Το εγχειρίδιο περιέχει γενικές πληροφορίες σχετικά με το σχεδιασμό των ασύγχρονων ηλεκτρικών μηχανών, τον σκοπό των εξαρτημάτων τους και εξετάζει το σχεδιασμό ενός συγκεκριμένου μοντέλου κινητήρα έλξης. Λαμβάνεται υπόψη η σύνθεση ενός συνόλου ηλεκτρολογικού εξοπλισμού ισχύος, ο σκοπός των εξαρτημάτων του, η λειτουργία και η αλληλεπίδρασή τους.

Για να αντιληφθείτε σωστά το υλικό που παρουσιάζεται, είναι απαραίτητο να κατανοήσετε τις γενικές αρχές ελέγχου του εξοπλισμού ισχύος και τον έλεγχο ενός τρένου χρησιμοποιώντας τα αυτοκινούμενα όπλα Vityaz και μέσω ενός εφεδρικού καναλιού ελέγχου (σε αυτό εγχειρίδιοδεν λαμβάνονται υπόψη). Η μελέτη του υλικού θα διευκολυνθεί από τη γνώση των βασικών στοιχείων της ηλεκτρολογικής μηχανικής, συμπ. Και εναλλασσόμενο ρεύμα, καθώς και τις αρχές κατασκευής ηλεκτρικά κυκλώματασε τριφασικό σύστημα AC. Για να γίνει αυτό, ο συγγραφέας συνιστά τη μελέτη των σχετικών ενοτήτων ηλεκτρολόγων μηχανικών χρησιμοποιώντας εκπαιδευτική βιβλιογραφία ή το υλικό που παρουσιάζεται στα παραρτήματα.

Κατά την προετοιμασία χρησιμοποιήθηκε βιβλιογραφία και τεχνική τεκμηρίωση, κατάλογος των οποίων δίνεται στο τέλος του εγχειριδίου.

Ο συγγραφέας εκφράζει ευγνωμοσύνη σε όλους τους ειδικούς που με τον ένα ή τον άλλο τρόπο συμμετείχαν στην προετοιμασία του υλικού. Εκφράζω ιδιαίτερη ευγνωμοσύνη στον N.N Danilov, Αναπληρωτή Προϊστάμενο του Τεχνικού Τμήματος της ZREPS CJSC, ο οποίος παρείχε πολύτιμη βοήθεια στην προετοιμασία του τρίτου κεφαλαίου.

Αυτό το εκπαιδευτικό εγχειρίδιο προορίζεται κυρίως για εργαζομένους που σπουδάζουν οδηγοί στο Κέντρο Εκπαίδευσης και Παραγωγής του Metro, αλλά μπορεί να είναι χρήσιμο για εργαζόμενους ηλεκτρικών αποθηκών που θέλουν να βελτιώσουν το επίπεδο γνώσεών τους στον τομέα των ηλεκτροκινητήρων έλξης.

Δάσκαλος του UOC

Μετρό της Μόσχας

Danilov E.B.

Ασύγχρονη ηλεκτρική κίνηση έλξης σε βαγόνια του μετρό. Φροντιστήριο.

	Εισαγωγή. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Γενικές πληροφορίεςσχετικά με τη λειτουργία ασύγχρονων τριφασικών ηλεκτρική μηχανή και ο σχεδιασμός της. . . . . . . . . . . . .
		Σχεδιασμός και αρχή λειτουργίας της ασύγχρονης ηλεκτρικές μηχανές. . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . .
		Σχηματισμός περιστρεφόμενου ηλεκτρομαγνητικού ροπή σε μια ασύγχρονη ηλεκτρική μηχανή. . . . . . .
	Η συσκευή ενός κινητήρα ασύγχρονης έλξης. Τεχνικά δεδομένα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Βασικές παράμετροι κινητήρα. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Στάτωρ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Στροφείο. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Ασπίδες ρουλεμάν. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Εξαερισμός. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Αισθητήρας ταχύτητας ρότορα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Κίνηση έλξης. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Δοχείο για μετατροπέα έλξης KTI. . . . . . . . . . . . . . . . .
		Λειτουργία κίνησης έλξης. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Εφαρμογές
		Τι είναι το εναλλασσόμενο ρεύμα και σε τι διαφέρει από το συνεχές ρεύμα; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα. . . . . . . . . . .
		Περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Βιβλιογραφικές αναφορές. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Εισαγωγή

Η χρήση ηλεκτρικών μηχανών AC ως κινητήρες έλξης σε σιδηροδρομικές μεταφορέςκαθυστέρησε για μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω δυσκολιών στον εφοδιασμό ηλεκτρικού τροχαίου υλικού με τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα. Ωστόσο, η ανάπτυξη της ηλεκτρικής βιομηχανίας, ιδίως η βελτίωση των ηλεκτρονικών ημιαγωγών ισχύος και των κυκλωμάτων μικροεπεξεργαστή, οδήγησε στη δημιουργία μετατροπέων ρεύματος και τάσης με επαρκή ισχύ για την παροχή ισχύος στους κινητήρες έλξης. Ειδικός ρόλοςΗ ανάπτυξη τρανζίστορ υψηλής ισχύος έπαιξε ρόλο σε αυτό.

