Ръководството съдържа обща информация за устройството на асинхронни електрически машини, предназначението на техните компоненти и разглежда конструкцията на конкретен модел тягов двигател. Разглежда се съставът на комплект от силово електрическо оборудване, предназначението на неговите компоненти, тяхната работа и взаимодействие.

За правилното възприемане на представения материал е необходимо да имате разбиране за общите принципи на управление на енергийното оборудване и управление на влак с помощта на самоходни оръдия Vityaz и чрез резервен канал за управление (в това учебникне се разглеждат). Изучаването на материала ще бъде улеснено от познаване на основите на електротехниката, вкл. И променлив ток, както и принципите на изграждане електрически веригив трифазна AC система. За да направите това, авторът препоръчва изучаването на съответните раздели на електротехниката с помощта на образователна литература или материала, представен в приложенията.

При подготовката е използвана литература и техническа документация, чийто списък е даден в края на ръководството.

Авторът изказва благодарност на всички специалисти, които по един или друг начин са участвали в подготовката на материала. Изказвам специална благодарност на Н. Н. Данилов, заместник-ръководител на техническия отдел на ЗАО „ЗРЕПС“, който оказа неоценима помощ при подготовката на третата глава.

Това ръководство за обучение е предназначено предимно за работници, които се обучават за шофьори в Центъра за обучение и производство на метрото, но може да бъде полезно за работниците в електрическите депа, които искат да подобрят нивото си на знания в областта на тяговите електрически задвижвания.

Учител на УПЦ

Московско метро

Данилов Е.Б.

Асинхронно тягово електрозадвижване на вагоните на метрото. Урок.

	Въведение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Главна информацияза работата на асинхронни трифазни електрическа машина и нейното устройство. . . . . . . . . . . . .
		Устройство и принцип на работа на асинхронни електрически машини. . . . . . . . . . . . . . . … . . . . . . . . . . . .
		Образуване на въртящи се електромагнитни въртящ момент в асинхронна електрическа машина. . . . . . .
	Устройството на асинхронен тягов двигател. Технически данни. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Основни параметри на двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Статор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Ротор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Лагерни щитове. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		вентилация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Сензор за скорост на ротора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Тягово задвижване. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Контейнер за тягов инвертор KTI. . . . . . . . . . . . . . . . .
		Работа на тягово задвижване. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Приложения
		Какво е променлив ток и как се различава от постоянен ток? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Трифазен променлив ток. . . . . . . . . . .
		Въртящо се магнитно поле... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Препратки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Въведение

Използването на променливотокови електрически машини като тягови двигатели в железопътен транспортсе забави дълго време поради затруднения в захранването на електрическия подвижен състав с трифазен променлив ток. Въпреки това, развитието на електрическата индустрия, по-специално подобряването на силовата полупроводникова електроника и микропроцесорните схеми, доведе до създаването на преобразуватели на ток и напрежение с достатъчна мощност, за да осигурят захранване на тягови двигатели. Специална роляРазвитието на транзистори с висока мощност изигра роля в това.

В сравнение с колекторните двигатели постоянен токасинхронните двигатели имат редица предимства.

За първи път в местното масово производство използването на асинхронни двигатели като тягови двигатели беше използвано на вагони на метрото модели 81-740/741 и на част от вагони модел 81-720/721, а по-късно и на вагони модел 81- 760/761. Местната индустрия стартира производството на асинхронни електродвигатели за вагони на метрото. В момента автомобилите могат да бъдат оборудвани със следните двигатели:

TAD 280M 4U2 производство на AEK Dynamo;

ДАТА–170 Производство 4U2 « ООО "Електротяжмаш-Привод"Лъсва;

ТАДВМ-280 4У2 производство на АД НИПТИЕМ, Владимир;

ДАТМ-2У2, произведен от ОАО Псковско електромашиностроене

тяло растение";

DTA 170 U2 АД "Рижски електромашиностроителен завод";

TA 280 4MU2, произведен от JSC ELDIN (Ярославъл Електро-

машиностроителен завод).

Електрическите двигатели получават енергия от преобразуватели като част от KATP-1 или KATP-2, произведени от OJSC Metrovagonmash.

Първите комплекти асинхронни задвижвания на вагоните на метрото бяха чуждестранни „HITACHI“ и „ALSTOM“.

Вентилни тягови двигатели. Опитите за използване на безчеткови променливотокови двигатели в електрическата тяга бяха направени още през 30-те години. Практическата възможност за тяхното използване обаче се появи едва след като индустрията усвои серийното производство на силови тиристори и диоди, както и полупроводникови елементи, които позволяват рационално внедряване на системи за управление и регулиране на честотата на захранващото напрежение.

Конструкцията на тяговия двигател на вентила е синхронна машина, в която намотката на котвата е разположена на статора, а намотката на възбуждането е разположена на ротора. Клапан статор

двигател (фиг. 105) се състои от лята рамка 7 и сърцевина, ламинирана от електротехническа стомана E1300. Рамката служи като корпус на двигателя и не се различава по външен вид от рамките на тяговите двигатели с пулсиращ ток, а сърцевината е магнитна верига.

Сърцевината 9 е притисната в рамката между масивните пръстеновидни странични стени 13. По външния си диаметър тя е затегната от ленти 8, заварени към сърцевината и страничните стени. Ядрото се предпазва от завъртане чрез ключ и шест щифта, поставени в отворите на рамката и облицовките. За да се намалят потоците и загубите на изтичане, между страничните стени и опаковката са монтирани немагнитни изолационни листове 12.

