1 Краткий исторический обзор развития тягового машиностроения. Современное состояние и перспективы. 1834–академик Якобей Б. С. изобрел дв-ль пост. тока для движения судна по р. Нева. 1876–инж­-р Перотский А. Ф. провел первые исследования по электрофикации городского тр–та. На ж. д. транспорте электрофицировались пригороды и горные участки. Первым заводом тягового машиностроения был завод «Электрик», на кот. в 1924 г. были построены 10 тяговых электродвигателей мощностью 110 кВт при частоте вращения 660 об/мин для первого в мире магистрального тепловоза с электрической передачей системы Я. М. Гаккеля. Также были построены в 1924г. ТЭД для трамваев, кот. имели мощность 50 кВт. С 1928 тяговое электромашиностроение было сосредоточено на московском зав-е «Динамо. 1929–первый ТЭД для электровоза ВЛ19 (мощность 340 кВт). 1934–были созданы сдвоенные ТЭД для электровозов мощностью 2×340 кВт. В послевоенные годы центром электровозостроения стал г. Новочеркасск (НЭВЗ). До 1955г. электрофикация проводилась на пост. токе (3 кВ). В последующем – на переменном токе напряжением 25 кВ. Задачи, стоящие на будущее: 1) увеличение скорости движения груз. электровозов до 130–140 км/ч с увеличением нагрузки на ось до 30 т.; пассажирских–до 200-250 км/ч; 2) переход на асинхронный привод; 3) широкое внедрение импульсного регулирования, т. е. обеспечение плавного регулирования. Однако пульсация тока б. еще больше, чем у пульсирующих ТЭД, а это потребует от разработчиков полную или частичную шихтовку ТЭД, рациональное шунтирование главных полюсов, применение компенсационной обмотки. 2 Общие сведения о ТЭД: параметры, разновидности, особенности конструкции, характеристики. ТЭД–машины спец. исполнения, кот. предназначены для привода ведущих колес ЭПС и тепловозов. Прим-ся индив. привод КП, при кот. каждая ведущая КП связана с ТЭД. Но имеет место и групповой привод, при кот. один ТЭД связан с двумя КП одной тележки. Мощность: для электровозов–номин. от 900 до 1200 кВт; для электропоездов–230-250 кВт; для троллейбусов–150-200 кВт; для трамваев–50-60 кВт; для тепловозов–до 300-450 кВт. ТЭД д. иметь электр. торможение, кот. м. б. либо рекуперативным, либо реостатным. В основном прим–ся коллекторные ТЭД постоянного и пульсирующего тока. Подвешивание ТЭД: 1) опорно-осевое, при кот. более 50 % массы двигателя ч/з подшипники передается на ось КП. В рез-те воздействие ж/д пути на ПС возрастает; 2) опорно-рамное, при кот. ТЭД укрепляется на раме тележки, кот. подрессорена и поэтому динам. воздействие на путь снижается в несколько раз. Вентиляция: ТЭД д. интенсивно охлаждаться (100 м3 воздуха в мин). Вентиляция выполняется независимой. На электропоездах использ. самовентиляция, при кот. вентилятор встроен в ТЭД.

