Как работает электродвигатель поезда

Работа тягового двигателя

Принцип работы. Если машину постоянного тока подключить к источнику напряжения (контактной сети), то она станет работать как электрический двигатель, т. е. превращать электрическую энергию в механическую, развивая вращающий момент на валу двигателя. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основан на взаимодействии тока, протекающего по обмотке якоря, и Магнитного поля, создаваемого полюсами машины.

Вращающий момент двигателя

где с — коэффициент пропорциональности, учитывающий постоянные для данного двигателя величины — число пар полюсов, число проводников и число параллельных ветвей обмотки якоря; I — ток якоря; Ф — магнитный поток.

Если поместить в магнитное поле прямоугольный виток с током, то на стороны витка будут действовать силы, направленные противоположно (направление сил можно определить, пользуясь правилом левой руки). В результате действия этих сил возникнет вращающий момент, который вызовет поворот витка. Машина постоянного тока имеет много витков, последовательно соединенных и расположенных на якоре в виде обмотки. Если пропустить ток через обмотку якоря, то в результате взаимодействия его с магнитным полем полюсов машины возникнут силы, действующие на каждый виток (рис. 43, а). При совместном действии этих сил создается вращающий момент на валу — машина работает двигателем.

При вращении якоря его обмотка пересекает магнитное поле главных полюсов, поэтому в ней по закону электромагнитной индукции возникает э.д.с. Направление э.д.с., индуцируемой в проводнике, определяемое правилом правой руки, будет противоположно напряжению сети. Отсюда ток в обмотке якоря двигателя при его работе

напряжение сети; Е- э.д.с.; гя — сопротивление обмотки якоря двигателя.

Схема, поясняющая возникновение вращающего (а) и тормозного (б) моментов электродвигателя

Значение э.д.с. зависит от частоты вращения п (числа оборотов) двигателя и магнитного потока Ф:

Частота вращения якоря определяется в соответствии с формулами:

Частота вращения якоря электродвигателя последовательного возбуждения меняется в зависимости от нагрузки автоматически, так как вместе с изменением тока в обмотке якоря меняется магнитный поток полюсов. Из формулы (1) видно, что частота вращения якоря п обратно пропорциональна значению магнитного потока Ф. Поэтому нагруженный двигатель (например, при движении груженого вагона на подъеме), потребляющий из сети большой ток, имеет значительный магнитный поток и небольшую частоту вращения якоря. При уменьшении же нагрузки на валу ток в обмотке якоря уменьшается, магнитный поток также уменьшается и частота вращения якоря возрастает. В обоих случаях машина работает почти с постоянной мощностью, благодаря чему колебания нагрузки тяговых подстанций и контактной сети невелики, что улучшает условия их работы.

Реакция якоря. При работе двигателя ток в обмотке якоря создает свое магнитное поле — поле якоря. Одновременное существование двух магнитных полей — поля полюсов и поля якоря — приводит к образованию результирующего магнитного поля (рис. 44).

Действие магнитного поля якоря на поле полюсов машины называется реакцией якоря. Ось результирующего магнитного поля сдвигается относительно физической нейтрали (линии, перпендикулярной оси магнитного поля) в сторону, противоположную направлению вращения якоря двигателя. Для уменьшения реакции якоря и улучшения коммутации щетки двигателей постоянного тока сдвигают в сторону, обратную направлению вращения

Реакция якоря создает неравномерность распределения магнитного потока по окружности якоря: под краями полюсов интенсивность магнитного потока выше. Это может привести к возникновению сильного искрения под щетками и даже кругового огня на коллекторе. Для предотвращения сильного увеличения магнитной индукции под краями полюсных наконечников искусственно увеличивают магнитное сопротивление в указанных местах. Для этого делают больше воздушный зазор под краями полюсных наконечников, внутреннюю поверхность которых располагают эксцентрично относительно наружной поверхности якоря. Так как магнитный поток стремится пройти по пути наименьшего магнитного сопротивления, то большая часть потока полюса проходит в этом случае в якорь через среднюю часть полюса, а потоки через края полюсных наконечников будут минимальными.

Направления магнитных потоков обмоток возбуждения (а), якоря <б) и изменения потока вследствие реакции якоря (в)

Коммутация. Под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе машин постоянного тока. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Искрение щеток могут вызвать многие причины; их разбивают на две группы: механические и электромагнитные. К механическим причинам относятся: слабое нажатие щеток на коллектор, плохая притирка их по поверхности коллектора, некачественная продорожка, плохо отшлифованная поверхность пластин, вибрация щеткодержателей и т.д. Все это приводит к вибрации щеток, в связи с чем возможны кратковременный отрыв щетки от коллектора и возникновение кратковременной электрической дуги.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже при идеальном состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки разрывается ток и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие края щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и, как следствие, приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения из-за механических причин.