На външната повърхност на сърцевината в 12 точки са монтирани позиционни сензори за управление на двигателя. магнитен поток. Всеки сензор има една специфицирана и две отчитащи едновиткови намотки, изработени от PSD проводник с диаметър 1,16 mm. Общият кабел от тях преминава в клемната кутия, в която чрез щепсел се свързва към устройството за управление на електрическия локомотив.

Жлебовете на сърцевината по дължината му са скосени с едно жлебово деление. В тях е разположена двуслойна вълнова намотка. Изолацията на тялото на намотките му е от шест слоя стъклена слюдена лента L2S25KS 0,09 X 20 mm, нанесена полузастъпваща се. Намотката е закрепена в жлебовете с клинове от фибростъкло. Изходът на намотката на статора към клемната кутия е направен с двойна шина.

Роторите на двигателите с въртящи се вентили имат различни конструкции. Електрическият локомотив VL80v-216 е оборудван с шестполюсни безчеткови двигатели с изпъкнал полюсен ротор.

Тази конструкция на ротора е технологично по-проста, но в термично и механично отношение материалите на ротора и изолацията на полюсните бобини се оказаха претоварени. Това се дължи на факта, че м.д.с. възбужданията за превключващ двигател, като се вземат предвид реакцията на котвата и ъглите на комутация, надвишават m.m.f. скоростта на празен ход е приблизително 1,8 пъти, докато в DC машина -

само 1,2 пъти, в допълнение, поради полюсните подпори, отвеждането на топлина от бобините на полето се влоши.

Тъй като скоростите на въртене очевидно ще се увеличат с подобряването на лагерния възел и скоростната кутия, топлинният стрес също ще се увеличи в резултат на желанието да се вмести повече мощност в дадени размери. Следователно единственият възможен дизайн беше ротор с неявни полюси.

За разлика от конвенционалните синхронни машини, двигателът с превключване трябва да има надеждна амортисьорна намотка с пръти с достатъчно напречно сечение, за да се намали субпреходното реактивно съпротивление на двигателя. Пръчките 15 на намотката на амортисьора са направени от мед, разположени равномерно по цялата обиколка на ротора. Както показват изчисленията, този дизайн на намотката на амортисьора позволява да се получат относително ниски свръхпреходни индуктивни съпротивления на намотката на котвата с приемливи загуби в прътите, причинени от процеса на превключване.

За неявни полюси на ротора, система от амортисьорни пръти може да бъде разположена или в горната част на процепите под формата на метален клин, закрепващ намотката на възбуждане, или в отвора на зъбите. Първият метод е технологично неудобен поради трудността на заваряването на краищата на прътите (клинове) върху свързващите пръстени. Вторият дизайн на амортисьорната клетка е за предпочитане, тъй като прътите могат да бъдат заварени директно към медния ръбов лист, специално щампован за тази цел. Друго предимство на този дизайн е, че клетката на амортисьора може да бъде произведена върху ротора преди полагането на възбуждащата намотка. Осемполюсните вентилни двигатели NB-601 на електрическия локомотив VL80v-661 имат този дизайн на ротора.

Асинхронни тягови двигатели. Максимален въртящ момент на двигателя

Mmax « C1Ai\/(2xg),

където Cm - постоянен коефициентдвигател; и, - мрежово напрежение, x - индуктивно съпротивление.

Ориз. 105. Надлъжни (а) и напречни (б) сечения на тягов двигател NB-601 на електрически локомотив

/ - вал, 2 - ролков лагер, 3 - арматурна втулка, 4 - лагерен щит; 5 - пръстени; 6 - четкодържач; 7 - скелет; 8-ленти, 9-рамково ядро; 10 - намотка на статора, // - сърцевина на ротора; 12-немагнитни дистанционери (листове), 13-странична стена на ядрото на статора, 14-кутия, 15-

пръти за навиване на амортисьора

Асинхронният двигател е чувствителен към падане на напрежението. Например, когато напрежението намалее с 10%, въртящият момент намалява с 19%. За разлика от индустриалния асинхронен двигател, тяговият асинхронен двигател има редица характеристики, произтичащи от условията на неговата работа на локомотив (захранван от честотен и фазов преобразувател, вписващ значителна мощност в дадени, много компресирани размери, определени от размерите на шасито на локомотива). При всички тягови колекторни двигатели на електрически локомотиви с аксиална вентилация 30% от въздуха преминава през въздушната междина, като извършва интензивно отстраняване на топлината от повърхностите на котвите и стълбовете.

В асинхронен тягов двигател, за да се намали токът на намагнитване и да се увеличи cos f, те се стремят да запазят въздушната междина между статора и ротора възможно най-малко поради проектните и производствените условия. В тази връзка при асинхронни двигатели с аксиална независима вентилация не е възможно охлаждането на повърхностите на ротора и статора, обърнати към въздушната междина. За да премине повече охлаждащ въздух между статора и ротора, тяговият асинхронен двигател използва канали над слот (фиг. 106, o),

през който преминава около 30% от целия охлаждащ въздух

Височината на канала над слота е (1,0 - 1,5) 6 ps, където b ps е ширината на слота на статора. В двигател с превключвател, каналите с над слот в статора са неприемливи, тъй като те увеличават реактивното съпротивление на индуктивно утечка на статора с приблизително 40%, което води до намаляване на въртящия момент. При асинхронен двигател увеличаването на индуктивното съпротивление на изтичане на намотката на статора не е толкова вредно, тъй като комутацията се извършва принудително.