3 Условия работы ТЭД на подвижном составе. Работоспособность и эксплуат. качества ТЭД зависят от соответствия их параметров конструкции к условиям эксплуатации: 1) внутр. динам. силы, вызванные преимущественно технологич. и эксплуат. отклонениями от расчетных показателей (искажение раб. пов-сти коллектора, разбалансировка якоря, неисправности тяг. передачи и деталей подвешивания); 2) внешн. динам. силы, кот. проявляются м/у ходовыми частями ЭПС и рельсами при движении поезда. Уровень этих импульсных сил обычно оценивают значением динам. ускорения (ад): , где G – масса подвижных частей электровоза; – относительное динам. ускорение, ; = 10…15; при выс. скоростях: = 20…25; при опорно-рамном подвешивании: = 3…5; 3) ТЭД находятся близко от пути и поэтому необходимо предусматривать меры по защите от проникновения загрязнений (пыль, влага и т. д.), захватываемыми возд. потоком при движении поезда; 4) загрязнение ТЭД частицами износа щеток коллектора, что снижает изоляционные св-ва и способствует образованию круговых огней; 5) ЭПС раб. при изменяющихся режимах, при этом ток изменяется от Iд = 0,25Iдн до Iдmax = 2Iдн, что приводит к потерям. Мощность потерь: , ; 6) при раб. ТЭД возникают переходные процессы, на хар-р кот. существ. влияние оказывают накопители энергии: кинетические: , где m – масса узлов; V – скорость; электромагнитные: , где L – индуктивность; I – ток. На хар-р перех. процессов оказывают влияние скорости и скорости изменения тока. – в режиме тяги при КЗ составляет 104…105 А/с. В режиме рекуперативного торможения ≈ 106 А/с. При этом возникает ЭДС самоиндукции, кот. в свою очередь вызывает коммутационное перенапряжение: . По опыту проектирования eк = (5…8)Uдн. Тяжелые неустановившиеся процессы возникают при боксовании и восстановлении напряжения. Все это требует больших конструкционных запасов; 7) ГОСТ 2582 допускает разброс электромех-х хар-к в пределах ±3 % от номинальных знач-й. В эксплуатации при различных диаметрах бандажей возникает разброс токов параллельных ветвей; 8) изменение напряжения КС. Согласно ГОСТ 9269 допускается изменение напряжения КС пост. тока от 2 кВ до 4 кВ при номин. напряжении 3 кВ; при переем. токе – от 19 кВ до 29 кВ при номин. 25 кВ; 9) температурное воздействие на ТЭД в соответствии с ГОСТ 2582 рассчитывается для работы при темп-ре окр. среды от +40 ºС до –60 ºС. Температура ТЭД оценивается по превышению над окр. средой. В зав-сти от класса нагревостойкости изоляции она м. достигать: В – 120 ºС, F – 140 ºС, H – 160 ºС.

4 Особенности работы и требования, предъявляемые к ТЭД. 1) развивать высокий пусковой вращающий момент, а для электропоездов – требуемое ускорение; 2) выдерживать эксплуатационный уровень перегрузок; 3) обеспечивать реверсирование, т. е. движение вперед – назад; 4) обеспечивать работу ТЭД в генераторном режиме, обеспечивая электрическое торможение; 5) иметь удовлетворительную коммутацию в переходных режимах, исключающую возникновение кругового огня на коллекторе; 6) обеспечивать высокую эксплуатационную надежность и безопасность движения; 7) по конструкции д. б. ремонтно-пригодными; 8) иметь высокие технико-экономические показатели: высокий КПД и минимальный расход материала на единицу мощности.

5 Номинальные и предельные режимы работы и параметры ТЭД. ТЭД раб. при изменяющихся режимах. Для их расчета и общ. оценки устанавливают регламентирующие номин. режимы. Этим режимам соответствуют номинальные параметры: мощность, напряжение, ток, частота вращения, вращающий момент. Для ТЭД согласно ГОСТ 2582 устанавливают 2 номинальных режима: 1) продолжительный режим работы, кот. соответствует наибольшему току якоря, при кот. в течение неограниченного времени работы номин. напряжение на его зажимах с возбуждением и вентиляцией соответствуют режиму, не вызывающему превышения предельно допустимой температуры. Температура достигается ч/з 4–6 часов с начала испытания. 2) часовой режим – режим работы с наибольшим током якоря, при кот. из холодного состояния в течение 1 часа с возбуждением и вентиляцией, соответствующих этому ре-жиму не происходит повышение предельно допустимой температуры за 1 час раб-ы. Параметры ТЭД устанавливают в процессе эксплуатационных испытаний и относят к продолжительному или часовому режиму: для продолжительного ­– Iд∞, Pд∞, nд∞, ηд∞; для часового – Iдч, Pдч, nдч, ηдч. Расчетным режимом для ТЭД электровозов является продолжительный, для ТЭД электропоездов – часовой. На ЭПС пост. тока напряжение номинальное КС: . Но тяговые двигатели включены последовательно, и поэтому: , где Uкн – номин. напряжение на коллекторе. Напряжение в сети Uсн определяет класс изоляции токоведущих частей от корпуса, а напряжение на зажимах Uкн определяет параметры ее электромагнитной системы. Для ТЭД, кот. питаются от преобразовательной установки, т. е. на ЭПС переменного тока, напряжение Uкн на зажимах дв-ля выбирают из технико-экономических соображений независимо от напряжения сети. Часто используют принцип одного дв-ля, у кот. . Напряжение в сети нестабильно, его предельное наибольшее значение регламентируется ПТЭ ж. д. Для ЭПС пост. тока: , . Для ЭПС переем. тока: . Соотношение м/у токами и мощностями номинального режима зависит от интенсивности его вентиляции и называют его коэффициентом изоляции: . Чем интенсивнее изоляция, тем Квент ближе к 1.Предельные значения тока и мощности, кот. определяются коэффициентом конструктивной перегрузки: . Предельный ток Iдпред находят при стендовых испытаниях, вращая якорь в обоих направлениях по 30 сек, при чем Ккп ≥ 2. Определяющий фактор предельного тока – это коммутация ТЭД. Для условий эксплуатации принимается коэффициент эксплуатационной перегрузки: . Максимальный ток от номинального больше в 1,5–2 раза больше, но меньше предельного. Частота вращения nд оказывает серьезное влияние на конструкцию машины и ее работоспособность. От центробежных сил, кот. пропорциональны квадрату частоты вращения, зависит прочность коллектора и крепления обмотки якоря: . nдmax определяется конструкционной скоростью при полуизношенных бандажах движущихся колес. При боксовании и эксплуатации частота вращения м. б. больше nдmax, поэтому пи расчете на прочность элементов ТЭД устанавливают испытательную частоту вращения: nдисп = 1,25nдmax – при постоянном параллельном соединении ТЭД; nдисп = 1,35nдmax – при последовательном соединении ТЭД. Важным параметром является соотношение скоростей, т. е. коэффициент скорости: . Практически KV = 1,8…2,0, nдmax = 2000…3000 об/мин (для метро в 2 раза больше), nдн = 800…1000 об/мин, V_н = 50…55 км/ч.