Σε σύγκριση με κινητήρες μεταγωγέα συνεχές ρεύμαΟι ασύγχρονοι κινητήρες έχουν πολλά πλεονεκτήματα.

Για πρώτη φορά στην εγχώρια μαζική παραγωγή, η χρήση ασύγχρονων κινητήρων ως κινητήρες έλξης χρησιμοποιήθηκε σε βαγόνια του μετρό των μοντέλων 81-740/741 και σε μέρος των αυτοκινήτων του μοντέλου 81-720/721 και αργότερα σε αυτοκίνητα του μοντέλου 81- 760/761. Η εγχώρια βιομηχανία έχει ξεκινήσει την παραγωγή ασύγχρονων ηλεκτροκινητήρων για βαγόνια του μετρό. Επί του παρόντος, τα αυτοκίνητα μπορούν να εξοπλιστούν με τους ακόλουθους κινητήρες:

TAD 280M 4U2 κατασκευής AEK Dynamo.

DATE–170 Παραγωγή 4U2 « LLC Elektrotyazhmash-Privod" Lysva;

TADVM-280 4U2 που κατασκευάζεται από την JSC NIPTIEM, Vladimir;

Το DATM-2U2 παράγεται από την OJSC Pskov Electrical Machine Building

φυτό σώματος"?

DTA 170 U2 JSC "Εργοστάσιο κατασκευής ηλεκτρικών μηχανών Ρίγας";

TA 280 4MU2 που κατασκευάζεται από την JSC ELDIN (Yaroslavl Electro-

μηχανουργείο).

Οι ηλεκτροκινητήρες λαμβάνουν ισχύ από μετατροπείς ως μέρος του KATP-1 ή του KATP-2 που παράγεται από την OJSC Metrovagonmash.

Τα πρώτα σετ ασύγχρονων οδηγών σε βαγόνια του μετρό ήταν ξένης κατασκευής "HITACHI" και "ALSTOM".

Κινητήρες έλξης βαλβίδων. Απόπειρες χρήσης κινητήρων AC χωρίς ψήκτρες στην ηλεκτρική έλξη έγιναν στη δεκαετία του '30. Ωστόσο, η πρακτική δυνατότητα χρήσης τους εμφανίστηκε μόνο αφού η βιομηχανία κατέκτησε τη σειριακή παραγωγή θυρίστορ και διόδων ισχύος, καθώς και στοιχεία ημιαγωγών που καθιστούν δυνατή την ορθολογική εφαρμογή συστημάτων ελέγχου και τη ρύθμιση της συχνότητας της τάσης τροφοδοσίας.

Ο σχεδιασμός του κινητήρα έλξης βαλβίδας είναι μια σύγχρονη μηχανή, στην οποία η περιέλιξη του οπλισμού βρίσκεται στον στάτορα και η περιέλιξη πεδίου βρίσκεται στον ρότορα. Στάτης βαλβίδας

Ο κινητήρας (Εικ. 105) αποτελείται από ένα χυτό πλαίσιο 7 και έναν πυρήνα με ελασματοποίηση από ηλεκτρικό χάλυβα E1300. Το πλαίσιο χρησιμεύει ως περίβλημα κινητήρα και δεν διαφέρει στην εμφάνιση από τα πλαίσια των κινητήρων έλξης παλλόμενου ρεύματος και ο πυρήνας είναι ένα μαγνητικό κύκλωμα.

Ο πυρήνας 9 πιέζεται μέσα στο πλαίσιο μεταξύ των ογκωδών δακτυλιοειδών πλευρικών τοιχωμάτων 13. Κατά μήκος της εξωτερικής διαμέτρου του, σφίγγεται με λωρίδες 8, συγκολλημένες στον πυρήνα και στα πλευρικά τοιχώματα. Ο πυρήνας δεν περιστρέφεται με ένα κλειδί και έξι καρφίτσες που εισάγονται στις οπές του πλαισίου και των επενδύσεων. Για τη μείωση των ροών και των απωλειών διαρροής, τοποθετούνται μη μαγνητικά μονωτικά φύλλα 12 μεταξύ των πλευρικών τοιχωμάτων και της συσκευασίας.