В многополюсната машина активните материали се използват по-ефективно, асинхронният двигател работи с по-ниски загуби и ефективността му е по-висока Параметрите на двигателя и електрическия локомотив като цяло също се влияят от максимума

f max И номинални / номинални стойности ЧЕСТО-

вие сте тока на намотката на статора. Честота fmax =

P" max/(60 + f 2), където f2 = /CK -

честота на ротора или плъзгащ ток, обикновено 1-2% от /max, с достатъчна точност /max = pn gaax/59.

Номинална честота fH0M= pnmaJ (59k„), където kv е съотношението на скоростта, обикновено равно на 2. Теоретично оптималната честота fom = 100-150 Hz, а границите на честотно управление на преобразувателя са от 1-2 до 200- 300 Hz. Има обаче ограничения, свързани с използването на лагери

Ориз. 106 Разположение на надслотови канали за тягов асинхронен двигател (a) и криви

/ - сърцевина на ротора, 2 - намотка на ротора, 3 - канал, 4 - надслотов канал, 5 - намотка на статора,

6 - статор, 7 - текстолитен клин

Таблица 4

Показатели Основни параметри на часовия режим на тяговия двигател

Серия електрически локомотиви
Входяща мощност на двигателя, kW
Линейно напрежение, V
Фазов ток /fi, A
Фактор на мощността
Текуща честота, Hz
Най-висока скорост на въртене.
Въртящият момент на вала на двигателя е
Теглителна сила върху джантата на колелото, kN
Скорост на електрическия локомотив, km/h
Клас на изолация
Брой фази
Брой полюси на статора
Въздушна междина, мм
Тегло на двигателя без скоростна кутия
Поток на охлаждащ въздух,
*"Честота на статорния ток за непрекъснато		режим. *2 V	режим "i", = 890 rpm *3 Мощност-

Мощност в продължителен режим Рм = 500 kW *4 Маса на медта на двигателя 230 kg (623 kg за NB-418K6); специфична маса на двигателя 4,28 kg/kW, специфична маса на мед 0,255 kg/kW, специфична маса на стомана 1,62 kg/kW (0,74 за NB-418K6) Брой роторни канали й = 80 и дължина 455 mm; брой статорни гнезда 1\ = 108, дължина 465 mm. *5 Без скоростна кутия

за които максималната скорост на въртене е 3000-4000 об / мин, и невъзможността да се произведе тягова скоростна кутия с голямо предавателно отношение. Домашните лагери на серийните тягови двигатели осигуряват yash = 2150 rpm с приемлива издръжливост. При предавателно отношение і = 4,4 и диаметър на средната износена гума £> av = 1200 mm, това съответства на максималната скорост на електрическия локомотив в km/h. При серийни електрически локомотиви с аксиално окачване на тягови двигатели max = 5,353 при V = 120 km/h и £>av = = 1200 mm получаваме nmax = 2800 об./мин., но индустрията не произвежда лагери за такъв. скорост на въртене.

Загубите в преобразувателя зависят и от броя на полюсите на асинхронния тягов двигател. За да се намали тяхното съотношение на скоростта, коефициентът ki трябва да се приеме равен на 2,5

По принцип създаването на асинхронно задвижване с висока мощност зависи до голяма степен от успехите в редица области на електрониката, машиностроенето, развитието на технологиите и др.

От 1982 г. VElNII започва нов етап в създаването на електрически локомотиви с асинхронни двигатели. Според изискванията на Министерството на железниците това са 12-осни електрически локомотиви (серия VL86*). За тях са разработени и построени двигатели NB-607 (фиг. 107, a и b); задвижването им е унифицирано със задвижването на електрически локомотиви VL80R и VL80S. Статорът 2 и сърцевината на ротора 3 са направени ламинирани. Пакетът на статора е пресован в лятата рамка /. Статорната намотка 4 е контурна, трифазна, шестполюсна, фиксирана в шлицевата част с магнитни клинове. Намотката на ротора е медна, прътите са свързани с медни пръстени и закрепени върху жлебовата част с магнитни клинове, а върху навиващата част със стъклени ленти. На вала на ротора е монтиран сензор за скорост.

Основни технически данни на някои безчеткови тягови двигатели. В табл 4 показва основните параметри на тяговите двигатели NB-601 и NB-607 на електрически локомотиви VL80 in и VL86 f и за сравнение двигателите OD64604 от ВВС на електрическия локомотив E120 (Германия) и двигателите BAZ10577/6 от AEG electric локомотив 182001.

Синхронните двигатели с постоянен магнит, които предлагат предимства по отношение на тегло, размер и консумация на енергия, все повече се използват в тяговите задвижвания, въпреки че изискват използването на сложни системиконтрол и все още имат недостатъчна надеждност.

През последните няколко години бяха получени много предложения от водещи световни доставчици на подвижен състав относно използването на синхронни тягови двигатели с постоянен магнит (PMSM). Такива двигатели имат по-малки размери и тегло в сравнение с трифазните асинхронни двигатели, които доминират на пазара досега.

PMSM бяха използвани по-специално в електрическия влак AGV V150, построен от Alstom, който постави световен рекорд за скорост на 3 април 2007 г. (фиг. 1). Използват се на подвижния състав за различни цели (таблица) - от трамвайния влак Citadis Dualis (фиг. 2) до двуетажния междуградски електрически влак Twindexx (фиг. 3) за железнициШвейцария (SBB).