Качество коммутации оценивается степенью искрения под сбегающим краем щетки при вращении коллектора по следующей шкале:

1 — отсутствие искрения (темная коммутация);

1 у — слабое точечное искрение под небольшим числом щеток; почернения на коллекторе и следов нагара на щетках нет;

1 У2 — слабое искрение под половиной щеток; наблюдается появление следов почернения на коллекторе и нагара на щетках, легко Устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином;

2 — искрение под всеми щетками; следы почернения на коллекторе и следы нагара на щетках не устраняются при протирании коллектора бензином;

3 — значительное искрение под всеми щетками, наличие крупных вылетающих искр; происходят значительное почернение коллектора, подгар и частичное разрушение щеток.

При степенях искрения 2 и 3 тяговые двигатели к эксплуатации не допускаются.

Возбуждение. В зависимости от способа создания магнитного поля различают машины постоянного тока с независимым возбуждением и самовозбуждением.

У машин с независимым возбуждением обмотки главных полюсов (обмотки возбуждения) питаются от постороннего источника тока. Напряжение на обмотку возбуждения полюсов машины с самовозбуждением подается с ее щеток, причем обмотка возбуждения может быть включена последовательно с обмоткой якоря или параллельно ей. В первом случае машины называют машинами последовательного возбуждения, во втором — параллельного возбуждения. Возможен и такой вариант, когда машина имеет две обмотки возбуждения, намотанные на одни и те же полюса и включенные — одна последовательно с обмоткой якоря, другая — параллельно ей. Такие машины называют машинами смешанного возбуждения.

Тот или иной тип возбуждения определяется назначением машины. Тяговые двигатели вагонов метрополитена являются машинами постоянного тока последовательного возбуждения.

Ток, протекающий по обмоткам якоря и возбуждения, одинаков, и магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, при малом насыщении стали магнитопровода пропорционален току якоря: Ф = с,/я. Так как вращающий момент на валу двигателя М = с1яФ, то для двигателя последовательного возбуждения можно считать, что М= с21я 2 . В этих формулах с, с„ с2 — коэффициенты, учитывающие параметры двигателя (его размеры, число пар полюсов, число проводников обмотки якоря и т.п.) и размерности величин, входящих в формулу.

Квадратичная зависимость вращающего момента от тока в обмотке якоря позволяет при электродвигателе последовательного возбуждения резко увеличивать силу тяги, вращающий момент при пуске, когда двигатель должен преодолеть инерцию нагрузки на валу.

Контрольные вопросы 1. Поясните принцип работы машины постоянного тока в режиме двигателя.

2. От чего зависит вращающий момент двигателя?

3. Какой формулой определяется частота вращения вала двигателя? От чего зависит частота вращения?

4. Что такое реакция якоря и как она влияет на коммутацию машины?

5. Как оценивается качество коммутации?

6. Как классифицируются машины постоянного тока по способу возбуждения?

7. Почему в качестве тяговых двигателей используются машины постоянного тока с последовательным возбуждением?

Источник



Электровоз. Как оно работает

После недавнего поста про устройство тепловоза не мог не написать что-то аналогичное про электровоз. Цель данного поста — рассказать про общее устройство электровоза простым и доступным языком, чтобы было понятно всем и каждому, в том числе людям, не связанным с железной дорогой. Речь пойдет о ЧС7.

Немного покопавшись в интернете, с удивлением обнаружил, что именно про этот электровоз больше всего материалов, постов, рассказов и отчетов. Не знаю, с чем связана такая популярность «семерки»; постараюсь свести воедино всю информацию с необходимыми упрощениями. Все фотографии взяты из интернета из открытых источников, не мои. Свои не делал специально в целях сохранения анонимности.

Итак, ЧС7 — двухсекционный магистральный пассажирский электровоз постоянного тока напряжением 3 кВ или 3000 Вольт. Производства Чехословакии, отсюда и название «ЧС». Цифра «7» означает седьмой тип, т. к. предыдущий тип электровозов ЧС носил номер 6 (ЧС6). Про предпосылки создания, года выпуска и количество машин дублировать Википедию не буду, там это вполне понятно написано. Скажу лишь, что машины данной серии предназначались для вождения длинносоставных и тяжеловесных пассажирских поездов (30 и более вагонов), коих в СССР было предостаточно. С развалом союза поезда такой длины стали неактуальны, и вместе с этим стала не особо нужна исполинская тяга данных локомотивов. Откапиталенные «Чебурашки» ЧС2 вполне справляются с недлинными нынешними поездами, расходуя при этом меньше энергии. Большинство «семерок» по сей день работает на Московской железной дороге.

