Электрические тяговые двигатели для транспортных средств.

Введение

Электродвигатель для привода транспортного средства

Тракционный двигатель — это электродвигатель, используемый для привода транспортного средства, такого как локомотивы, электрические или водородные транспортные средства, или электропоезда. Тракционные двигатели применяются в электрифицированном железнодорожном транспорте (электропоездах) и других электрических транспортных средствах, включая электрические молоковозы, троллейбусы, лифты, американские горки и конвейерные системы, а также транспортные средства с электрической трансмиссией (дизель-электрические локомотивы, электрические гибридные транспортные средства) и электромобили с аккумуляторным питанием.

Типы двигателей и элементы управления

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением – самый старый тип тяговых двигателей. Они обеспечивают характеристику зависимости скорости от крутящего момента, полезную для движения, предоставляя высокий крутящий момент на низких скоростях для разгона транспортного средства и уменьшение крутящего момента с увеличением скорости. Путем использования обмоток возбуждения с несколькими выводами можно изменять характеристику скорости, обеспечивая оператору относительно плавное управление ускорением. Дополнительный способ управления достигается использованием пар двигателей на транспортном средстве, подключенных последовательно-параллельно: для медленного движения или при больших нагрузках два двигателя могут быть включены последовательно к источнику постоянного тока. При необходимости более высокой скорости эти двигатели могут быть соединены параллельно, обеспечивая более высокое напряжение на каждом двигателе и, следовательно, более высокие скорости. На различных участках железнодорожной системы могут использоваться разные напряжения: более высокие – на протяженных перегонах между станциями и более низкие – вблизи станций, где требуется только медленная эксплуатация. Вариантом системы постоянного тока является последовательный двигатель переменного тока, также известный как универсальный двигатель, который по сути является тем же устройством, но работает от переменного тока. Поскольку и ток в обмотке якоря, и ток возбуждения меняют направление одновременно, поведение двигателя аналогично работе от постоянного тока. Для достижения оптимальных рабочих условий железные дороги часто питаются током с частотой ниже, чем стандартная частота для общего освещения и электроснабжения; используются специальные тяговые подстанции или роторные преобразователи для преобразования коммерческой мощности 50 или 60 Гц в частоту 25 Гц или 16 2/3 Гц, используемую для тяговых двигателей переменного тока. Благодаря возможности простого использования трансформаторов, система переменного тока обеспечивает эффективное распределение мощности по всей длине железнодорожной линии, а также позволяет регулировать скорость с помощью аппаратуры управления на транспортном средстве. Асинхронные и синхронные двигатели переменного тока просты в эксплуатации и не требуют частого обслуживания, но до появления силовых полупроводников их применение в качестве тяговых двигателей было затруднено из-за их фиксированной скорости. Асинхронный двигатель переменного тока вырабатывает полезную мощность только в узком диапазоне скоростей, определяемом его конструкцией и частотой источника питания переменного тока. Появление силовых полупроводников позволило устанавливать на локомотивах частотно-регулируемые приводы, что обеспечивает широкий диапазон скоростей, передачу мощности переменного тока и использование надежных асинхронных двигателей, не имеющих изнашивающихся деталей, таких как щетки и коллекторы.

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.

Дорожные транспортные средства

Традиционно дорожные транспортные средства (автомобили, автобусы и грузовики) использовали дизельные и бензиновые двигатели с механической или гидравлической системой трансмиссии. Во второй половине 20-го века начали разрабатываться транспортные средства с электрическими системами трансмиссии (приводимые в действие двигателями внутреннего сгорания, аккумуляторами или топливными элементами). Одним из преимуществ использования электродвигателей является то, что определенные типы способны регенерировать энергию (то есть работать как регенеративный тормоз), обеспечивая замедление и повышая общую эффективность за счет зарядки аккумуляторной батареи.

Железные дороги

Традиционно использовались последовательно возбужденные коллекторные двигатели постоянного тока, обычно работающие от напряжения около 600 вольт. Появление мощных полупроводниковых приборов (тиристоров и IGBT) сделало практичным применение гораздо более простых и надежных асинхронных двигателей переменного тока, известных как тяговые асинхронные двигатели. Синхронные двигатели переменного тока также иногда применяются, например, во французском поезде TGV.

