Тяговый двигатель режим работы

Тяговый двигатель режим работы

Условия работы тяговых двигателей и требования, предъявляемые к ним. Тяговые двигатели, служащие для превращения электрической энергии в механическую, во время работы подвергаются воздействию динамических сил, возникающих при движении колес по неровностям пути, и вибрациям, которые особенно велики в зимних условиях, когда верхнее строение пути обладает повышенной жесткостью. Инерционные динамические ускорения достигают 3£ при рамном и 15§ при опорно-осевом подвешивании тягового двигателя. При опорно-осевом подвешивании и жесткой передаче динамические ускорения на поверхности якоря достигают 25§

Конструкция тягового двигателя, его подвешивание и передача должны обеспечивать наименьшее динамическое воздействие подвижного состава на путь и пути на двигатель, что особенно важно при высоких скоростях движения. Для этого в передаче желательно применять эластичные элементы, а массу самого двигателя максимально снижать. На пассажирских локомотивах и моторных вагонах, рассчитанных на движение с высокими скоростями, применяют рамное подвешивание двигателей.

При трогании электровоза с места ток тяговых двигателей может достигать двойного номинального, а при снижении нагрузки частота вращения — превышать более чем в 2 раза номинальное значение. Особенно высокая частота вращения возникает при боксовании колесных пар.

Механическая прочность якоря должна соответствовать частоте его вращения, превышающей наибольшую на 25% при параллельном и на 35% при последовательном соединении двигателей. В диапазоне нагрузок 75—125% номинальной не-

допустимо расхождение частот вращения отдельных двигателей при полном возбуждении более чем на 3%, а в случае предельно ослабленного — более чем на 4%. Поэтому магнитные материалы двигателей должны иметь стабильные характеристики, а узлы — высокую точность сборки.

Двигатели подвержены и атмосферным воздействиям, в них попадает влажный воздух и пыль. На зажимах двигателей возникают перенапряжения, вызванные атмосферными разрядами, а также резкими изменениями тока.

На э.п.с. двигатель расположен в пространстве, ограниченном габаритами приближения подвижного состава к пути, расстоянием между колесными центрами, зависящим от ширины колеи, между другими частями экипажа. Поэтому двигатель должен иметь наименьшие, согласующиеся с общей конструкцией экипажа габаритные размеры и быть доступным для обслуживания. Резкие изменения температуры от —50 до +40 °С и влажности воздуха способствуют отсы-рению изоляции и конденсации влаги на коллекторе, щеткодержателях и поверхности изоляции. Иногда это сопровождается обледенением, коллектор покрывается инеем, что затем вызывает сильное искрение при работе двигателя. Пыль, поднимающаяся с пути при движении, угольная пыль от истирающихся щеток, влажный воздух и снег приводят к загрязнению изоляции и снижению ее диэлектрической прочности.

Тяговые двигатели э.п.с. постоянного тока должны надежно работать при повышении напряжения на токоприемнике на 21% сверх номинального значения, а при наличии электрического торможения — на 27%, двигатели э.п.с. переменного тока — при повышении напряжения в контактной сети на 16% или понижении его на 24%. Необходимо, чтобы двигатели устойчиво работали при ослабленном

возбуждении и нестационарных процессах в их цепях. Поэтому к их изоляции предъявляют высокие требования в отношении электрической и механической прочности, теплостойкости и влагостойкости. Этим требованиям удовлетворяют изоляционные материалы классов нагре-востойкости В, И и Н. Изоляция обмоток относительно корпуса и между обмотками должна выдерживать в процессе испытаний при частоте 50 Гц, номинальном напряжении относительно корпуса свыше 750 В напряжение

итп = 2,25 ит + 2000 В,

где 1)т — номинальное напряжение на токоприемнике э.п с. постоянного тока, равное напряжению контактной сети £/с, или наибольшее напряжение, которое может быть подано на группу двигателей э.п.с. переменного тока.