Внешний вид ЧС7 (первое попавшееся фото из гугл-картинок):

Итак, начнем со «скелета». Электровоз состоит из двух одинаковых секций, каждая из которых оборудована кабиной машиниста, между секциями имеется переход. Между собой секции соединены обычной автосцепкой СА-3, имеющей зазор, что доставляет дополнительные неудобства при ведении поезда под данным локомотивом, но облегчает расцепку секций. Кузов каждой секции рамный, вагонного типа. Рама через шкворни опирается на две двухосные тележки, всего четыре тележки (т. е. 8 осей). Шкворень — это то, на чем «крутится» тележка, т. е. ось ее вращения. Одновременно он же служит основным средством передачи тягово-тормозных усилий. Для обеспечения устойчивости кузова на тележках и поворота их относительно кузова имеются скользуны. Вертикальные колебания, или тряска, гасятся при помощи пружин и гидрогасителей. На крыше каждой секции установлены токоприемники, высоковольтное токоведущее оборудование и главные резервуары, в которых содержится сжатый воздух, используемый в работе тормозов.

Читайте также:  Туту расписание поезда череповец санкт петербург

Переходим к электрической части. Электровоз получает энергию из контактной сети (КС) посредством токоприемников. Если представить себе цепь постоянного тока, то в ней КС будет «плюсом». Далее, пройдя через электровоз и обеспечив питание, тяговый ток уходит в рельсы, а от них — обратно на подстанцию. Это будет «минус», так что рельсов током никого не ударит 🙂 Сразу хочу развеять миф: автономного хода ни у одного электровоза нет. То есть при пропадании напряжения в КС электровоз мгновенно теряет тягу. Аккумуляторная батарея есть, но она на 50В и предназначена для низковольтных цепей.
Идем далее. На каждой оси установлен тяговый электродвигатель (ТЭД), рассчитанный на 1500 В. Поскольку в КС напряжение 3000 В, то ТЭД попарно последовательно соединены в группы. Пара ТЭД на одной тележке и будет являться такой группой. Как помним, у нас четыре тележки, а, значит, и четыре группы ТЭД, каждая из которых рассчитана на 1500+1500=3000 В.
Но, как мы понимаем, сразу подать полное напряжение на двигатели нельзя, получим сгоревшие двигатели и пережог контактного провода 🙂 Для обеспечения плавного разгона группы ТЭД могут соединяться между собой тремя типами соединения: последовательное (сериесное, С), смешанное (сериес-параллельное, СП), и параллельное (П). При сериесном соединении напряжение делится поровну между всеми четырьмя группами: 3000/4=750 В на группу. При СП-соединении напряжение поделится между двумя парами групп ТЭД, соединенных параллельно, т. е. 3000/2=1500 В на группу. И, наконец, при параллельном включении каждая группа получит свои полные 3000 В.
Однако, и этого недостаточно. Тронуться, сразу включив последовательную схему, тоже не выйдет. Для этого в схему вводятся пуско-тормозные резисторы (ПТР), которые обеспечивают еще бОльшее падение напряжения в схеме при трогании. Резисторы также объединены в группы, и по мере набора скорости выводятся из цепи, чтобы энергия на них бездарно не сжигалась. В конечном итоге, из тяговой цепи выводятся полностью все группы ПТР.

Как же это происходит? Расскажу сразу на примере трогания локомотива, так будет проще для восприятия. Рабочее место машиниста выглядит следующим образом (фото из гугл-картинок):

В самом центре фотографии мы видим «вешалку», которая называется контроллером управления тягой. У него есть 56 так называемых позиций, каждая позиция означает определенную конфигурацию тяговой цепи. Т. е. меняя позицию контроллера, мы вводим или выводим пуско-тормозные сопротивления или меняем тип соединения групп ТЭД. Мы ведь еще не забыли, что это такое? 🙂

Итак, мы стоим, контроллер находится в нулевой позиции. Тяги нет. Чтобы тронуться, начинаем набирать позиции (опишу ручной набор, есть еще автоматический): поворачиваем «вешалку» влево и возвращаем в исходное положение. Таким образом, мы набрали одну, первую, позицию. Она означает последовательное соединение групп тяговых двигателей и ввод всех групп резисторов в цепь. Долго ехать на такой позиции нам не нужно, энергия впустую сжигается на резисторах, а скорость толком не набирается. Поэтому переходим на вторую позицию точно таким же образом, как набрали первую: влево и обратно. Что произошло? У нас вывелась из цепи одна группа сопротивлений, напряжение на ТЭД увеличилось, тяга возросла. Ввод-вывод осуществляется проворотом ПБК 330 — промежуточного барабанного контроллера. Фото найти не смог, выглядит как круглый кохух с барабаном внутри. Поворачиваясь на 90 градусов, он замыкает или размыкает контакторы очередной группы ПТР.

Продолжаем набирать позиции дальше, не забывая следить по амперметрам за током в цепи тяги. К слову, амперметры находятся прямо перед контроллером, их четыре (по одному на тележку). Плавно разгоняясь, доходим до 20ой позиции. Интересна она тем, что на ней полностью выведены все сопротивления, но тип соединения все еще сериесное, «С». Такая позиция называется «ходовая», на ней можно ехать как угодно долго без потерь энергии на тепло в резисторах.

