Тяговый двигатель

Тяговый двигатель представляет собой электрический двигатель используется для приведения в движение транспортного средства, такие , как локомотивы , электрические или водородных транспортные средства , лифты или электрический множественный блок .

Тяговые двигатели используются в рельсовых транспортных средствах с электроприводом ( электроприводы ) и других электромобилях, включая электрические молочные поплавки , лифты , американские горки , конвейеры и троллейбусы , а также в транспортных средствах с системами электропередачи ( дизель-электрические локомотивы , гибридные электромобили. ) и аккумуляторные электромобили .

Типы двигателей и управление [ править ]

Двигатели постоянного тока с последовательными обмотками возбуждения - самый старый тип тяговых двигателей. Они обеспечивают характеристику "скорость-крутящий момент", полезную для приведения в движение, 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 характеристика скорости может быть изменена, что позволяет оператору относительно плавно управлять ускорением. Еще одна мера контроля обеспечивается за счет использования пар двигателей на транспортном средстве в последовательно-параллельном управлении.; 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 переменного тока, также известный как универсальный двигатель , который по сути является тем же устройством, но работает на переменном токе . Поскольку и якорь, и ток возбуждения меняют направление одновременно, поведение двигателя аналогично тому, когда он запитан постоянным током. Для достижения лучших условий эксплуатации железные дороги переменного тока часто получают ток с более низкой частотой, чем коммерческие источники, используемые для общего освещения и электроснабжения; Специальные тяговый ток электростанция используется, или вращающиеся электрическими преобразователи используются для преобразования 50 или 60 Гц коммерческой мощности до 25 Гц или 16 ² / ₃  частота Гц используются для тяговых двигателей переменного тока. Система переменного тока позволяет эффективно распределять мощность по длине железнодорожной линии, а также позволяет регулировать скорость с помощью распределительного устройства на транспортном средстве.

Асинхронные двигатели переменного тока и синхронные двигатели просты и не требуют особого обслуживания, но их неудобно применять 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 силовых полупроводников позволило установить частотно-регулируемый привод на локомотив; 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 [ править ]

Дорожные транспортные средства [ править ]

Традиционно дорожные транспортные средства (легковые автомобили, автобусы и грузовики) использовали дизельные и бензиновые двигатели с механической или гидравлической трансмиссией. Во второй половине 20 - го века, транспортные средства с электрическими системами передачи (питание от двигателей внутреннего сгорания , батареи или топливные элементы ) начали разрабатываться-одно преимущество использования электрических машин является то , что типы специфические могут регенерировать энергию (т.е. выступать в качестве регенеративного тормоз ) - обеспечение замедления, а также повышение общей эффективности за счет зарядки аккумуляторной батареи.

Железные дороги [ править ]

Традиционно это были щеточные электродвигатели постоянного тока с последовательной обмоткой , обычно работающие примерно от 600 вольт. Доступность высокомощных полупроводников ( тиристоров и IGBT ) в настоящее время сделала возможным использование гораздо более простых и надежных асинхронных двигателей переменного тока, известных как асинхронные тяговые двигатели. Иногда используются синхронные двигатели переменного тока , например, во французском TGV .

Монтаж двигателей [ править ]

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

Обычно тяговый двигатель подвешивается на трех точках между рамой тележки и ведомой осью; это называется «тяговым двигателем с носовой подвеской». Проблема с такой компоновкой заключается в том, что часть веса двигателя неподрессорена , что увеличивает нежелательные силы на гусенице. В случае знаменитой Пенсильванской железной дороги GG1 два установленных на тележке двигателя приводили в движение каждую ось через гусеничный привод . « Биполярные » электровозы, построенные General Electric для Милуоки-роуд, имели двигатели с прямым приводом. Вращающийся вал двигателя был также осью для колес. В случае с французскими силовыми автомобилями TGVдвигатель, установленный на раме силового автомобиля, приводит в движение каждую ось; «Треножный» привод 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 [ править ]

Электродвигатель постоянного тока долгие годы являлся основой электрических тяговых приводов электрических и дизель-электрических локомотивов, трамваев / трамваев и дизель-электрических буровых установок. Он состоит из двух частей: вращающегося якоря и неподвижных обмоток возбуждения, окружающих вращающийся якорь, установленный вокруг вала. Обмотки фиксированного возбуждения состоят из плотно намотанных катушек провода, помещенных внутри корпуса двигателя. Якорь представляет собой еще один набор катушек, намотанных вокруг центрального вала и подключенных к обмоткам возбуждения через «щетки», которые представляют собой подпружиненные контакты, прижимающиеся к продолжению якоря, называемому коммутатором.. 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 по закону Ома.. Преимущество высокого тока 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 для ограничения начального тока использовались резисторы .

