүйелер сияқты басқа да электрлік көліктерде қолданылады. Бұған қоса, электрлік беріліс жүйесі бар көліктерде (дизель-электр локомотивтері, электрлі гибридтік көліктер) және аккумуляторлық электрлік көліктерде де пайдаланылады.

Қозғалтқыштардың түрлері мен басқару

Бірқалыпты токпен жұмыс істейтін, сериялық орамдары бар моторлар – жылдамдыққа ие болатын моторлардың ең көне түрі. Олар қозғалыс үшін қажетті жылдамдық-момент сипаттамасын ұсынады, көлік құралын жылдамдату үшін төмен жылдамдықтарда жоғары моментті қамтамасыз етеді және жылдамдық артаған сайын момент төмендейді. Өріс орамасын бірнеше қосылымдармен орналастыру арқылы жылдамдық сипаттамасын өзгертуге болады, бұл операторға жылдамдауды салыстырмалы түрде тегіс басқаруға мүмкіндік береді. Басқарудың тағы бір мүмкіндігі – көлік құралындағы моторлар жұбын сериялық-параллель қосылымда пайдалану болып табылады. Баяу қозғалыс немесе ауыр жүктер үшін екі моторды тікелей ток көзіне тізбектей қосуға болады. Ал жоғары жылдамдық қажет болғанда, оларды параллель қосып, әр моторға жоғары кернеу беруге және осылайша жылдамдықты арттыруға болады. Теміржол желісінің кейбір бөлімдері әртүрлі кернеулерді қолдануы мүмкін, станциялар арасындағы ұзын учаскелерде жоғары кернеу, ал станцияларға жақын жерлерде, тек баяу қозғалыс қажет болғанда төмен кернеу қолданылады. Тікелей ток жүйесінің бір түрі – ауыспалы токпен жұмыс істейтін сериялық мотор, ол «әмбебап мотор» деп те аталады. Бұл, негізінен, бірдей құрылғы, бірақ ауыспалы токпен жұмыс істейді. Арматура және өріс тогы бір уақытта бағытын өзгерткендіктен, мотордың мінез-құлқы тікелей токпен қуатталғандағы сияқты болады. Жұмыс жағдайларын жақсарту үшін ауыспалы токпен жұмыс істейтін теміржолдар көбінесе жалпы жарықтандыру және қуат беру үшін қолданылатын токтан төмен жиілікпен қуаттандырылады. Мұндай үшін арнайы тарту тогы станциялары немесе 50 немесе 60 Гц жиілікті коммерциялық токты ауыспалы токпен жұмыс істейтін моторларға қажетті 25 Гц немесе 16 2/3 Гц жиілікке түрлендіретін роторлық түрлендіргіштер қолданылады. Трансформаторларды оңай пайдалануға мүмкіндік беретін ауыспалы ток жүйесі, қуатты теміржол желісінің бойымен тиімді таратуға және көлік құралындағы коммутациялық жабдықтар арқылы жылдамдықты басқаруға мүмкіндік береді. Ауыспалы токпен жұмыс істейтін индукциялық және синхронды моторлар қарапайым және аз күтімді қажет етеді, бірақ қуатты жартылай өткізгіштер пайда болғанға дейін, олардың жылдамдығы тұрақты болғандықтан, жылдамдыққа ие болатын моторлар ретінде қолдану қиын болды. Ауыспалы токпен жұмыс істейтін индукциялық мотор тек оның конструкциясымен және ауыспалы ток көзінің жиілігімен анықталатын тар жылдамдық диапазонында ғана пайдалы қуатты өндіреді. Қуатты жартылай өткізгіштердің пайда болуы локомотивке өзгермелі жиілікті жетектеу құрылғысын орнатуға мүмкіндік берді. Бұл жылдамдықтардың кең ауқымын, ауыспалы токпен қуат беруді және щеткалар мен коллекторлар сияқты тозатын бөлшектері жоқ, берік индукциялық моторларды пайдалануға мүмкіндік береді.