Непрерывный рост грузонапряженности на электрифицированных железных дорогах СССР требует повышения мощности тяговых двигателей. В ближайшей перспективе будут необходимы для грузового движения тяговые двигатели с часовой мощностью до 1000 кВт на ось, а для скоростных электровозов до 1200— 1300 кВт. При этом повышение мощности тяговых двигателей не должно сопровождаться увеличением нагрузки от колесной пары на рельсы, которая при существующих типах рельсов для грузовых электровозов в СССР ограничена значениями 230—250 кН (23—25 тс).

Как известно, мощность коллекторного тягового двигателя постоянного тока ограничена потенциальными условиями на коллекторе, диаметром и линейной нагрузкой якоря. Максимальный диаметр якоря ограничивается наибольшей частотой его вращения, повышение линейной нагрузки — теплостойкостью изоляционных материалов. Поэтому коллекторные тяговые двигатели мощностью свыше 900 кВт на ось не обеспечивают достаточно высокой эксплуатационной надежности. Двигатели со щетками и коллекторами подвержены также износу и аварийным явлениям в виде круговых огней и перебросов электрической дуги, эксплуатационные расходы на такие двигатели высокие Статистика показывает, что на ремонт коллекторных тяговых машин расходуется до 8 тыс. руб. на

Читайте также:  Стенд для холодной обкатки двигателей автомобилей

1 млн км пробега. Из них примерно 50% приходится на ремонт коллекторов и щеточного аппарата.

Номинальные режимы работы тяговых двигателей. Тяговые двигатели электровозов и электропоездов постоянного тока характеризуют двумя номинальными напряжениями: на их зажимах (Уд и на токоприемнике локомотива UT. Стандартом установлены следующие номинальные напряжения на токоприемниках э.п.с. постоянного тока: 250, 550, 750, 1500 и 3000 В. Для э.п.с. отечественных дорог постоянного тока принято номинальное напряжение на токоприемниках ном — 3000 В, на зажимах тяговых двигателей с/д ном = 1500 и 750 В. Построить тяговые двигатели с (Уд ном = = 3000 В принципиально возможно, но это экономически не оправдано, так как при снижении напряжения на зажимах двигателя до оптимального значения уменьшаются его масса, расход изоляционных и конструктивных материалов

Номинальное напряжение на зажимах двигателей, применяемых на э.п.с. переменного тока, устанавливают для машин каждого типа на основании технико-экономических расчетов с учетом их мощности, надежности, технологических особенностей изготовления. Обычно для тяговых двигателей мощностью 800—1000 кВт устанавливают (Уд иом = 7504-1100 В.

Тяговые двигатели в условиях эксплуатации работают с переменной нагрузкой. Для сравнительной оценки их работы установлены два номинальных режима: продолжительный и часовой.

Продолжительной называют наибольшую развиваемую на валу двигателя мощность, с которой при нормально действующей вентиляции, закрытых коллекторных смотровых люках и номинальном напряжении на зажимах двигатель может работать длительно, при этом превышение температуры его частей над температурой окружающего воздуха не больше установленного нормами. В этом режиме превышение температуры частей двигателя достигает установившегося значения практически через 3—6 ч, после чего все выделяющееся тепло отдается охлаждающему воздуху

Часовой называют наибольшую развиваемую на валу двигателя мощность, при

которой работа его в условиях нормально действующей вентиляции, закрытых коллекторных смотровых люков и нормальном напряжении на зажимах, начиная от холодного состояния в течение 1 ч, не сопровождается превышением температуры его узлов, большим установленного нормами. Допустимое превышение температуры частей машины над температурой окружающего воздуха до 40 °С, например, с изоляцией класса Н как в продолжительном, так и в часовом режиме соответствует для обмотки якоря 160, обмотки возбуждения 180, коллектора 105 °С. Для изоляции класса F оно равно соответственно 140, 155 и 95 °С. Двигатель считается холодным, если температура его частей отличается от температуры окружающего воздуха не более чем на ± 3 °С.

Соотношение продолжительной и часовой мощностей определяет эффективность вентиляции тягового двигателя. Часовой режим характеризует теплоемкость двигателей и используется для их сравнительной оценки и проведения контрольных испытаний.