Что же дальше, если тяги 20той позиции нам недостаточно? Если далее планируется длительный интенсивный разгон, переходим на следующий тип соединения («СП»). Набираем 21ю позицию, она является переходной между типами соединения, задерживаться на ней не нужно, и переходим на 22ю. Эта позиция аналогична первой — на ней введены все имеющиеся группы резисторов с той лишь разницей, что теперь группы ТЭД у нас соединены не последовательно, а смешанно. Далее все происходит точно также — набирая позиции одну за другой, выводим реостаты из цепи, и доходим до ходовой позиции СП-соединения, она носит номер 38. На ней также можно ехать сколько требуется. Дальнейший переход на параллельное соединение происходит совершенно похожим образом. Ходовая позиция параллели имеет номер 56, это максимально возможная тяга.
Сброс позиций происходит или поворотами ручки контроллера вправо, или нажатием кнопки. В этом случае позиции сбрасываются до ближайшей ходовой.

Есть еще один интересный момент. На каждой ходовой позиции мы можем воспользоваться еще одним способом увеличения тяги — шунтированием обмоток ТЭД. Как известно из физики, скорость вращения вала двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку. Напряжение мы повышаем выводом сопротивлений, а понизить поток можем, навешивая на обмотки двигателей шунты. Для этого нажимаем на контроллер, утапливая его вниз, и также поворачиваем влево. Всего есть 5 ступеней ослабления возбуждения. Удобно, когда, к примеру, нет надобности переходить на более высший тип соединения, но нужно повысить тягу. Или после нажатия на кнопку сброса позиций, «пока крутится барабан» ПБК 330, навешиваем шунты. В связи с этим уточнение: максимально возможная тяга — это 56 позиция со всеми шунтами.

Кратко пройдусь по остальным основным органам управления и приборам. Добавлю еще одно фото, дабы разбавить простыню текста (также из гугл-картинок):

Кроме контроллера, в кабине имеется поездная радиостанция (под лобовым стеклом), кран управления тормозами состава (красный справа, со шляпкой ЭПТ), чуть выше него — кран управления тормозами только локомотива (на фото обрезан, но кусок виден, тоже красного цвета), система безопасности КЛУБ-У, хорошо описанная в отдельном посте: http://pikabu.ru/story/quotshob_ne_uekhat_u_kustyiquotili_o_.
Слева под контроллером находится ось для реверсивной рукоятки. Это такой своеобразный аналог ключа в автомобиле — машинист снимает рукоятку и уносит с собой, предварительно выставив нейтральное положение. На фото рукоятка отсутствует. Положений у нее три — «вперед», «реверс» и «нейтраль», тут все просто.
Еще левее находится блок пакетных переключателей (на фото не виден), с которого включаются буферные фонари, компрессоры в случае ручного пуска и еще много всего.
На наклонной панели слева от амперметров находятся лампы указания позиций. Еще не забыты «С», «СП» и «П»? 🙂 В зависимости от типа соединения групп ТЭД в данный момент и будет гореть одна из трех ламп нижнего ряда. На фото они даже подписаны соответствующим образом. Левая верхняя лампа означает нулевую позицию, верхняя правая — что в данный момент электровоз идет на ходовой позиции, т. е. без резисторов в цепи тяги. Справа в едином блоке с амперметрами тяговой цепи находятся еще два прибора — вольтметр и амперметр ЭПТ (электро-пневматического тормоза), поэтому всего приборов на фото шесть.

Напоследок, в правой части наклонной панели расположено пять манометров. Два верхних показывают давление в тормозной магистрали и уравнительном резервуаре, их показания практически одинаковые. В нижнем ряду расположены манометры главного резервуара (ГР, о нем я упоминал в начале), тормозных цилиндров (фактически, его показание означает тормозное усилие в данный момент), а третий предназначен для электродинамического тормоза, который по факту на данных машинах не используется.

Хотел рассказать еще и про тормоза, но понял, что будет слишком много информации. Тем более, устройство тормозов примерно одинаково и на тепловозах, и на электровозах. Если интересно, расскажу в отдельном посте. Все интересующие вопросы задавайте в комментариях, постараюсь ответить. Спасибо всем, кто дочитал до конца 🙂

Источник

Как устроен поезд

Что такое поезд вообще? Это ряд вагонов без двигателя, тянет которые по рельсам локомотив. Он же движется за счет мотора – электрического или комбинированного (дизеля и электродвигателя). Один локомотив может тянуть несколько десятков вагонов. Когда одного локомотива недостаточно, то состав тянет пара или даже несколько пар электровозов или локомотивов.

Какие бывают моторы у локомотива?

  • Электромоторы используются только в поездах, которые ездят по одному рельсовому пути на короткие расстояния. Такие поезда получают электроэнергию от проводов, протянутых выше рельсового пути. Исключением являются электропоезда метро — они получают электроэнергию через третий рельс на пути.
  • Комбинированные моторы способны обеспечить такую мощность, чтобы двигать локомотивы, тянущие за собой товарняки с тяжелым грузом. Сгорающее дизельное топливо приводит в действие генератор, который вырабатывает электричество, а электричество питает моторы, приводящие в движение колеса.
  • Ранее электро- и комбинированных моторов в локомотивах, в паровозах стояла паровая машина (именно поэтому тогдашние локомотивы назывались паровозами). Паровая машина приводились в действие с помощью перегретого пара, который получали, сжигая в топках уголь или дрова.
Читайте также:  Кострома нея поезд расписание электричек

Почему у поезда стучат колеса?