Direct current motors with series field windings are the oldest type of traction motors. These provide a speed torque characteristic useful for propulsion, providing high torque at lower speeds for the acceleration of the vehicle, and declining torque as speed increases. By arranging the field winding with multiple taps, the speed characteristic can be varied, allowing relatively smooth operator control of acceleration. A further measure of control is provided by using pairs of motors on a vehicle in series parallel control; for slow operation or heavy loads, two motors can be run in a series of the direct current supply. Where higher speed is desired, these motors can be operated in parallel, making a higher voltage available at each motor and so allowing higher speeds. Parts of a rail system might use different voltages, with higher voltages in long runs between stations and lower voltages near stations where only slower operation is needed. A variant of the DC system is the AC series motor, also known as the universal motor, which is essentially the same device but operates on alternating current. Since both the armature and field current reverse at the same time, the behavior of the motor is similar to that when energized with direct current. To achieve better operating conditions, AC railways are often supplied with current at a lower frequency than the commercial supply used for general lighting and power; special traction current power stations are used, or rotary converters used to convert 50 or 60 Hz commercial power to the 25 Hz or 16 2/3 Hz frequency used for AC traction motors. Because it permits the simple use of transformers, the AC system allows efficient distribution of power down the length of a rail line, and also permits speed control with switchgear on the vehicle. AC induction motors and synchronous motors are simple and low maintenance, but up until the advent of power semiconductors, were awkward to apply for traction motors because of their fixed speed characteristic. An AC induction motor generates useful amounts of power only over a narrow speed range determined by its construction and the frequency of the AC power supply. The advent of power semiconductors has made it possible to fit a variable frequency drive on a locomotive; this allows a wide range of speeds, AC power transmission, and the use of rugged induction motors that do not have wearing parts like brushes and commutators.

Жол көліктері

Дәстүрлі түрде автомобильдер (автомобильдер, автобустар және жүк көліктері) дизельді және бензинді қозғалтқыштарды механикалық немесе гидравликалық беріліс жүйесімен қолданды. 20 ғасырдың соңғы бөлігінде ішкі жанатын қозғалтқыштармен, аккумуляторлармен немесе отын жасушаларымен қуатталатын электрлік беріліс жүйесі бар көліктерді жасау басталды. Электр машиналарын пайдаланудың бір артықшылығы – олардың кейбір түрлері энергияны қайта қалпына келтіре алады (яғни, регенеративті тежегіш ретінде жұмыс істейді), бұл баяулауға көмектеседі және аккумулятор жинағын зарядтау арқылы жалпы тиімділікті арттырады.

Темір жолдар

Дәстүрлі түрде бұл шамамен 600 вольттан жұмыс істейтін, тізбекті оралған, щеткалы DC моторлар болды. Жоғары қуатты жартылай өткізгіштердің (тиристорлар мен IGBT) қолжетімділігі қазірге дейін әлдеқайда қарапайым, сенімділігі жоғары АС индукциялық моторларды, асинхронды жетек моторлары деп аталатындарды, пайдалануды мүмкін етті. Синхронды AC моторлары да кейде қолданылады, мысалы, француздық TGV пойызында.