Ориз. 1. Високоскоростен електрически влак AGV V150 по време на рекорден пробег Ориз. 2. Трамвай Citadis Dualis (снимка: Alstom) Ориз. 3. Електрически влак Twindexx (източник: Bombardier)

Смята се, че железопътните оператори са консервативни в прилагането на новите технологии. В същото време разработчиците и производителите на тягов подвижен състав се интересуват от бързото внедряване на съвременни технически решения. Ако използването на нови разработки допринася за значително подобряване на показателите за производителност, тези разработки бързо намират приложение, което се потвърждава от опита от въвеждането на импулсни преобразуватели за захранване на тягови двигатели с постоянен ток с последователно възбуждане, тягови двигатели с постоянен ток с независимо възбуждане, синхронни двигатели и трифазни асинхронни двигатели с короткозатворен ротор. С развитието на технологиите ефективността на тяговото задвижване се е увеличила и управлението му е подобрено, което е подобрило работата на съединителя и намалило потреблението на енергия.

Най-много са PMSM и електронното оборудване за управление на тях модерна технологияв областта на тяговото задвижване. Милиони PMSM, поради тяхното относително ниско тегло и добра управляемост, вече се използват в задвижванията на хибридни превозни средства. По-големите двигатели предлагат подобни възможности за подобряване на ефективността на железопътните тягови задвижвания. Тази технология се внедрява на нов подвижен състав за различни цели. Въпреки това се появиха няколко съществени проблема, които изискват решения.

На автомобили с двигатели вътрешно горенеЗа регулиране на скоростта обикновено се използва сложно механично устройство - скоростна кутия, за да може двигателят да работи в оптималния диапазон на скоростта. Тяговите двигатели на железопътния подвижен състав трябва да работят ефективно в целия диапазон на скоростта, като осигуряват предаването на въртящия момент към колелата чрез едностепенна скоростна кутия или директно. Това просто механично решение позволява надеждни задвижващи системи, които не изискват сложна поддръжка.

По този начин първото изискване при проектирането на тягови двигатели е тяхната способност да осигурят въртящ момент или тяга в широк диапазон на скоростта (0 до 320 km/h).

Разбира се, важно е тяговият двигател да работи надеждно. В същото време, от гледна точка на машиниста и железопътната експлоатационна компания, в по равноТова, което има значение, е прецизният и плавен контрол на въртящия момент в целия диапазон на скоростта с помощта на системата за управление на тракшън задвижването. Правилният контрол на въртящия момент осигурява оптимално използване на сцеплението между колело и релса, плавно ускорение, поддържаща способност постоянна скорости възможност за използване на електрическо спиране.

Когато колелата взаимодействат с релсите, въртящият момент на тяговия двигател се преобразува в линейна тяга или спирачна сила. На фиг. Фигура 4 показва графика на зависимостта на теглителната сила от скоростта, както и крива на съпротивлението при движение на влака. Кривата на теглителната сила пресича кривата на съпротивлението на движение в точката на така наречената постоянна скорост, т.е. максималната теоретично възможна скорост. В близост до тази точка големината на изменението на теглителната сила, поради което се създава ускорението на влака (обозначено с червена стрелка на фиг. 4), е малка. На фиг. Фигура 5 показва характеристиките на мощността на тяговото задвижване и необходимата тягова мощност (мощността е равна на произведението на скоростта и теглителната сила).

Тяговите двигатели обикновено са предназначени за определен режим на работа. Двигателят трябва да развие необходимия въртящ момент при нулева скорост и да го поддържа до номиналния въртящ момент в зона 1 на кривата на тягата. Над тази скорост тяговият двигател развива максимална мощност. В зона 2 сцеплението е обратно пропорционално на скоростта. В зона 3, поради ограничения в характеристиките на тяговия двигател, теглителната сила е обратно пропорционална на квадрата на скоростта.

Ориз. 4. Сцепление и устойчивост на движение
Ориз. 5. Силови характеристики

При ниска скорост въртящият момент на двигателя може теоретично да бъде по-голям от този, предаван от взаимодействието на колелото и релсата. Това обаче би довело до претоварване на двигателя и следователно трябва да се избегне чрез подходящи действия от водача или електронната система за управление.

Преди това, за управление на тягови двигатели с постоянен ток, се използваше регулиране на напрежението чрез промяна на тяхната схема на свързване от серийно към паралелно и регулиране на тока с помощта на стартово-спирачни резистори. В съвременния подвижен състав, за управление както на колекторни двигатели с постоянен ток, така и на синхронни и асинхронни двигатели с променлив ток, се използват електронни системи за управление на напрежението или както напрежението, така и честотата. Използваните в момента системи за тягово електрическо задвижване позволяват да се постигне висококачествен контрол в целия диапазон на скоростта при относително прости алгоритмирегулиране.

Регулирането на PMSM улеснява постигането на необходимите характеристики в зоната на постоянен въртящ момент, но за регулиране в зоната на постоянна мощност са необходими по-сложни алгоритми.

Двигателите с променлив ток и постоянен ток, като PMSM, по същество работят на едно и също физични закони. Следователно принципите на тяхното управление са до известна степен сходни. В електрическите машини от всички видове въртящият момент възниква от взаимодействието на две магнитни полета. За да се появи въртящ момент, трябва да има определен ъгъл между векторите на интензитета на тези магнитни полета, в идеалния случай равен на 90 el. градушка Споменатите полета могат да бъдат създадени от токове, протичащи през намотките на двигателя, или постоянни магнити.