Рельсовое полотно состоит из отдельных отрезков рельс в 25 метров каждый. Между ними есть небольшой зазор, он необходим потому, что в летнюю жару металл имеет свойство расширяться, а в зимние холода наоборот сужаться. И данные зазоры обеспечивают подвижность металла без ущерба его эксплуатации.

Характерный стук колес получается от того, что вагону приходится «запрыгивать» на следующий отрезок рельса, ведь край рельсы, когда на нее наезжает колесо поезда, под весом состава слегка прогибается.

Стук повторяется в определенной последовательности, которая зависит от веса состава и его скорости.

В странах, где резкие перепады температур совсем незначительны, рельсы укладываются без зазора и колеса вагона едут по ним без стука.

Почему нумерация вагонов в поезде не всегда “с головы” и какие вагоны бывают

Обычно «голова едет впереди» в тех составах, которые двигаются из начальной станции. И наоборот – при отправке из конечной. Но по дороге направление может несколько раз меняться, и локомотив оказывается то с одного, то с другого конца состава. А на станции Киев-пассажирский привычная фраза «нумерация с головы (или хвоста)» теперь заменена новыми ориентирами – восточным или западным направлениями.

Так что, для того, чтобы разобраться откуда начинается нумерация, следует внимательно слушать, что говорит “тетка, которая объявляет о прибытии поезда”.

Как расположены вагоны и можно ли садиться не в свой вагон

Плацкартные вагоны всегда находятся по краям состава, а купейные, СВ и вагон-ресторан – в центре поезда. То есть, если вы купили билет в купейный вагон, вам стоит сразу направляться в центр состава.

А на станциях, где небольшое время остановки, вы можете садиться в ближайший вагон, а затем пройти в свой уже в движущемся поезде.

Источник

Работа тягового двигателя

Принцип работы. Если машину постоянного тока подключить к источнику напряжения (контактной сети), то она станет работать как электрический двигатель, т. е. превращать электрическую энергию в механическую, развивая вращающий момент на валу двигателя. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основан на взаимодействии тока, протекающего по обмотке якоря, и Магнитного поля, создаваемого полюсами машины.

Вращающий момент двигателя

где с — коэффициент пропорциональности, учитывающий постоянные для данного двигателя величины — число пар полюсов, число проводников и число параллельных ветвей обмотки якоря; I — ток якоря; Ф — магнитный поток.

Если поместить в магнитное поле прямоугольный виток с током, то на стороны витка будут действовать силы, направленные противоположно (направление сил можно определить, пользуясь правилом левой руки). В результате действия этих сил возникнет вращающий момент, который вызовет поворот витка. Машина постоянного тока имеет много витков, последовательно соединенных и расположенных на якоре в виде обмотки. Если пропустить ток через обмотку якоря, то в результате взаимодействия его с магнитным полем полюсов машины возникнут силы, действующие на каждый виток (рис. 43, а). При совместном действии этих сил создается вращающий момент на валу — машина работает двигателем.

При вращении якоря его обмотка пересекает магнитное поле главных полюсов, поэтому в ней по закону электромагнитной индукции возникает э.д.с. Направление э.д.с., индуцируемой в проводнике, определяемое правилом правой руки, будет противоположно напряжению сети. Отсюда ток в обмотке якоря двигателя при его работе

напряжение сети; Е- э.д.с.; гя — сопротивление обмотки якоря двигателя.

Схема, поясняющая возникновение вращающего (а) и тормозного (б) моментов электродвигателя

Значение э.д.с. зависит от частоты вращения п (числа оборотов) двигателя и магнитного потока Ф:

Частота вращения якоря определяется в соответствии с формулами:

Частота вращения якоря электродвигателя последовательного возбуждения меняется в зависимости от нагрузки автоматически, так как вместе с изменением тока в обмотке якоря меняется магнитный поток полюсов. Из формулы (1) видно, что частота вращения якоря п обратно пропорциональна значению магнитного потока Ф. Поэтому нагруженный двигатель (например, при движении груженого вагона на подъеме), потребляющий из сети большой ток, имеет значительный магнитный поток и небольшую частоту вращения якоря. При уменьшении же нагрузки на валу ток в обмотке якоря уменьшается, магнитный поток также уменьшается и частота вращения якоря возрастает. В обоих случаях машина работает почти с постоянной мощностью, благодаря чему колебания нагрузки тяговых подстанций и контактной сети невелики, что улучшает условия их работы.

Реакция якоря. При работе двигателя ток в обмотке якоря создает свое магнитное поле — поле якоря. Одновременное существование двух магнитных полей — поля полюсов и поля якоря — приводит к образованию результирующего магнитного поля (рис. 44).