Моторларды монтаждау

20 ғасырдың ортасына дейін бір үлкен мотор көбінесе бірнеше жетекші дөңгелектерді, бу локомотивтерінде қолданылатынға ұқсас жалғау таяқшалары арқылы қозғау үшін пайдаланылған. Мысалы, Пенсильвания темір жолының DD1, FF1 және L5 локомотивтері, сондай-ақ түрлі швейцариялық "Крокодилдер". Қазіргі таңда әрбір жетекші білікке бір қозғалтқыш арқылы күш беру стандартты практика болып табылады. Әдетте, жетекші мотор богиінің рамасы мен жетекші білік арасында үш нүктеде орнатылады; мұндай конструкция "мұрын ілінген жетекші мотор" деп аталады. Мұндай орналастырудың мәселесі – мотор салмағының бір бөлігі серпімді болмайды, бұл рельстерге артық күш түсіреді. Атақты Пенсильвания темір жолының GG1 локомотивінде әрбір білікке екі рамаға бекітілген моторлар жетеді. General Electric компаниясы Milwaukee Road үшін салған "Bi Polar" электр локомотивтерінде тікелей жететін моторлар қолданылған. Мотордың айналатын білігі дөңгелектердің өзінің білігі болды. Француз TGV локомотивтерінде әрбір білікке моторлы вагон рамасына орнатылған мотор күш береді; "трипод" жетегі жететін механизмде шағын икемділікті қамтамасыз етеді, бұл жүк арбаларының богилерінің айналуына мүмкіндік береді. Салмақты жетекші моторды богиіге емес, тікелей моторлы вагон рамасына орнату арқылы жақсы динамикалық көрсеткіштерге қол жеткізіледі, бұл жоғары жылдамдықта жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Орамдар

DC қозғалтқышы көптеген жылдар бойы электр және дизельдік электр локомотивтерінде, көшелік вагондар/трамвайлар мен дизельдік электр бұрғылау қондырғыларындағы электрлік жетегінің негізгі құралы болды. Ол екі бөліктен тұрады: айналмалы арматура және айналмалы арматураны қоршап тұратын бекітілген өріс орамдары, олар білікке орнатылған. Бекітілген өріс орамдары қозғалтқыш корпусының ішінде тығыз оралған сымдардан тұрады. Арматура – орталық білікке оралған тағы бір орамдар жиынтығы және «щеткалар» арқылы өріс орамдарымен байланыстырылады. Бұл щеткалар – серіппелі контактілер, олар арматураның ұзартылған бөлігіне, коммутатор деп аталатын жерге басылады. Коммутатор арматура орамдарының барлық қосылымдарын жинап, ток ағынының дұрыс тізбегін қамтамасыз ету үшін оларды дөңгелек тәртіппен таратады. Арматура мен өріс орамдары тізбектей қосылған жағдайда, бүкіл қозғалтқыш «тізбектей оралған» деп аталады. Тізбектей оралған DC қозғалтқышында өріс және арматура тізбегінің кедергісі төмен болады. Сондықтан, кернеу қолданғанда, Ом заңына сәйкес ток жоғары болады. Жоғары токтын артықшылығы – қозғалтқыштың ішіндегі магниттік өрістер күшті болады, бұл жоғары айналу моментін (бұрылу күшін) тудырады, сондықтан ол пойызды іске қосу үшін өте қолайлы. Алайда, қозғалтқышқа ағызатын ток шектелуі керек, әйтпесе қуат көзіне артық жүктеме түсуі немесе қозғалтқыш пен оның кабельдері зақымдануы мүмкін. Ең нашар жағдайда, айналу моменты жабысу күшін асып, жетек дөңгелектері сырғанап кетеді. Әдетте, бастапқы токты шектеу үшін резисторлар қолданылады.