Для большинства современных тяговых двигателей удельный расход воздуха (отношение полного расхода воздуха к потерям мощности в двигателе) равен 2,1—2,7 м3/мин на 1 кВт.

Повышение теплопроводности изоляционных материалов, совершенствование конструкции и технологии изготовления обмоток, рациональное конструктивное выполнение воздухопроводов и распределение воздушных потоков в двигателе позволяют уменьшить размеры двигателя, что уменьшает разницу между значениями часового и продолжительного тока.

На отечественных электровозах дорог постоянного тока тяговые двигатели имеют мощность 400—750 кВт на одну колесную пару. У тяговых двигателей электровозов переменного тока мощность на одну колесную пару составляет 700—835 кВт; планируется ее увеличение до 900—1100 кВт. Увеличить мощность на ось на электровозах переменного тока возможно, потому что их тяговые двигатели соединены, как правило, параллельно, а это позволяет реализовать более высокий коэффициент сцеп-

ления и снижает опасность разносного боксования. Для пассажирских электровозов применяют тяговые двигатели мощностью 400—850 кВт.

Моторные вагоны электропоездов имеют тяговые двигатели мощностью 165— 240 кВт.

Источник

Режимы и характеристики работы тяговых электрических двигателей тепловозов

Как было показано в п.3.1, на тепловозах ТЭД является звеном сложной энергетической цепи. В ней происходит последовательное преобразование механической энергии в электрическую (в тяговом ге­нераторе ТГ) и электрической энергии в механическую (в тяговых дви­гателях ТЭД). Совокупность преобразователей энергии, то есть генера­тора и двигателей, соединенных в электрическую цепь, называют элек­трической передачей тепловоза. Условная схема такой передачи по­казана на рис.4.6.

Читайте также:  Ваз 2110 двигатель работает с перебоями карбюратор

Из рис.6.6 видно, что потребителями энергии, вырабатываемой ди­зелем Д, являются тяговый генератор ТГ и вспомогательное обору­дование тепловоза ВО (вентиляторы охлаждающих устройств дизеля и

тяговых электромашин, тормозной компрессор и др.). Отсюда следует

где Ne — эффективная мощность дизеля (мощность на коленчатом валу), кВт;

NГ , NВО — мощность, потребляемая тяговым генератором и вспомогатель­ным оборудованием соответственно, кВт. .

Рис.6.6. Схема электрической передачи тепловоза

Д — дизель; ВО — вспомогательное оборудование; ТГ-тяговый генератор; Н-независимая обмотка возбуждения тягового генератора; ТЭД-тяговый электродвигатель; ОВ-обмотка возбуждения тягового электро­двигателя; КП-колесная пара; ОРД-объединенный регулятор дизеля; САУ-система автоматического управления электропередачей; IВГ-ток возбуждения тягового генератора.

Для экономичной работы дизеля на каждой из позиций контрол­лера машиниста (устройства для управления локомотивом) должны поддерживаться постоянными частота вращения коленчатого вала, цик­ловая подача топлива и, следовательно, эффективная мощность дизеля Nе. В этом случае, согласно формуле (6.3), постоянной должна быть и суммарная мощность нагрузки дизеля, то есть NГ+NВО.

Мощность привода вспомогательного оборудования NB при работе
тепловоза на неизменной позиции контроллера может увеличиваться и
уменьшаться, обычно ступенчато (например, при включении и отклю­чении тормозного компрессора). В этой ситуации мощность ТГ должна
изменяться таким образом, чтобы выполнялось условие экономичной
работы дизеля
:

Иначе говоря, на каждой позиции контроллера машиниста мощность ТГ должна быть равна свободной мощности дизеля:

где Nе-NB — свободная мощность дизеля, кВт.

Таким образом, при неизменной позиции контроллера машиниста уровень мощности ТГ NГ— может быть различным, даже при условии по­стоянства эффективной мощности Ne=const. Однако при каждом ус­тановившемся (фиксированном) значении свободной мощности дизеля Ne-NB величина мощности ТГ должна быть постоянной, то есть

где РГ — электрическая мощность, вырабатываемая ТГ, кВт;

ηГ — к п.д. генератора, равный 94-95%;

UГ,IГ — напряжение и ток генератора соответственно.