Понастоящем трифазните асинхронни двигатели се използват главно в тяговите задвижвания. Въпреки това е много важно да се разбере природата и поведението на магнитните полета в статора и ротора на други видове електрически машини.

В традиционен DC двигател, северната и южните полюсиСтаторните полета винаги са ориентирани в една и съща посока, докато полето на котвата (ротора) е изместено с 90 ел. градушка поради използване на колектор. При двигател с последователно възбуждане същият ток преминава както през намотката на статора, така и през намотката на ротора, докато в случай на двигател с независимо възбуждане е възможно да се контролират независимо полетата на ротора и статора.

В традиционния трифазен синхронен двигател магнитното поле на ротора се създава от тока, протичащ през неговата намотка, а ориентацията на полето се определя от физическа позицияроторни намотки. Полето на статора се създава от тока, протичащ през неговата намотка, и се върти със скорост, определена от честотата на инвертора, от който намотката на статора получава захранване. Ъгълът между полетата на статора и ротора се увеличава в зависимост от въртящия момент, а скоростите на въртене на полетата на ротора и статора са еднакви. Когато ъгълът стане отрицателен, двигателят преминава в спирачен режим.

При трифазен асинхронен двигател магнитното поле на статора индуцира ток в намотката на ротора (фиг. 6), което от своя страна генерира магнитно поле. Последният, взаимодействайки със статорното поле, създава теглителен или спирачен момент. В режим на тяга честотата на въртене на ротора е по-ниска от зададената от преобразувателя честота на въртене на статорното поле, а в режим на спиране е по-висока. Въртящият момент не възниква, ако скоростите на въртене са еднакви. Съотношението на скоростта на ротора и полето на статора се характеризира със стойност, наречена приплъзване.

В PMSM полето на ротора се създава от магнити, които или са разпределени по повърхността на ротора, или са поставени в неговите жлебове (фиг. 7). IN последният случайосигурява по-голяма механична якост и по-ниски загуби на вихрови теченияв ротора. Сплавта неодим-желязо-бор (Nd2Fe14B) е широко разпространена като материал за постоянни магнити поради оптималните си магнитни свойства. Магнитното поле на статора се създава с помощта на трифазна многополюсна намотка, поставена в прорезите на ламинираното ядро.

Ориз. 6. Принцип на действие на асинхронен двигател с короткозатворен ротор
Ориз. 7. Принцип на действие на PMSM

Във всички електрически машини въртящото се магнитно поле генерира ЕМП, която е противоположна по посока на захранващото напрежение - така наречената обратна ЕМП. При нулева скорост на въртене е нула, но с увеличаването й расте линейно. За поддържане постоянна стойноствъртящ момент в зона 1 (виж Фиг. 4 и 5), захранващото напрежение трябва да се увеличи.

Въртящият момент на електрическа машина е продукт на магнитен поток и ток. Силовият полупроводников преобразувател регулира постояннотоковото или еднофазното захранващо напрежение, така че текущите стойности в намотките на двигателя да са в приемливи граници. Повечето модерно решениее използването на преобразуватели, базирани на биполярни транзистори с изолиран затвор (IGBT) с модулация на ширината на импулса.

В зона 1, където теглителната сила е постоянна, напрежението (а в случай на асинхронен двигател, честотата) трябва да нараства пропорционално на скоростта на двигателя, докато стойността на произведението на магнитния поток и тока, т.е. , се поддържа постоянно. Когато номиналната скорост е превишена, приложеното напрежение не може да бъде увеличено поради ограничения в параметрите на преобразувателя на мощност и изолацията на двигателя. Въпреки това от гледна точка механични характеристикискоростта на въртене може да е по-висока.

Преходът към зона 2 се осъществява чрез отслабване на полето, докато обратното ЕМП се намалява или (за PMSM) се противодейства на неговото влияние. В двигателите с постоянен ток това се постига чрез намаляване на тока, протичащ през намотката на възбуждането чрез свързване на резистор за отслабване на полето паралелно с нея в традиционния синхронен двигател, чрез намаляване на тока в намотката на ротора. В асинхронен двигател отслабването на полето възниква автоматично, когато честотата на тока на намотката на статора се увеличава, докато захранващото напрежение остава непроменено. В PMSM е по-трудно да се приложи отслабване на полето, тъй като полето на ротора се създава от постоянни магнити.

В зона 3, потокът и токът се намаляват по-бързо, отколкото в зоната на постоянна мощност, за да се избегне превишаване на електрическите и механични граници на ефективността на двигателя. Например при отделно възбуден постояннотоков двигател токът на котвата също намалява в зависимост от скоростта.

Основната причина за разширяването на използването на PMSM в тяговите задвижвания са техните значителни предимства в сравнение с трифазните асинхронни двигатели. В рамките на приблизително 80% от работния диапазон КПД на PMSM е с 1-2% по-висок, а специфичната мощност с 30-35% по-висока, в резултат на което при еднаква мощност размерите и теглото на PMSM са приблизително 25% по-малко.