Қуатты басқару

ДБ қозғалтқышы айнала бастағанда, ішкі магниттік өрістердің өзара әрекеттесуі оның ішінде кернеу тудырады. Бұл қарсы электр қозғалтқыш күші (CEMF) қолданылатын кернеуге қарсы келеді, ал ағып жатқан ток екеуінің арасындағы айырмашылықпен анықталады. Қозғалтқыш жылдамдығы артқан сайын, ішкі туындаған кернеу артады, нәтижесінде ЭМҚ төмендейді, мотор арқылы ағын ток азаяды және айналу күші төмендейді. Пойыздың соқтығысу кедергісі мотордың тудырған күшіне тең болғанда, қозғалтқыш табиғи түрде үдеуін тоқтатады. Пойыздың жылдамдығын арттыру үшін, сериялық кедергілер біртіндеп ажыратылады, әр қадам тиімді кернеуді арттырып, ток пен айналу күшін қозғалтқыш жақындағанша ұзартады. Бұл ескі DC пойыздарында еден астындағы бірнеше дүркіреулер ретінде естіледі және сезіледі, әрқайсысы ток күшін күрт артқанда жылдамдық өсуімен сүйемелденеді. Егер тізбекте кедергілер қалмаса, толық желілік кернеу тікелей моторға қолданылады. Пойыздың жылдамдығы тұрақты болып қалады, осы кезде мотордың айналу күші тиімді кернеумен анықталады, бұл кейде тепе-теңдік жылдамдығы деп аталады. Егер пойыз көтеріске шықса, жылдамдық төмендейді, себебі кедергі айналу күшінен артық болады, ал жылдамдықтың төмендеуі CEMF-тің төмендеуіне себеп болады, осылайша тиімді кернеу мотор арқылы ток ағыны жаңа кедергіге сәйкес келетін айналу күшін тудырғанша артады. Сериялық кедергілерді пайдалану тиімсіз болды, өйткені көп энергия жылу түрінде жоғалды. Бұл шығынды азайту үшін электр локомотивтері мен пойыздар (қуат электроникасы пайда болғанға дейін) көбінесе қатар-параллель басқарумен жабдықталған. Айнымалы ток көздерінен жұмыс істейтін локомотивтер (тракциялық моторлар ретінде әмбебап моторларды пайдалана отырып) өз трансформаторларындағы ауыстырғыштарды пайдаланып, кедергілерге тән шығындарсыз, тартылу моторларына қолданылатын кернеуді өзгерте алады. Пенсильвания темір жолының GG1 класы осындай локомотивтердің мысалы болды.

As the DC motor starts to turn, interaction of the magnetic fields inside causes it to generate a voltage internally. This counter electromotive force (CEMF) opposes the applied voltage and the current that flows is governed by the difference between the two. As the motor speeds up, the internally generated voltage rises, the resultant EMF falls, less current passes through the motor and the torque drops. The motor naturally stops accelerating when the drag of the train matches the torque produced by the motors. To continue accelerating the train, series resistors are switched out step by step, each step increasing the effective voltage and thus the current and torque for a little bit longer until the motor catches up. This can be heard and felt in older DC trains as a series of clunks under the floor, each accompanied by a jerk of acceleration as the torque suddenly increases in response to the new surge of current. When no resistors are left in the circuit, full line voltage is being applied directly to the motor. The train's speed remains constant at the point where the torque of the motor, governed by the effective voltage, equals the drag sometimes referred to as balancing speed. If the train starts to climb an incline, the speed decreases because drag is greater than torque and the reduction in speed causes the CEMF to fall and thus the effective voltage to rise until the current through the motor produces enough torque to match the new drag. The use of series resistance was wasteful because a lot of energy was lost as heat. To reduce these losses, electric locomotives and trains (before the advent of power electronics) were normally equipped for series parallel control as well. Locomotives that operated from AC power sources (using universal motors as traction motors) could also take advantage of tap changers on their transformers to vary the voltage applied to the traction motors without the losses inherent in resistors. The Pennsylvania Railroad class GG1 was an example of such a locomotive.