Монтаж двигателей

До середины XX века один большой двигатель часто использовался для привода нескольких ведущих колёс через шатуны, очень похожие на те, что применялись на паровозах. Примерами служат электровозы Pennsylvania Railroad DD1, FF1 и L5, а также различные швейцарские "Крокодилы". В настоящее время стандартной практикой является использование одного тягового двигателя для привода каждой оси через зубчатую передачу. Обычно тяговый двигатель подвешивается в трёх точках между рамой тележки и ведущей осью; такая конструкция называется "тяговым двигателем с носовой подвеской". Недостатком такой схемы является то, что часть веса двигателя приходится на неупругие элементы, что увеличивает нежелательные воздействия на путь. В случае знаменитых электровозов Pennsylvania Railroad GG1, каждая ось приводилась в движение двумя двигателями, установленными на раме, через полые валы. Электровозы "Bi Polar", построенные General Electric для Milwaukee Road, имели двигатели прямого привода, где вращающийся вал двигателя одновременно являлся осью колёс. В французских головных вагонах TGV двигатель, установленный на раме вагона, приводит в движение каждую ось; "триподный" привод обеспечивает некоторую гибкость в силовой передаче, позволяя тележкам поворачиваться. Установка относительно тяжёлого тягового двигателя непосредственно на раму вагона, а не на тележку, обеспечивает лучшую динамику и, следовательно, более стабильную работу на высоких скоростях.

Намотки

Двигатель постоянного тока на протяжении многих лет был основой электрических тяговых приводов на электровозах, дизель-электровозах, трамваях и дизель-электрических буровых установках. Он состоит из двух частей: вращающейся арматуры и неподвижных обмоток возбуждения, окружающих вращающуюся арматуру, установленную на валу. Неподвижные обмотки возбуждения состоят из плотно намотанных катушек проволоки, размещенных внутри корпуса двигателя. Арматура представляет собой еще один набор катушек, намотанных вокруг центрального вала и соединенных с обмотками возбуждения через "щетки" – пружинные контакты, прижимающиеся к выступу арматуры, называемому коммутатором. Коммутатор собирает все выводы катушек арматуры и распределяет их по окружности, обеспечивая правильную последовательность протекания тока. Когда арматура и обмотки возбуждения соединены последовательно, весь двигатель называется "последовательного возбуждения". Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения имеет низкое сопротивление в цепях возбуждения и арматуры. Поэтому при подаче на него напряжения ток оказывается высоким из-за закона Ома. Преимущество высокого тока заключается в том, что внутри двигателя создаются сильные магнитные поля, обеспечивающие высокий крутящий момент (вращающая сила), что делает его идеальным для запуска поезда. Недостаток состоит в том, что ток, поступающий в двигатель, необходимо ограничивать, иначе может произойти перегрузка источника питания или повреждение двигателя и его кабелей. В худшем случае крутящий момент превысит силу сцепления, и ведущие колеса начнут пробуксовывать. Традиционно для ограничения пускового тока использовались резисторы.

Управление мощностью

Когда двигатель постоянного тока начинает вращаться, взаимодействие магнитных полей внутри него приводит к генерации внутреннего напряжения. Эта противоЭДС (CEMF) противодействует приложенному напряжению, а протекающий ток определяется разницей между ними. По мере увеличения скорости двигателя внутренне генерируемое напряжение возрастает, результирующая ЭДС падает, через двигатель проходит меньший ток, и крутящий момент уменьшается. Двигатель естественным образом прекращает ускоряться, когда сопротивление движению поезда уравновешивается крутящим моментом, создаваемым двигателями. Для продолжения ускорения поезда последовательные резисторы выключаются поэтапно, каждый этап увеличивает эффективное напряжение, а следовательно, ток и крутящий момент, на некоторое время, пока двигатель не наберет необходимую скорость. Это можно услышать и почувствовать в старых поездах постоянного тока как серию щелчков под полом, каждый из которых сопровождается рывком ускорения, поскольку крутящий момент внезапно возрастает в ответ на новый скачок тока. Когда в цепи не остается резисторов, на двигатель подается полное сетевое напряжение. Скорость поезда остается постоянной в точке, где крутящий момент двигателя, определяемый эффективным напряжением, равен сопротивлению движению – иногда называемому балансирующей скоростью. Если поезд начинает подниматься в гору, скорость уменьшается, потому что сопротивление движению становится больше крутящего момента, и снижение скорости приводит к падению противоЭДС, а значит, к увеличению эффективного напряжения – до тех пор, пока ток через двигатель не создаст достаточный крутящий момент для компенсации возросшего сопротивления. Использование последовательных резисторов было неэффективным, так как большая часть энергии терялась в виде тепла. Для снижения этих потерь электрические локомотивы и поезда (до появления силовой электроники) обычно оснащались также системой управления последовательно-параллельным включением. Локомотивы, работающие от источников переменного тока (использующие универсальные двигатели в качестве тяговых), также могли использовать переключатели отводов на своих трансформаторах для изменения напряжения, подаваемого на тяговые двигатели, без потерь, свойственных резисторам. Локомотив класса GG1 Пенсильванской железной дороги является примером такого локомотива.

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.