Οι αισθητήρες θέσης για τον έλεγχο του κινητήρα είναι εγκατεστημένοι στην εξωτερική επιφάνεια του πυρήνα σε 12 σημεία. μαγνητική ροή. Κάθε αισθητήρας έχει μία καθορισμένη και δύο περιελίξεις μονής στροφής ανάγνωσης από σύρμα PSD με διάμετρο 1,16 mm. Το κοινό καλώδιο από αυτά πηγαίνει στο κουτί ακροδεκτών, στο οποίο συνδέεται με τη συσκευή ελέγχου ηλεκτρικής ατμομηχανής μέσω ενός βύσματος.

Οι αυλακώσεις του πυρήνα σε όλο το μήκος του είναι λοξοτμημένοι από μια διαίρεση αυλάκωσης μέσα σε αυτά. Η μόνωση του αμαξώματος των πηνίων του είναι κατασκευασμένη από έξι στρώσεις γυάλινης ταινίας μαρμαρυγίας L2S25KS 0,09 X 20 mm, που εφαρμόζεται μισοεπικαλυπτόμενη. Η περιέλιξη στερεώνεται στις αυλακώσεις με σφήνες από υαλοβάμβακα. Η έξοδος της περιέλιξης του στάτορα στο κιβώτιο ακροδεκτών γίνεται με διπλό δίαυλο.

Οι ρότορες των κινητήρων περιστροφικών βαλβίδων έχουν διαφορετικά σχέδια. Η ηλεκτρική ατμομηχανή VL80v-216 ήταν εξοπλισμένη με εξαπολικούς κινητήρες χωρίς ψήκτρες με εμφανή ρότορα πόλου.

Αυτός ο σχεδιασμός του ρότορα είναι τεχνολογικά απλούστερος, αλλά από θερμική και μηχανική άποψη τα υλικά του ρότορα και η μόνωση των πηνίων του πόλου αποδείχθηκαν υπερφορτωμένα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο μ.δ.σ. οι διεγέρσεις για έναν κινητήρα διακόπτη, λαμβάνοντας υπόψη την αντίδραση οπλισμού και τις γωνίες μεταγωγής, υπερβαίνουν τα m.m.f. Η ταχύτητα ρελαντί είναι περίπου 1,8 φορές, ενώ σε μηχανή DC -

μόνο 1,2 φορές Επιπλέον, λόγω των αντηρίδων πόλων, η απομάκρυνση θερμότητας από τα πηνία πεδίου επιδεινώθηκε.

Δεδομένου ότι οι ταχύτητες περιστροφής προφανώς θα αυξηθούν καθώς βελτιώνεται το συγκρότημα ρουλεμάν και το κιβώτιο ταχυτήτων, η θερμική καταπόνηση θα αυξηθεί επίσης ως αποτέλεσμα της επιθυμίας να χωρέσει περισσότερη ισχύ σε συγκεκριμένες διαστάσεις. Επομένως, ο μόνος δυνατός σχεδιασμός ήταν ένας ρότορας με άρρητους πόλους.

Σε αντίθεση με τις συμβατικές σύγχρονες μηχανές, ένας κινητήρας τύπου μεταγωγής πρέπει να έχει αξιόπιστη περιέλιξη αποσβεστήρα με ράβδους επαρκούς διατομής για μείωση της υπομεταβατικής αντίδρασης του κινητήρα. Οι ράβδοι 15 της περιέλιξης του αποσβεστήρα είναι κατασκευασμένες από χαλκό, τοποθετημένες ομοιόμορφα γύρω από ολόκληρη την περιφέρεια του ρότορα. Όπως δείχνουν οι υπολογισμοί, αυτός ο σχεδιασμός της περιέλιξης του αποσβεστήρα καθιστά δυνατή τη λήψη σχετικά χαμηλών υπερμεταβατικών επαγωγικών αντιστάσεων της περιέλιξης του οπλισμού με αποδεκτές απώλειες στις ράβδους που προκαλούνται από τη διαδικασία μεταγωγής.

Για τους άρρητους πόλους του ρότορα, ένα σύστημα ράβδων αποσβεστήρα μπορεί να βρίσκεται είτε στο πάνω μέρος των σχισμών με τη μορφή μεταλλικής σφήνας που ασφαλίζει την περιέλιξη διέγερσης, είτε στην οπή των δοντιών. Η πρώτη μέθοδος είναι τεχνολογικά άβολη λόγω της δυσκολίας συγκόλλησης των άκρων των ράβδων (σφήνων) στους συνδετικούς δακτυλίους. Ο δεύτερος σχεδιασμός του κλωβού αποσβεστήρα είναι προτιμότερος, καθώς οι ράβδοι μπορούν να συγκολληθούν απευθείας στο φύλλο χάλκινης ακμής, ειδικά σφραγισμένο για το σκοπό αυτό. Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτού του σχεδιασμού είναι ότι ο κλωβός αποσβεστήρα μπορεί να κατασκευαστεί στον ρότορα πριν από την τοποθέτηση της περιέλιξης πεδίου. Οι οκταπολικοί κινητήρες βαλβίδων NB-601 της ηλεκτρικής ατμομηχανής VL80v-661 έχουν αυτό το σχέδιο ρότορα.