Динамикалық тежеу

Егер пойыз төмен қарай бастаса, жылдамдық артады, себебі (азайған) қарсылық күші, моменттен кем болады. Жылдамдық артқан сайын, іштен туындаған кері ЭҚК кернеуі жоғарылайды, қарсылық күшіне теңесетінше моментті азайтады. Бір қатарлы оралған электрмоторда өріс тогы кері ЭҚК арқылы төмендетілгендіктен, кері ЭҚК-ның желілік кернеуден асып кететін жылдамдық болмайды, демек бір ғана бір қатарлы оралған тұрақты ток тягалық моторы динамикалық немесе регенеративті тежеуді қамтамасыз ете алмайды. Дегенмен, тягалық моторларды пайдаланып, тежеу күшін қамтамасыз ету үшін әртүрлі схемалар қолданылады. Шығарылған энергия желіге қайтарылуы мүмкін (регенеративті тежеу) немесе бортындағы кедергілер арқылы ысыратылуы мүмкін (динамикалық тежеу). Мұндай жүйе жүкті төмен жылдамдыққа дейін жеткізе алады, ал жүкті толығымен тоқтату үшін салыстырмалы түрде аз үйкеліс тежеуі қажет болады.

Автоматты жылдамдату

Электр поездінде бастапқыда пойыз жүргізушісі немесе моторшы кедергіні қолмен ажыратуды басқаруға тиіс болды, бірақ 1914 жылға қарай автоматты үдеу қолданыла бастады. Бұл мотор тізбегіндегі үдеме релесі (көбінесе "қадамдық реле" деп аталады) арқылы іске асырылды, ол кедергінің әр қадамы ажыратылғанда ток мөлшерінің төмендеуін қадағалады. Жүргізушіге тек төмен, орташа немесе жоғары жылдамдықтарды таңдау қажет еді ("тізбекті", "параллельді" және "шантты" деп аталады) – қозғалтқыштар кедергі тізбегіне қосылғаннан кейін автоматты жабдық өзінің жұмысын аяқтайтын еді.

Бағалау

Электрлік локомотивтер әдетте үздіксіз және бір сағаттық қуаттылық класына ие. Бір сағаттық қуаттылық – қозғалтқыштардың бір сағат бойы үнемі асып жылынбай жұмыс істей алатын ең жоғары қуаты. Мұндай сынақ қозғалтқыштардың температурасы +25 °C-тан басталады (ал ауаландыруға қолданылатын сыртқы ауа да +25 °C-да болады). КСРО-да GOST 2582 72 бойынша N класты оқшаулаумен, DC қозғалтқыштар үшін рұқсат етілген ең жоғары температуралар: арматура үшін 160 °C, статор үшін 180 °C және коллектор үшін 105 °C. Бір сағаттық қуаттылық әдетте үздіксіз қуаттылықтан 10%-ға жоғары болады және қозғалтқыштағы температураның өсуімен шектеледі. Тракциялық қозғалтқыштар қозғалтқыш арматурасынан жетекші оське айналым моментін беру үшін редукторды пайдаланады, сондықтан қозғалтқышқа түсетін нақты жүктеме редуктордың қатынасына байланысты өзгереді. Сондықтан, сырттай «бірдей» тракциялық қозғалтқыштар едәуір түрлі жүктемеге ие болуы мүмкін. Жүк тасымалдауға арналған және төмен редукторлық қатынасы бар тракциялық қозғалтқыш, дөңгелектерде бірдей ток деңгейінде ұзақ уақыт бойы жоғары айналым моментін қауіпсіз өндіреді, себебі төменгі редукторлар қозғалтқышқа механикалық артықшылық береді. Дизельдік-электрлік және газ турбиналық-электрлік локомотивтерде тракциялық қозғалтқыштардың қуаты әдетте негізгі қозғалтқыштың шамамен 81%-ын құрайды. Бұл электр генераторы қозғалтқыштың қуатының 90%-ын электр энергиясына айналдырады және тракциялық қозғалтқыштар осы электр энергиясының 90%-ын механикалық энергияға айналдырады деп есептеледі. Есептеу: 0,9 × 0,9 = 0,81. Жеке тракциялық қозғалтқыштардың қуаттылық диапазоны әдетте кең болады. Тракциялық қозғалтқыштарды жобалау немесе таңдау кезінде маңызды фактор – жұмыс жылдамдығы. Мотор арматурасының орамалары қауіпсіз күйде қалатындай ең жоғары қауіпсіз айналу жылдамдығы бар. Осы ең жоғары жылдамдықтан асып кеткенде, арматураға түсетін центробегтік күш орамаларды сыртқа қарай лақтырады. Ауыр жағдайларда бұл «құс ұясы» құрылуына әкелуі мүмкін, себебі орамалар мотор корпусына жанасып, ақырында арматурадан толықтай ажыратылып, оралады. Жылдамдықтың артуына байланысты құс ұясы (арматура орамаларының центробегтік шығарылуы) жұмыс істеп тұрған локомотивтердің тракциялық қозғалтқыштарында немесе тым жылдам қозғалатын пойыздың құрамында тасымалданатын өлі локомотивтердің тракциялық қозғалтқыштарында пайда болуы мүмкін. Тағы бір себеп – тозған немесе зақымдалған тракциялық қозғалтқыштарды қолданысқа сәйкес келмейтін құрылғылармен ауыстыру. Арматура жинағы мен орамдық тіректер мен ұстағыштар бұрынғы дұрыс емес пайдаланудан зақымдалған кезде, номиналды жылдамдықтан төмен жылдамдықтарда да жүктеме арту және қызудан зақымдану құс ұясының пайда болуына әкелуі мүмкін.