Контроль мощности [ править ]

Когда двигатель постоянного тока начинает вращаться, взаимодействие внутренних магнитных полей заставляет его генерировать внутреннее напряжение. Эта противоэлектродвижущая сила(CEMF) противостоит приложенному напряжению, а протекающий ток зависит от разницы между ними. По мере увеличения скорости двигателя внутреннее генерируемое напряжение растет, 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, следовательно, ток и крутящий момент на немного дольше, пока двигатель не догонит его. В старых поездах постоянного тока это можно услышать и почувствовать как серию стуков 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 называемому уравновешивающей скоростью. Если поезд начинает подниматься по склону, скорость уменьшается, потому что сопротивление превышает крутящий момент, и уменьшение 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,скорость уменьшается, потому что сопротивление больше крутящего момента, и уменьшение скорости вызывает падение CEMF и, следовательно, повышение 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,скорость уменьшается, потому что сопротивление больше крутящего момента, и уменьшение скорости вызывает падение CEMF и, следовательно, повышение 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 силовой электроники ) обычно также оснащались последовательно-параллельным управлением .

Локомотивы, работающие от источников переменного тока (с использованием универсальных двигателей в качестве тяговых двигателей), также могут использовать устройства РПН на своих трансформаторах для изменения напряжения, подаваемого на тяговые двигатели, без потерь, присущих резисторам. Класс GG1 Пенсильвания железной дороги был примером такого локомотива.

Динамическое торможение [ править ]

Если поезд начинает спускаться с уклона, скорость увеличивается, потому что (уменьшенное) сопротивление меньше крутящего момента. С увеличением скорости внутреннее генерируемое напряжение обратной ЭДС повышается, уменьшая крутящий момент, пока крутящий момент снова не уравновесит сопротивление. Поскольку ток возбуждения уменьшается за счет обратной ЭДС в двигателе с последовательной обмоткой, не существует скорости, при которой обратная ЭДС превысит напряжение питания, и, следовательно, тяговый двигатель постоянного тока с одной последовательной обмоткой сам по себе 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 [ править ]

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 [ править ]

Электровозы обычно имеют непрерывный и часовой режим . 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] Часовая номинальная мощность обычно примерно на десять процентов выше, чем непрерывная, и ограничивается повышением температуры в двигателе.

Поскольку тяговые двигатели используют редуктор 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, предназначенный для перевозки грузов с низким передаточным числом, будет безопасно создавать более высокий крутящий момент на колесах в течение более длительного периода времени при том же уровне тока, поскольку более низкие передачи дают двигателю больше механических преимуществ.

В дизель-электрических и газовых турбин электровозов , то лошадиных сил рейтинг тяговых двигателей обычно составляет около 81% , что от первичного двигателя . Это предполагает, что электрический генератор преобразует 90% мощности двигателя в электрическую энергию, а тяговые двигатели преобразуют 90% этой электроэнергии обратно в механическую энергию. ^{[ необходима цитата ]} Расчет: 0,9 × 0,9 = 0,81

Номинальная мощность индивидуальных 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 или ниже обмотки будут оставаться на месте.

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.

Птичье гнездо (центробежный выброс обмоток якоря) из-за превышения скорости может происходить либо в работающих тяговых двигателях локомотивов с силовым приводом, либо в тяговых двигателях локомотивов в неподвижном состоянии, которые перемещаются в составе поезда, движущегося слишком быстро. Другая причина - замена изношенных или поврежденных тяговых двигателей на агрегаты, неправильно настроенные для данной области применения.

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

Охлаждение [ править ]

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, нагнетающего воздух в проход, встроенный в раму локомотива. Резиновые охлаждающие каналы соединяют канал с отдельными тяговыми двигателями, и охлаждающий воздух проходит вниз и поперек якоря, прежде чем выбрасывается в атмосферу.

Производители [ править ]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• 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.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме тяговых двигателей .

• «Разбор тягового двигателя - Associated Rewinds (Ireland) Limited»
• Изображение тягового двигателя, установленного на носу, на [[R46 (вагон метро Нью-Йорка) | R46 вагон метро Нью-Йорка. За осью хорошо виден двигатель с коробкой передач с надписью в центре.]
• Другой тяговый двигатель на носу установлен на разбитом [[R38 (вагон метро Нью-Йорка) | R38 вагон метро.]
• Кони-Айлендская мастерская по ремонту грузовиков; много картинок касательно тяговых двигателей
• Отдельностоящий грузовик с тяговыми двигателями.