В асинхронен двигател роторът се нагрява поради наличието на плъзгаща мощност. В PMSM той практически отсъства, така че няма нужда от охлаждане на ротора. Статорът PMSM обикновено е напълно запечатан и с течно охлаждане, което спомага за подобряване на надеждността на двигателя. В допълнение, когато се използва PMSM, е възможно да се извърши електрическо спиране при ниски скорости, което прави самоконтролираното спиране принципно възможно, когато намотките на статора са късо съединени. Въпреки това, постигането на тези ползи не идва без компромис. Идентифицирани са седем основни фактора, които възпрепятстват разпространението на PMSM за целите на електрическата тяга, въпреки че вече са разработени методи за решаване на тези проблеми.

Ограниченията на размера и цената на преобразувателя с четири квадранта и двигателя не позволяват използването им в целия диапазон на скоростта, като просто поддържат захранващото напрежение точно над обратната ЕМП, така че токът да е достатъчен за постигане на необходимия въртящ момент. Проблемът може да бъде решен чрез отслабване на полето, което създава зони с постоянен въртящ момент и постоянна мощност. Тъй като е трудно да се контролира полето, генерирано от постоянни магнити, отслабването на полето се постига чрез прилагане на ток към намотките на статора. Това създава поле с вектор на сила, насочен срещу вектора на силата на полето, създаден от постоянните магнити на ротора. В този случай възникват загуби в медта на статорната намотка, което до известна степен намалява положителния ефект, получен поради ниските загуби при използване на ротор с постоянни магнити.

За контролиране на токовете, които създават ефекта на отслабване на полето, е необходимо да се определи положението на ротора с точност до 1-2 el. градушка Четириполюсен двигател изисква механична разделителна способност от поне 1,5 el. градушка Ако се използват сензори, те изискват много висока точност и надеждност, за да осигурят нормална работа на системата за управление. Контролът е възможен без използването на сензори, но това може да намали точността на контрола.

Магнитният поток зависи от температурата, като силата на полето намалява с приблизително 1% за всеки 10 K увеличение на температурата на ротора. За PMSM, които работят в температурния диапазон от 200 K (-40 до +160 °C), това е значително. Следователно електронната система за управление трябва да следи работната температура и да я вземе предвид при генериране на управляващия сигнал.

Всеки PMSM изисква индивидуален мощностен полупроводников регулатор, който гарантира подаването на управляващ импулс за включване на захранващата верига точно в необходимото време. Въпреки това, в съвременните тягови задвижвания те все повече се използват персонализирани системиуправление на всеки двигател. Така този проблем е решен.

При значителни токове и високи температуриНеобратимо размагнитване може да възникне дори ако температурата на ротора не достигне точката на Кюри между 310 и 370 °C. По-опасно обаче е късо съединение в намотката на статора, което може да унищожи двигателя, тъй като въртящото се поле, генерирано от постоянните магнити, продължава да индуцира значителни токове в статора. Това е мястото, където размагнитването може да бъде полезно, тъй като намалява тези токове.

Друг проблем е, че по време на работа без товар (когато влакът се движи по инерция), въртящият се ротор на двигателя с постоянен магнит продължава да индуцира токове в сърцевината на статора. Получените вихрови токове, заедно с ефекта на хистерезис, причиняват загуби в стоманата, което намалява ефективността на двигателя.

Редкоземните метали, използвани в PMSM, са добри магнитни свойства, но са доста чувствителни към механични и топлинни въздействия. Конструкцията на ротора на PMSM е по-сложна от тази на асинхронните двигатели. Контролната верига PMSM също е по-сложна поради наличието на множество вериги обратна връзкаи необходимостта от преобразуване на сигнала.

Има доста области на приложение, където предимствата на PMSM със сигурност надвишават техните недостатъци и това ги прави привлекателни за разработчиците на тягови задвижвания. Имат по-малки размери и тегло специално значениекогато пространството е ограничено - например, ако е необходимо да се постави двигателят върху оста на колоос без скоростна кутия.

По-високата ефективност и по-ниските загуби в ротора осигуряват значителни предимства на PMSM по отношение на подобряване на експлоатационните характеристики на подвижния състав и намаляване на потреблението на енергия (фиг. 8). Това може да се види по-специално в примера на електрическия влак Alstom V150. Индукционните двигатели се монтират на талиги, разположени под каросерията на автомобилите, докато PMSM могат да бъдат поставени на талиги под шарнирните възли, което намалява сложността и теглото на тяговото задвижване.

Ориз. 8. Електромеханични характеристики и ефективност на PMSM

PMSM могат в бъдеще да станат много по-широко използвани в тяговите задвижвания (таблица), точно както трифазните асинхронни тягови двигатели, които замениха двигателите с постоянен ток, придобиха популярност в средата на 80-те години.

Примери за приложение на тягови PMSM

Оператор, държава	Подвижен състав	производител
НТВ (Италия)	25 високоскоростни влакове AGV	Alstom
SBB (Швейцария)	59 Twindexx двуетажни електрически влакове	Bombardier
SNCF (Франция)	31 трамвай-влак Citadis Dualis	Alstom
SNCF (Франция)	Електрически влакове Regiolis (рамков договор)	Alstom
SNCF (Франция)	Електрически влакове Omneo (рамков договор)	Bombardier
Прага, Чешка Република)	Нископод трамвайни вагонитип 15Т	Шкода
Токио Метрополитен (Япония)	Електрически влакове серия 16000	Кавазаки
JR East (Япония)	Влакове от серия E331 за Токио	Toshiba
Прототипи
Метрополитен Мюнхен (Германия)	Електрически влак тип C19 с талиги Syntegra	Siemens
Китай	Прототип на локомотив с горивни клетки	CNR Yongji
Швеция	Електрически влак Grona Taget	Bombardier
Турция	Нископодов трамвай Citadis X04	Alstom
Япония	Влак с променливо междурелсие	RTRI