Действие магнитного поля якоря на поле полюсов машины называется реакцией якоря. Ось результирующего магнитного поля сдвигается относительно физической нейтрали (линии, перпендикулярной оси магнитного поля) в сторону, противоположную направлению вращения якоря двигателя. Для уменьшения реакции якоря и улучшения коммутации щетки двигателей постоянного тока сдвигают в сторону, обратную направлению вращения

Реакция якоря создает неравномерность распределения магнитного потока по окружности якоря: под краями полюсов интенсивность магнитного потока выше. Это может привести к возникновению сильного искрения под щетками и даже кругового огня на коллекторе. Для предотвращения сильного увеличения магнитной индукции под краями полюсных наконечников искусственно увеличивают магнитное сопротивление в указанных местах. Для этого делают больше воздушный зазор под краями полюсных наконечников, внутреннюю поверхность которых располагают эксцентрично относительно наружной поверхности якоря. Так как магнитный поток стремится пройти по пути наименьшего магнитного сопротивления, то большая часть потока полюса проходит в этом случае в якорь через среднюю часть полюса, а потоки через края полюсных наконечников будут минимальными.

Направления магнитных потоков обмоток возбуждения (а), якоря <б) и изменения потока вследствие реакции якоря (в)

Коммутация. Под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе машин постоянного тока. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Искрение щеток могут вызвать многие причины; их разбивают на две группы: механические и электромагнитные. К механическим причинам относятся: слабое нажатие щеток на коллектор, плохая притирка их по поверхности коллектора, некачественная продорожка, плохо отшлифованная поверхность пластин, вибрация щеткодержателей и т.д. Все это приводит к вибрации щеток, в связи с чем возможны кратковременный отрыв щетки от коллектора и возникновение кратковременной электрической дуги.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже при идеальном состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки разрывается ток и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие края щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и, как следствие, приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения из-за механических причин.

Качество коммутации оценивается степенью искрения под сбегающим краем щетки при вращении коллектора по следующей шкале:

1 — отсутствие искрения (темная коммутация);

1 у — слабое точечное искрение под небольшим числом щеток; почернения на коллекторе и следов нагара на щетках нет;

1 У2 — слабое искрение под половиной щеток; наблюдается появление следов почернения на коллекторе и нагара на щетках, легко Устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином;

2 — искрение под всеми щетками; следы почернения на коллекторе и следы нагара на щетках не устраняются при протирании коллектора бензином;

3 — значительное искрение под всеми щетками, наличие крупных вылетающих искр; происходят значительное почернение коллектора, подгар и частичное разрушение щеток.

При степенях искрения 2 и 3 тяговые двигатели к эксплуатации не допускаются.

Возбуждение. В зависимости от способа создания магнитного поля различают машины постоянного тока с независимым возбуждением и самовозбуждением.

У машин с независимым возбуждением обмотки главных полюсов (обмотки возбуждения) питаются от постороннего источника тока. Напряжение на обмотку возбуждения полюсов машины с самовозбуждением подается с ее щеток, причем обмотка возбуждения может быть включена последовательно с обмоткой якоря или параллельно ей. В первом случае машины называют машинами последовательного возбуждения, во втором — параллельного возбуждения. Возможен и такой вариант, когда машина имеет две обмотки возбуждения, намотанные на одни и те же полюса и включенные — одна последовательно с обмоткой якоря, другая — параллельно ей. Такие машины называют машинами смешанного возбуждения.

Тот или иной тип возбуждения определяется назначением машины. Тяговые двигатели вагонов метрополитена являются машинами постоянного тока последовательного возбуждения.

Ток, протекающий по обмоткам якоря и возбуждения, одинаков, и магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, при малом насыщении стали магнитопровода пропорционален току якоря: Ф = с,/я. Так как вращающий момент на валу двигателя М = с1яФ, то для двигателя последовательного возбуждения можно считать, что М= с21я 2 . В этих формулах с, с„ с2 — коэффициенты, учитывающие параметры двигателя (его размеры, число пар полюсов, число проводников обмотки якоря и т.п.) и размерности величин, входящих в формулу.

Квадратичная зависимость вращающего момента от тока в обмотке якоря позволяет при электродвигателе последовательного возбуждения резко увеличивать силу тяги, вращающий момент при пуске, когда двигатель должен преодолеть инерцию нагрузки на валу.

Читайте также:  Расписание поезда 346с с остановками

Контрольные вопросы 1. Поясните принцип работы машины постоянного тока в режиме двигателя.

2. От чего зависит вращающий момент двигателя?

3. Какой формулой определяется частота вращения вала двигателя? От чего зависит частота вращения?

4. Что такое реакция якоря и как она влияет на коммутацию машины?

5. Как оценивается качество коммутации?

6. Как классифицируются машины постоянного тока по способу возбуждения?

7. Почему в качестве тяговых двигателей используются машины постоянного тока с последовательным возбуждением?