6 Основные соотношения между физическими величинами, характеризующими работу ТЭД. Напряжение питания на двигателе уравновешивается противоЭДС Ед и падением омического напряжения якоря: , где Rп – сопротивление пусковых резисторов; ∑Rяд – сумма сопротивлений якоря; , где Се – машинная постоянная; , где Na – число активных проводников обмотки якоря; а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря; р – число пар полюсов; → . Необходимо получить nд: 1) важнейшая формула регулирования частоты вращения: , отсюда следуют способы изменения частоты вращения. В основном изменяют за счет изменения Фд; 2) ; 3) коэффициент ослабления поля: , где – ослабленный режим при ОП; ; – намагничивающий режим при ПП; . Тогда: ; 4) Мощность двигателя: .

7 Рабочие характеристики ТЭД и их разновидности. 1) Электромеханические, кот. относятся к малым ТЭД: , и при Uкн = const. Такие хар-ки имеют вид:

Т акие хар-ки при различных значениях тока Iд = (0…1,5) Iдн, полученные усреднением Iд данного испытанного ТЭД наз. типовыми. 2) Электротяговые хар-ки, относящиеся к ободу движущегося колеса при UC = const: , и . 3) Тяговая хар-ка: при различных ступенях регулирования возбуждения. Тяговые хар-ки дополняют ограниченными силами тяги по условию сцепления колес с рельсами: , где ψк(V) – коэффициент сцепления колеса с рельсами, кот. изменяется в зав-сти от скорости V по эмпирической зав-сти. Устанавливают его в зав-сти от испытаний на кольце. Если велика, то такая хар-ка наз. мягкой. Если V изменяется в узких пределах, при параллельной работе скорости от тока зависят незначительно . Такие хар-ки наз. жесткими. На мягкие характеристики может влиять степень насыщенности магнитопровода. При последовательном возбуждении степень мягкости хар-ки зависит от степени насыщения и изменяется с изменением тока.

8 Характеристики мощности тэд при разл схемах возбуждения и степени насыщения

Хар-ка мащности представляет собой зависимость реализуем мощности Р_к или потребляемой от скорости движения U_д=const

Р=U_дI_д_д, Р_к=F_кV*10^-3

F_к-касательная сила тяги.Св-ва тяговых двигатдля различных схем возбуждения идеальная мощность идеального двигателя и одной и тойже номинальной мощности .