Железниците на света - 2011

Безчеткови тягови двигатели

Преди около 8-10 години масата на влака (стандарт за тегло) беше ограничена от условията на сцепление, т.е. постигнатата стойност на проектния коефициент на сцепление. Следователно въпросът за значително увеличаване на теглителната сила и следователно на мощността на тяговите двигатели на електрическите локомотиви не беше толкова спешно повдигнат. Изследванията и експерименталната експлоатация на редица нови устройства показаха, че има големи възможности за увеличаване на изчисления коефициент на сцепление. Това може да се постигне чрез използване на независимо възбуждане, както и чрез автоматично изравняване на натоварванията на тяговите двигатели. Други възможности за увеличаване на коефициента на сцепление ще бъдат разгледани по-долу.

Но допълнителното увеличаване на мощността на тяговите двигатели на електрическите локомотиви, необходимо за постигане на по-висок проектен коефициент на сцепление, става все по-трудно осъществимо. Това се предотвратява преди всичко от размерите на тяговия двигател: дължината му е ограничена от разстоянието между гумите на двойките колела, диаметърът му е ограничен от разстоянието между оста на двойката колела и вала на двигателя - централния център (виж фиг. 3). Досега, при наличието на строги общи ограничения за размера на двигателите, тяхната мощност се увеличаваше чрез използване на по-устойчиви на топлина изолационни материали, увеличаване на охлаждането, увеличаване на броя на двойките полюси, инсталиране на компенсационна намотка и избор на оптимално напрежение за тягови двигатели на електрически локомотиви с променлив ток.

С увеличаването на мощността, модулът комутатор-четка работи все по-усилено и по-усилено. Състоянието му до голяма степен определя продължителността на експлоатация на електрическия локомотив между прегледите и ремонтите. Увеличаването на мощността на тяговите двигатели среща все повече препятствия и не допринася за повишаване на тяхната надеждност и ефективност. Следователно желанието за създаване на мощен безчетков тягов двигател е съвсем разбираемо.

Електрически локомотиви с асинхронни тягови двигатели. През цялата история на създаването и усъвършенстването на електрическите локомотиви е имало много опити да се използва най-простият и евтин асинхронен двигател за тягови цели. Доскоро това не можеше да се направи, тъй като неговата честота на въртене може да бъде икономично регулирана само чрез промяна на честотата на захранващия ток. Преобразувателите на електрически машини, използвани преди това за това, бяха тежки. Появата на тиристори отвори пътя за създаването на лек и надежден честотен преобразувател.

Дизайнът на асинхронен двигател, както вече беше отбелязано, е прост. Има неподвижен статор и въртящ се ротор (фиг. 75). Има асинхронни двигатели: с ротор с катерица и с фазов ротор. Като тягови двигатели се използват асинхронни двигатели с ротор с катерица. Ядрото на такъв ротор, подобно на статора, е сглобено от листове електрическа стомана. Намотката на ротора се състои от медни пръти, разположени в жлебовете на сърцевината и затворени в краищата с пръстени. Намотката без сърцевина на ротора е така нареченото „колело на катерица“.

В прорезите на статора са разположени три намотки, изместени една спрямо друга на 120°. Тези намотки обикновено са свързани в звезда. Когато намотките са свързани към трифазна верига, през всяка от тях преминава променлив ток и се създават три редуващи се магнитни потока. Тези потоци, като се сумират, образуват получен поток, въртящ се с честота от 3000 rpm с една двойка полюси на фаза. Въртящият се магнитен поток на статора на двигателя, пресичащ намотката на ротора, индуцира e. д.с. Под влияние на e. д.с. През намотката на ротора преминава ток, създавайки собствен магнитен поток. Магнитните потоци на статора и ротора си взаимодействат, карайки ротора да се върти.

В противен случай честотата на въртене на ротора е малко по-малка от честотата на въртене на магнитния поток на статора електропроводиняма да пресече намотката на ротора. Разликата между тези честоти на въртене се нарича приплъзване. Чрез увеличаване на броя на двойките полюси можете да получите други честоти на въртене на магнитния поток: 1500, 1000, 750 rpm и т.н. Честотата на въртене на ротора ще бъде малко по-малка от тези стойности.

Обикновено приплъзването е 1-3% от синхронната честота. Следователно, ако промените честотата на захранващото напрежение в широк диапазон и по този начин синхронната честота, скоростта на ротора ще се промени заедно с нея. Но в допълнение към честотата е необходимо да се регулира и напрежението, подавано към асинхронния двигател, за да се получи характеристика на сцепление приблизително същата като при използване на постояннотокови двигатели с последователно възбуждане.

Регулирането на напрежението се извършва, както при домашни електрически локомотиви с променлив ток, чрез превключване на вторичната намотка на тяговия трансформатор с помощта на главния контролер (фиг. 76) на стъпки. След това в токоизправителния блок B напрежението се коригира и се подава към инвертор I. В токоизправителя напрежението, подадено към инвертор I, се регулира непрекъснато.