Динамическое торможение

Если поезд начинает спускаться с уклона, скорость увеличивается, потому что (уменьшенное) сопротивление движению меньше крутящего момента. С увеличением скорости внутренне генерируемое противо-ЭДС напряжение возрастает, уменьшая крутящий момент, пока крутящий момент снова не уравновесит сопротивление движению. Поскольку в последовательно возбужденном двигателе ток возбуждения уменьшается противо-ЭДС, не существует скорости, при которой противо-ЭДС превысит напряжение питания, и, следовательно, один последовательно возбужденный тяговый двигатель постоянного тока не может обеспечить динамическое или рекуперативное торможение. Однако существуют различные схемы, применяемые для создания тормозящего усилия с использованием тяговых двигателей. Вырабатываемая энергия может возвращаться в сеть (рекуперативное торможение) или рассеиваться на бортовых резисторах (динамическое торможение). Такая система способна замедлить транспортное средство до низкой скорости, требуя относительно небольшого фрикционного торможения для полной остановки.

Автоматическое ускорение

На электрическом поезде машинист изначально должен был вручную управлять отключением сопротивления, но к 1914 году стало применяться автоматическое ускорение. Это достигалось с помощью ускоряющего реле (часто называемого "реле ступеней") в цепи тягового двигателя, которое контролировало уменьшение тока при отключении каждого шага сопротивления. Машинисту оставалось только выбрать низкую, среднюю или полную скорость (обозначаемые как "последовательное", "параллельное" и "шунтовое" включение, в зависимости от схемы соединения двигателей в цепи сопротивления), а автоматика делала все остальное.

Рейтинг

Электрические локомотивы обычно имеют номиналы непрерывной и часовой мощности. Часовой номинал мощности – это максимальная мощность, которую двигатели могут непрерывно развивать в течение одного часа без перегрева. Такое испытание начинается с двигателей при температуре +25 °C (и наружного воздуха, используемого для вентиляции, также при +25 °C). В СССР, согласно ГОСТ 2582-72 с изоляцией класса N, максимальные допустимые температуры для двигателей постоянного тока составляли 160 °C для якоря, 180 °C для статора и 105 °C для коллектора. Часовой номинал мощности обычно на 10% выше, чем непрерывный, и ограничивается повышением температуры в двигателе. Поскольку тяговые двигатели используют редукторную передачу для передачи крутящего момента от якоря двигателя к ведущей оси, фактическая нагрузка на двигатель варьируется в зависимости от передаточного числа. В противном случае "идентичные" тяговые двигатели могут иметь существенно различающиеся характеристики по нагрузке. Тяговый двигатель, предназначенный для грузовых перевозок с низким передаточным числом, безопасно сможет развивать более высокий крутящий момент на колесах в течение более длительного периода при том же уровне тока, поскольку пониженные передачи обеспечивают двигателю большее механическое преимущество. В дизель-электрических и газотурбинных электрических локомотивах мощность тяговых двигателей обычно составляет около 81% от мощности главного двигателя. Это предполагает, что электрический генератор преобразует 90% выходной мощности двигателя в электрическую энергию, а тяговые двигатели преобразуют 90% этой электрической энергии обратно в механическую энергию. Расчет: 0,9 × 0,9 = 0,81.

Индивидуальные номиналы тяговых двигателей обычно варьируются в пределах…
Другим важным фактором при проектировании или спецификации тяговых двигателей является рабочая скорость. Якорь двигателя имеет максимальную безопасную скорость вращения, при которой обмотки будут надежно зафиксированы. При превышении этой максимальной скорости центробежная сила, действующая на якорь, приведет к выбросу обмоток наружу. В серьезных случаях это может привести к образованию "гнезда" (англ. birdnesting), когда обмотки контактируют с корпусом двигателя и в конечном итоге полностью отсоединяются от якоря и разматываются. Образование "гнезда" (центрифужный выброс обмоток якоря) из-за превышения скорости может произойти как в рабочих тяговых двигателях ведущих локомотивов, так и в тяговых двигателях нерабочих локомотивов, перевозимых в составе поезда, движущегося с чрезмерной скоростью. Другой причиной может быть замена изношенных или поврежденных тяговых двигателей на устройства, неправильно подобранные для конкретного применения. Повреждения от перегрузки и перегрева также могут привести к образованию "гнезда" при скоростях ниже номинальных, если сборка якоря, обмотки и их крепежные элементы были повреждены в результате предыдущих неблагоприятных воздействий.

Охлаждение

Из-за высоких уровней мощности тяговые двигатели почти всегда охлаждаются принудительным воздушным потоком, водой или специальной диэлектрической жидкостью. Типичные системы охлаждения на дизель-электрических локомотивах в США состоят из электрического вентилятора, нагнетающего воздух в канал, встроенный в раму локомотива. Резиновые воздуховоды соединяют этот канал с отдельными тяговыми двигателями, и охлаждающий воздух проходит вниз и обтекает обмотки, прежде чем быть выброшенным в атмосферу.