Р

_вн-при высокой степени

насыщенности

Р_еи-идеальная мощность

идеального двигателя

Р_пи- идеальная пусковая

мощность

Р_пм- пусковая мощность

малого насыщения

Р_пв- пусковая мощность

высокого насыщения

Р_пн- пусковая мощность

смешенного возбуждения

Р_пм- пусковая мощность

независимого возбуждения

1-участок разгона

2-участок постоянной мощности

9 Принципы регулирования режимов работы ТЭД. Регулирование бывает двух видов: 1–ступенчатое; 2 – плавное (с помощью тиристорных схем). Регулирование режимов работы ТЭД влечет и регулирование скорости движения. 1 способ: Изменение напряжения питания: Если исходная характеристика соответствует Uдо, то при том же токе и магнитном потоке скорость при напряжении Uдк определяем по формуле: , где Vo – скорость при Uдо; VК – скорость при напряжении Uдк. Учитывая, что приближенно можно считать, что . На ЭПС постоянного тока при наличии нескольких ТЭД иногда применяют перегруппировку ТЭД, т. е. переключение ТЭД с последовательного соединения на параллельное. В этом случае потери энергии в пусковых реостатах снижаются за время пуска примерно в 2 раза. При этом получается дополнительная безреостатная характеристика для движения ЭПС с малой скоростью и снижается расход энергии в эксплуатации. Скорость при этом , где mд – количество двигателей включенных последовательно. 2 способ: Регулирование скорости включением в цепь якоря резисторов: Применяется при пуске ЭПС постоянного тока. При том же токе скорость будет изменяться , где Rп – величина пускового резистора; Uдк – напряжение на зажимах ТЭД, а при включении пускового резистора R_п, это будет напряжение на зажимах ТЭД и резисторах.

Из-за падения напряжения IдRп исходная характеристика заменяется характеристикой с пониженными скоростями. Принимаем V=0, а это значит → → . Такое регулирование применяют кратковременно при пуске ЭПС, т. к. сопровождается значительными потерями энергии. , где измеряется в Вт/с или Дж; Тц – продолжительность пуска.

10 Принципы регулирования магнитного потока ТЭД. Через изменение магнитного потока регулируют скорость движения. . Этот способ используют при ходовых режимах работы. Способы изменения магнитного потока: 1) в двигателе последовательного возбуждения, где ток возбуждения регулируется шунтированием обмотки возбуждения: ; . Магнитный поток пропорционален намагничивающей силе F, которая равна произведению числу витков обмотки возбуждения на ток возбуждения.

, где – коэффициент ослабления магнитного потока; ИШ – индуктивный шунт. Позволяет в переходных режимах сохранять распределение токов между цепями возбуждения и шунтированием. Без шунта в первый момент включения контактора QS IВ = 0 и поэтому IД ≈ 3,5IДН , вместо . С включенным индуктивным шунтом значения выглядят следующим образом IД ≈ 1,5IДН , вместо и LШ = (0,5…0,75)L_В. На электровозах используют несколько ступеней ослабления.

2)Второй способ регулирования за счет изменения числа витков обмотки возбуждения.

Рассматривая способы изменения магнитного потока окончательно вывод делаем по 3 способам: 1) Способ ослабления возбуждения шунтирования не требует усложнения конструкции ТЭД, но индуктивные шунты это тяжелое и громоздкое оборудование. Этот способ не обеспечивает стабильности коэффициента ослабления поля. 2) Регулирование секционированием катушек обеспечивает стабильное значение коэффициента ослабления, но усложняется конструкция ТЭД за счет межкатушечных соединений и выводов проводов из машины. Поэтому на электровозах этот способ не применяется. 3) – способ. ТЭД с независимым возбуждением при котором ток возбуждения изменяется автоматической системой по заданной программе. Такие системы перспективны, но требуют сложных систем управления.

11 Назначение индуктивных шунтов. Коэффициент ослабления магнитного потока. Рассматриваем двигатель последовательного возбуждения, где ток возбуждения регулируется шунтированием обмотки возбуждения.

; , где – коэффициент ослабления магнитного потока. ИШ– индуктивный шунт. Позволяет в переходных режимах сохранять распределение токов между цепями возбуждения и шунтированием. Без шунта в первый момент включения контактора QS IВ=0 и поэтому IД 3,5IДН , вместо . С включенным индуктивным шунтом значения выглядят следующим образом IД 1,5IДН , вместо и LШ=(0,5 0,75)L_В. На электровозах используют несколько ступеней ослабления.

При способе регулирования за счет изменения числа витков обмотки возбуждения коэффициент ослабления магнитного потока выглядит следующим образом

Способ ослабления возбуждения шунтирования не требует усложнения конструкции ТЭД, но индуктивные шунты это тяжелое и громоздкое оборудование. Этот способ не обеспечивает стабильности коэффициента ослабления поля.

Регулирование секционированием катушек обеспечивает стабильное значение коэффициента ослабления, но усложняется конструкция ТЭД за счет межкатушечных соединений и выводов проводов из машины. Поэтому на электровозах этот способ не применяется.