Electric locomotives usually have a continuous and one hour rating. The one hour rating is the maximum power that the motors can continuously develop over one hour without overheating. Such a test starts with the motors at +25 °C (and the outside air used for ventilation also at +25 °C). In the USSR, per GOST 2582 72 with class N insulation, the maximum temperatures allowed for DC motors were 160 °C for the armature, 180 °C for the stator, and 105 °C for the collector. The one hour rating is typically about 10% higher than the continuous rating and is limited by the temperature rise in the motor. As traction motors use a reduction gear setup to transfer torque from the motor armature to the driven axle, the actual load placed on the motor varies with the gear ratio. Otherwise "identical" traction motors can have significantly different load rating. A traction motor geared for freight use with a low gear ratio will safely produce higher torque at the wheels for a longer period at the same current level because the lower gears give the motor more mechanical advantage. In diesel electric and gas turbine electric locomotives, the horsepower rating of the traction motors is usually around 81% that of the prime mover. This assumes that the electrical generator converts 90% of the engine's output into electrical energy and the traction motors convert 90% of this electrical energy back into mechanical energy. Calculation: 0.9 × 0.9 = 0.81

Individual traction motor ratings usually range up
Another important factor when traction motors are designed or specified is operational speed. The motor armature has a maximum safe rotating speed at or below which the windings will stay safely in place. Above this maximum speed centrifugal force on the armature will cause the windings to be thrown outward. In severe cases, this can lead to "birdnesting" as the windings contact the motor housing and eventually break loose from the armature entirely and uncoil. Bird nesting (the centrifugal ejection of the armature's windings) due to overspeed can occur either in operating traction motors of powered locomotives or in traction motors of dead in consist locomotives being transported within a train traveling too fast. Another cause is replacement of worn or damaged traction motors with units incorrectly geared for the application. Damage from overloading and overheating can also cause bird nesting below rated speeds when the armature assembly and winding supports and retainers have been damaged by the previous abuse.

Салқындату

Жоғары қуат деңгейлеріне байланысты, тарту моторлары көбінесе мәжбүрлі ауа, су немесе арнайы диэлектрлік сұйықтықпен салқындатылады. АҚШ дизельді-электрлік локомотивтеріндегі әдеттегі салқындату жүйелері локомотив қаңқасына енгізілген арнаға ауа соққысын жасау үшін электр қуатымен жұмыс істейтін желдеткіштен тұрады. Резеңке салқындату түтікшелері арнаны жеке тарту моторларымен байланыстырады, ал салқындату ауасы арматуралардың үстінен төмен және бойымен өтіп, содан кейін атмосфераға шығарылады.