Источник

Тяговый электродвигатель: назначение и применение

Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрический ток и наоборот. Подавляющее большинство электрических устройств работают по простой схеме: под действием механической энергии вырабатывается электричество, которое в свою очередь вызывает движение станков, машин, механизмов, подвижного состава. В транспортной отрасли хорошо известен тяговый электродвигатель, приводящий в действие колесные пары вагонов. Использование их в режиме генератора дает возможность затормозить состав. Процесс торможения происходит за счет нагрузки, образующейся в процессе превращения механической энергии состава, находящегося в движении, в электрический ток.

Появление и развитие тяговых устройств

В самом начале, когда электрический транспорт только начал использоваться, на всех видах подвижного состава устанавливались коллекторные тяговые электродвигатели. При этом передача энергии осуществлялась по самой простой схеме, поэтому агрегатами можно было легко управлять в любом рабочем режиме. Технические и механические характеристики полностью отвечали всем требованиям транспортной специфики.

Тяговый электродвигатель: назначение и применение

Тем не менее, в процессе эксплуатации тяговый электродвигатель постоянного тока обнаружил ряд недостатков. В первую очередь, это сам коллектор, оборудованный подвижными контактами – щетками, требующий регулярного технического обслуживания. Принимаемые меры по снижению искрения, повышению надежности коммутации, во многом усложнили устройство двигателя. В результате, его размеры заметно увеличились, а максимальная скорость вращения осталась на прежнем уровне.

Постепенно развивалось направление силовой техники на основе быстродействующих полупроводников. Это позволило заменить реостатную систему, применяемую в коллекторных агрегатах, импульсной, отличающейся повышенной надежностью и экономичностью. В дальнейшем, в вагонных парах стал устанавливаться асинхронный тяговый двигатель в качестве приводного механизма.

Основными проблемами, с которыми пришлось столкнуться при эксплуатации асинхронных двигателей, считаются сложные регулировки. Определенные трудности возникают при использовании электрического торможения, когда для этих целей служат моторы на основе короткозамкнутого ротора. В данный период идет разработка более современных тяговых приводов на основе синхронных агрегатов, в которых установлен ротор на постоянных магнитах.

Поскольку на железнодорожном транспорте до сих пор широко используются именно коллекторные агрегаты, следует более подробно рассмотреть их общее устройство и порядок работы.

Коллекторный агрегат на постоянном токе

Любой коллекторный агрегат является своеобразной электрической машиной, которая в зависимости от своего предназначения выполняет функции генератора или электродвигателя. Отличительной чертой этих устройств считается соединение якорной обмотки с коллектором.

Основным источником питания коллекторных движков служит постоянный ток. Сейчас уже выпускаются модификации многофункциональных агрегатов с невысокой мощностью, способных работать не только от постоянного, но и от переменного тока.

Стандартный тяговый электродвигатель состоит из коллектора (1), щеток (2), сердечника ротора или якоря (3), сердечника главного полюса (4), обмотки возбуждения (5), станины (6). Кроме того, сюда же включены подшипниковый щит (7), вентилятор (8), якорная обмотка (9).

Все детали соединяются в несколько конструктивных элементов. Прежде всего, это магнитная система, под влиянием которой появляется магнитное поле, а также якорь с обмоткой, вращающийся с помощью подшипников. Коллектор и другие детали разъединяются между собой воздушной прослойкой.

В агрегатах постоянного тока возникновение магнитного поля происходит с участием обмоток возбуждения. Они располагаются на полюсных сердечниках и подключены к постоянному току. Количество полюсов может быть разным, в зависимости от мощности двигателя и его использования в транспортной единице. Их число чаще всего находится в рамках от 2 до 12. Стандартная магнитная система представляет собой монолитную металлическую станину, в которой присутствуют съемные шихтованные сердечники. Чтобы понять, как взаимодействуют узлы и детали между собой, необходимо более подробно рассмотреть устройство каждого компонента.

Назначение и устройство станины

Каждый тяговый электродвигатель оборудуется станиной, используемой прежде всего в качестве магнитопровода, по которому осуществляется прохождение магнитных потоков основных и дополнительных полюсов. Еще она служит местом расположения и крепления полюсов и подшипниковой защиты.

При наличии больших нагрузок станина обычно бывает отлита из стали или сварена из толстых электротехнических стальных листов. Благодаря такой конструкции создается требуемая механическая устойчивость и высокая магнитная проницаемость. Стенки обычно имеют толщину, обеспечивающую установленный уровень магнитной индукции, а ее размеры ориентированы на поперечное сечение главных полюсов и составляют не ниже 50% этого размера.

На представленном рисунке отмечено расположение станины (1), относительно других деталей и компонентов – сердечника полюса (2), катушки обмотки возбуждения (3) и полюсного башмака (4). Между всеми элементами и якорем существует воздушная прослойка (5). Размеры диаметра изнутри станины рассчитываются так, чтобы в этом пространстве мог разместиться якорь, полюса главные и дополнительные и их обмотки.