Пренебрегая влиянием изменения к.п.д. ηГ выражение (6.6) обычно записывают в виде

или, переходя к параметрам работы ТЭД,

Формулы (6.7), (6.7′) выражают основной закон работы электричес­кой передачи при неизменном уровне свободной мощности дизеля.

Следовательно, при работе тепловоза на заданной позиции кон­троллера и произвольных изменениях тока ТЭД IД вызванных ко­лебаниями скорости движения локомотива V, необходимо принуди­тельно изменять напряжение ТЭД UД по закону (6.7),(6.7′). Для выпол­нения этого требования зависимость UГ=f(IГ), называемая внешней ха­рактеристикой тягового генератора тепловоза [9], в средней части (зона II) имеет форму гиперболы (рис.6.7,а). Прямые участки внешней характеристики отражают ограничения силы тока (зона 1) и напряжения (зона III) тягового генератора.

Формирование внешней характеристики ТГ на тепловозах осу­ществляется системой автоматического регулирования электриче­ской передачей (САР). В САР от специальных датчиков поступают электрические сигналы (на рис.6.6 показаны штриховыми линиями), которые косвенно характеризуют величины эффективной Ne и свобод­ной Ne-NB мощности дизеля, а также электрической мощности генера­тора РГ. Сравнивая эти сигналы, САР формирует гиперболический уча­сток внешней характеристики ТГ — регулирует напряжение ТГ UГ таким образом, чтобы при любых колебаниях тока ТГ IГ и мощности вспомо­гательного оборудования NВ0 выполнялись условия (6.5) и (6.7). При изменении позиции контроллера машиниста и, следовательно, эффек­тивной мощности дизеля Ne CAP устанавливает мощность генератора

ТГ в соответствии с требованием (6.4). При этом характеристики рабо­ты ТГ смещаются, что показано на рис.6.7, б.

Рис.6.7. Зависимости напряжения UГ (а) и электрической мощности РГ (б)
тягового генератора от силы тока Iг

Т’аким образом, будем считать, что тяговый генератор ТГ и тя­говый двигатель ТЭД тепловоза на каждой позиции контроллера рабо­тают при постоянной мощности.Ток двигателя Iд при этом зависит от напряжения Uд=Uг ичастоты вращения якоря ТЭД nд (в соответствии с формулами (4.6) и (4.7)):

С увеличением скорости движения тепловоза V сила тока Iд уменьша­ется вследствие повышения противо-ЭДС ТЭД Ед (рис.6.8). Одновре­менно САУ увеличивает напряжение ТГ UГ, поскольку PГ=UГIГ=const. Поэтому у тепловозов, по сравнению с электровозами, токовая IД=f(V) и тяговая FKД=f(V) характеристики ТЭД более пологие (напомним, что ТЭД электровозов работают при условии UД≈const).

Интенсивность изменения силы тяги ТЭД в зависимости от ско­рости локомотива V оценивают производной χ= -dFКД/dV, которую на­зывают жесткостью тяговой характеристики[10,11]. Тяговая харак­теристика ТЭД электровоза крутопадающая и поэтому более жесткая, чем пологая характеристика ТЭД тепловоза.

Читайте также:  Какой антифриз можно заливать в двигатель ваз

Для управления силой тяги ТЭД тепловоза и движением поезда машинист изменяет мощность дизеля Ne и, следовательно, тягового ге­нератора РГ. При этом увеличивается или уменьшается уровень напря­жения ТГ UГ, а вместе с ним ток Iд, электромагнитный момент МЭМФДIД и сила тяги FКД ТЭД (рис.6.9).