Чрез отпушване и заключване на тиристорите на инверторната инсталация в определена последователност се получава трифазно напрежение, което се подава към статорната намотка на асинхронния двигател. Нека припомним, че конвенционалните асинхронни двигатели се захранват с променливо трифазно напрежение и следователно ток, който се променя синусоидално. В този случай всяка фаза се измества спрямо другата с 120 °, както е показано на фиг. 77. За по-голяма яснота промяната в напрежението на всяка фаза е показана на отделни оси. При генериране на трифазно напрежение на електрически локомотив с асинхронни двигатели превключващите инверторни вентили създават стъпаловидно напрежение във всяка фаза.

Честотата на напрежението, подавано към асинхронния двигател, се контролира чрез промяна на честотата на превключване на тези вентили.

Инверторът е оборудван със специално устройство, което надеждно възстановява управляващите свойства на тиристорите в случай на повреда на инверсията. Реверсирането на тяговите двигатели се извършва чрез превключване на управляващите вериги на инверторните тиристори, тъй като за промяна на посоката на въртене на асинхронен двигател е достатъчно да се разменят две захранвани фази.

Въз основа на развитието на научните изследвания и образователни институцииЕлектрически локомотив с променлив ток с асинхронни тягови двигатели VL80 a е построен в завода за електровози в Новочеркаск. Електрическият локомотив е създаден на базата на осемосния електрически локомотив VL80 K. Мощността на всеки тягов двигател е 1200 kW, т.е. 1,5 пъти повече от колекторния двигател на електрическия локомотив VL80 K.

Не е изключена възможността за създаване на тягово задвижване с асинхронен двигател без скоростна кутия. В този случай роторът на асинхронния двигател е монтиран директно върху оста на колоосите, а статорът има разделена форма.

Електрически локомотиви с вентилни синхронни двигатели. Като безчеткови тягови двигатели на електрически локомотив можете да използвате синхронни двигатели със статични (вентилни) преобразуватели - така наречените вентилни двигатели.

Нека обясним принципа на работа на вентилния двигател. На неговия статор е разположена трифазна намотка, а на ротора - намотка за възбуждане с постоянен ток (фиг. 78). Началото и краят на намотката на възбуждането са свързани към два пръстена, електрически изолирани един от друг. Фазовите намотки на статора са свързани в звезда; В началото те са свързани към преобразувател - инвертор И (или източник на постоянен ток). Инвертор I се захранва от токоизправител B, свързан към вторичната намотка на тяговия трансформатор. Ако, например, във всеки момент от време тиристорите A1 и X2 на инвертора са отворени, токът от токоизправител B ще премине през тиристор A1, статорни намотки I и II, тиристор X2, възбудителна намотка OB и ще се върне към инсталацията на токоизправителя. . С посоката на тока в намотки I, II и намотката на възбуждане, обозначена със стрелките, полученият магнитен поток на статора, взаимодействащ с потока на намотката на възбуждане, ще създаде въртящ момент и роторът ще се върти по посока на часовниковата стрелка. Чрез превключване на проводниците на намотката на статора в определен ред е възможно да се осигури непрекъснато въртене на ротора.

По този начин, според принципа на работа, вентилният двигател е подобен на машина с постоянен ток, където колекторът е заменен от система от управлявани по мощност вентили на инверторната инсталация. Но за разлика от постояннотоковия двигател, безчетковият двигател има само три превключвани клеми с трифазна намотка вместо няколкостотин комутационни пластини. В допълнение, намотката на възбуждане в двигателя на клапана стана подвижна и арматурата стана неподвижна. Вентилното превключване на тока в намотките позволява значително напрежение между клемите: до няколко хиляди волта. Нека си припомним, че конвенционален механичен комутатор работи задоволително при напрежение между комутаторните плочи не повече от 30-32 V. Извършва се превключване на проводниците на намотката на статора в необходимия ред и съответно промяна на позицията на ротора чрез система за управление, която има специален сензор за положение на ротора.

Вентилният двигател е многофазна машина, чиято арматурна намотка се захранва от преобразувател, управляван синхронно с въртенето на ротора, оборудван с възбуждаща намотка. По този начин вентилният двигател се състои от електрическа машина, клапанен преобразувател и свързваща ги система за управление.

Новочеркаският електролокомотивен завод първоначално построи прототип на осемосен електрически товарен локомотив VL80 V с тягови двигатели от вентилен тип. След тестването му е произведена малка партида от подобни електрически локомотиви за експлоатационни изпитания. Електрическите локомотиви са оборудвани с автоматична система за управление, работеща в режим на тяга и електрическо спиране. Електрическият локомотив използва независимо възбуждане на вентилни двигатели от възбудителни токоизправители, които променят тока на възбуждане пропорционално на тока на намотката на котвата на двигателя. Роторът на двигателя има шест полюса, токът се подава към възбуждащата намотка през два пръстена и четки. Оборотите на двигателя се контролират чрез промяна на захранваното напрежение. Напрежението на вторичната намотка и следователно на токоизправителната инсталация се регулира приблизително по същия начин, както при електрическите локомотиви с променлив ток с колекторни двигатели. Елиминира се само насрещното свързване на регулираните и нерегулираните намотки на трансформатора и леко се повишава напрежението им. След като номиналното напрежение се приложи към двигателите, допълнително увеличаване на скоростта се постига чрез регулиране на възбуждащия магнитен поток.

Електрическите локомотиви VL80V използват верига за коригиране и преобразуване на ток, малко по-различна от тази, показана на фиг. 78. На фиг. 78 показва отделни инсталации на токоизправител B и инвертор И, т.е. показана е така наречената верига с изрично DC връзка. При електрическия локомотив VL80 V тези две единици са комбинирани в общо устройство.