Тяговый электродвигатель локомотива может иметь стальную литую станину с уменьшенной массой и пониженным поперечным сечением, ориентированным на оси главных полюсов. Это дает возможность равномерно распределить магнитный поток, поступающий к станине от главного полюса.

Частично станина, не выполняющая функции магнитопровода, образует коллекторное пространство с незначительной толщиной стенок, достаточной для обеспечения необходимой механической прочности. В некоторых конструкциях это место закрывается отдельными ребрами жесткости, прикрытыми тонким защитным кожухом.

Главные полюса

Тяговый электродвигатель, работающий на постоянном токе, включает в свою конструкцию обмотку возбуждения, где и появляется магнитодвижущая сила, создающая, в свою очередь, магнитное поле. В состав обмотки входят катушки, надеваемые на сердечники основных полюсов. На стороне сердечника, направленной к якорю, устанавливается полюсный наконечник, он же башмак. С его помощью осуществляется равномерное распределение магнитного потока по всей поверхности якоря. Перечисленные детали отмечены на предыдущем рисунке вместе со станиной.

На практике довольно редко используется схема, включающая в себя полюсный сердечник и полюсный башмак. Как правило, они объединяются в единое целое и образуют главный полюс. За счет этого в сердечнике полюса наступает снижение вихревых потоков, вызываемых действием пульсаций магнитной индукции в наконечниках из-за зубчатой поверхности якоря.

Для сборки полюса используются стальные лакированные листы, которые затем попадают под пресс высокого давления. Сквозь сердечник пропускаются болты или специальные заклепки, чтобы стянуть всю конструкцию. Их равномерное распределение позволяет успешно выдерживать упругость сжатых полос. Крепление полюсов к станине осуществляется с помощью болтов или шпилек.

Назначение и устройство добавочных полюсов

Каждый тяговый электродвигатель мощностью более 1 кВт оборудуется дополнительными полюсами, для того чтобы снизить количество искр, появляющихся на щетках. Их устройство очень простое, включающее в себя сердечник (1) и катушку (2), где использован медный проводник в изоляции. Его сечение рассчитывается по рабочему току двигателя, поскольку эта катушка и обмотка якоря последовательно подключаются друг к другу.

Стальной сердечник изготавливается в виде монолитной конструкции, по причине отсутствия в нем вихревых токов, так как магнитная индукция имеет очень малую величину. Местом монтажа дополнительных полюсов определен промежуток между главными полюсами, а крепление к станине выполняется специальными болтами. Величина воздушной прослойки под ними существенно превышает зазор под главными полюсами. Его регулировка выполняется при помощи специальных пластин из материалов магнитного или немагнитного типа, а окончательная величина определяется, когда тяговый двигатель постоянного тока настраивается на коммутацию при достижении минимального количества искр.

Якорь и коллектор

В состав якоря входит вал, сердечник, обмотки и коллектор. Конфигурация сердечника выполнена в форме цилиндра, а сам он изготовлен из тонких штампованных листов электротехнической стали. Для изоляции листов используется лак или бумага. В сжатом виде после сборки сердечник фиксируется нажимными шайбами. Благодаря устройству сердечника, удается компенсировать влияние вихревых токов и снизить в нем утечку электроэнергии. Охлаждение ТЭД выполняется за счет специальных каналов вентиляции, устроенных в сердечнике.

Для якорных обмоток используется медный проводник круглого или прямоугольного сечения. Он закладывается в выемки сердечника и качественно изолируется от него. Вся обмотка делится на секции, концы каждой из них соединяются с коллектором путем пайки.

В конструкцию каждого коллектора входит активная составляющая и система крепления. Изоляция медных коллекторных пластинок (7) выполняется с помощью специальных прокладок. Провода якорной обмотки припаиваются к выступу в конце элемента (5). Край пластин, расположенный снизу (6) после сборки зажимается с помощью двух нажимных колец (3). Эти кольца также изолируются, а сама изоляция утапливается на 1,5 мм внутрь скользящей поверхности коллектора.

Тяговые электродвигатель асинхронного типа

На железнодорожном транспорте асинхронный тяговый двигатель долгое время не мог использоваться из-за отсутствия в электроснабжении подвижного состава переменного трехфазного тока. Постепенно развивающееся электротехническое производство позволило создать и усовершенствовать электронику полупроводникового типа.

Таким образом, были созданы преобразователи тока и напряжения, обладающие мощностью, достаточной, чтобы обеспечить энергией асинхронный тяговый двигатель. Ведущую роль в этом деле сыграли мощные транзисторы.

Данные устройства оказались просты и надежны в эксплуатации. У них заметно снизились габаритные размеры и вес в сравнении с двигателями постоянного тока. Асинхронный тяговый двигатель не требует особого технического обслуживания, способен переходить в генераторный режим без специального переключения, а лишь под действием повышенной частоты вращения ротора. Подобная схема существенно упрощает использование системы электрического торможения.

Источник