Отечественные магистральные тепловозы имеют, как правило, 15 позиций регулирования мощности дизеля (позиций контроллера маши­ниста), а маневровые и промышленные тепловозы – 8

а) токовая б) тяговая

Рис.6.8. Токовая и тяговая характеристики работы ТЭД в различных режимах

――― в режиме постоянства мощности (тепловоз);

— — — — — в режиме постоянства напряжения (электровоз)

а) внешняя характеристика ТГ б) тяговая характеристика ТЭД

Рис.6.9. Характеристики работы тяговых электрических машин тепловоза при различной мощности дизель-генераторной установки

Из рис.6.7 и 6.9 видно, что полное использование мощности ТГ РГ, на каждой из позиций контроллера возможно лишь в определенном ин­тервале изменения тока IГ и напряжения UГ, а следовательно силы тяги ТЭД FКД и скорости движения тепловоза V (зона II). С ростом скорости V сила тока IГ, уменьшается, а напряжение UГ,- автоматически увеличивается вплоть до своего ограничения. Дальнейшее снижение тока ТГ Iг (зона III) вызывает пропорциональное уменьшение мощности PГ=UГIГ. В этом случае нарушается условие экономичной работы дизеля (6.4).

Чтобы расширить интервал скоростей движения, соответствующий гиперболической зоне II внешней характеристики ТГ, при повышении скорости V приходится искусственно увеличивать ток двигателей и ге­нератора. Это достигается за счет автоматического управления ТЭД путем ослабления возбуждения[9].

Ослабление возбуждения ТЭД осуществляется, как и на электро­возах, при помощи сопротивления RШ, которое подключается парал­лельно обмотке возбуждения двигателя ОВ (см. рис.6.6 и 6.4). В момент перехода, то есть включения сопротивления RШ, в электрической пе­редаче тепловоза происходят следующие процессы:

· САР электропередачей снижает напряжение ТГ UГ так, чтобы мощ­ность генератора PГ=UГIГ и тягового двигателя РД = UдIд≈МЭ/nд оста­вались неизменными;

· электромагнитный момент на валу ТЭД МЭМ ФдIд остается практи­чески постоянным, поскольку величина магнитного потока Фд уменьшилась, а силы тока Iд увеличилась; поэтому сила тяги ТЭД FКД изменяется незначительно, только вследствие некоторого изменения к.п.д. тягового двигателя;

· частота вращения якоря ТЭД nд и скорость движения тепловоза V в момент перехода не изменяются.

Графическое представление данных процессов, поясняющее наз­начение и действие ослабления возбуждения ТЭД на тепловозах, по­казано на рис.6.10.

Из рис.6.10 видно, что ослабление возбуждения ТЭД тепловозов расширяет интервал скоростей, при котором используется полная мощ­ность дизель-генераторной установки. Обычно ослабление возбуждения второй ступени ОП2 позволяет обеспечить использование полной мощ­ности вплоть до конструкционной скорости тепловоза VK. Ослабление возбуждения первой ступени OП1 служит для уменьшения скачков тока при переходе с полного возбуждения на ослабленное (и наоборот).

Таким образом, основные особенности работы ТЭД на теплово­захзаключаются в следующем:

1) на каждой позиции контроллера машиниста ТЭД работает при посто­янной мощности, которую поддерживает САР электропередачей пу­тем регулирования тока возбуждения ТГ IВГ и его напряжения UГ;

2) управление силой тяги ТЭД FКД осуществляется машинистом за счет изменения мощности дизеля Ne и, следовательно, тягового генератора РГ, с помощью контроллера машиниста;

3) ослабление возбуждения ТЭД на тепловозах не предназначено для регулирования силы тяги машинистом и производится автоматиче­ски; при изменении режима возбуждения электрическая мощность ТЭД остается постоянной.

Рис.6.10. Расширение интервала скоростей движения,

при котором используется полная мощность дизель-генератора,

за счет ослабления возбуждения ТЭД

А — интервал скоростей использования полной мощности при работе

без ослабления возбуждения ТЭД (режим «полного поля» I III);

Б — то же при двух ступенях ослабления возбуждения OП1 и ОП2;

о — переход с одного режима возбуждения ТЭД на другой;

VК — конструкционная скорость локомотива

Знание особенностей и режимов работы ТЭД на локомотивах поз­воляет рассчитывать характеристики тягового электропривода, а далее тяговые и токовые характеристики тепловозов и электровозов.

Источник

Оцените статью