Ασύγχρονοι κινητήρες έλξης. Μέγιστη ροπή κινητήρα

Mmax « C1Ai\/(2xg),

όπου cm - σταθερός συντελεστήςκινητήρας; και, - τάση δικτύου, x - επαγωγική αντίδραση.

Ρύζι. 105. Διαμήκη (α) και εγκάρσια (β) τμήματα της ηλεκτρικής ατμομηχανής κινητήρα έλξης NB-601

/ - άξονας, 2 - ρουλεμάν κυλίνδρων, 3 - δακτύλιος οπλισμού, 4 - θωράκιση ρουλεμάν. 5 - δαχτυλίδια? 6 - θήκη βούρτσας. 7 - σκελετός? 8 ιμάντες, πυρήνας 9 πλαισίου. 10 - περιέλιξη στάτορα, // - πυρήνας ρότορα. 12-μη μαγνητικά διαχωριστικά (φύλλα), 13-πλευρικό τοίχωμα του πυρήνα του στάτορα, 14-αξονικό κιβώτιο, 15-

ράβδοι περιέλιξης αποσβεστήρα

Ένας ασύγχρονος κινητήρας είναι ευαίσθητος στις πτώσεις τάσης. Για παράδειγμα, όταν η τάση μειώνεται κατά 10%, η ροπή μειώνεται κατά 19%. Σε αντίθεση με έναν βιομηχανικό ασύγχρονο κινητήρα, ένας ασύγχρονος κινητήρας έλξης έχει μια σειρά από χαρακτηριστικά που προκύπτουν από τις συνθήκες λειτουργίας του σε μια ατμομηχανή (τροφοδοτείται από έναν μετατροπέα συχνότητας και φάσης, που προσαρμόζει σημαντική ισχύ σε δεδομένες, πολύ συμπιεσμένες διαστάσεις, που καθορίζονται από τις διαστάσεις του σασί της ατμομηχανής). Σε όλους τους κινητήρες μεταγωγέα έλξης ηλεκτρικών μηχανών με αξονικό αερισμό, το 30% του αέρα διέρχεται από το διάκενο αέρα, πραγματοποιώντας εντατική απομάκρυνση θερμότητας από τις επιφάνειες αγκυρώσεων και πόλων.

Σε έναν κινητήρα ασύγχρονης έλξης, προκειμένου να μειωθεί το ρεύμα μαγνήτισης και να αυξηθεί το cos f, προσπαθούν να διατηρήσουν το διάκενο αέρα μεταξύ του στάτορα και του ρότορα όσο το δυνατόν λιγότερο λόγω των συνθηκών σχεδιασμού και παραγωγής. Από αυτή την άποψη, σε ασύγχρονους κινητήρες με αξονικό ανεξάρτητο αερισμό δεν είναι δυνατή η ψύξη των επιφανειών του ρότορα και του στάτορα που βλέπουν το διάκενο αέρα. Για να περάσει περισσότερος αέρας ψύξης μεταξύ του στάτορα και του ρότορα, ο ασύγχρονος κινητήρας έλξης χρησιμοποιεί κανάλια υπερ-σχισμής (Εικ. 106, o).

μέσω του οποίου διέρχεται περίπου το 30% του συνόλου του αέρα ψύξης

Το ύψος του καναλιού πάνω από την υποδοχή είναι (1,0 - 1,5) 6 ps, όπου b ps είναι το πλάτος της υποδοχής του στάτορα. Σε έναν κινητήρα διακόπτη, τα κανάλια υπερ-σχισμής στον στάτορα είναι απαράδεκτα, καθώς αυξάνουν την επαγωγική αντίδραση διαρροής του στάτορα κατά περίπου 40%, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της ροπής. Σε έναν ασύγχρονο κινητήρα, η αύξηση της επαγωγικής αντίστασης διαρροής της περιέλιξης του στάτορα δεν είναι τόσο επιβλαβής, καθώς η μεταγωγή πραγματοποιείται αναγκαστικά.

Σε ένα πολυπολικό μηχάνημα, τα ενεργά υλικά χρησιμοποιούνται πιο αποτελεσματικά, ο ασύγχρονος κινητήρας λειτουργεί με μικρότερες απώλειες και η απόδοσή του είναι υψηλότερη Οι παράμετροι του κινητήρα και της ηλεκτρικής ατμομηχανής στο σύνολό τους επηρεάζονται επίσης από το μέγιστο

f max Και ονομαστικές / ονομαστικές τιμές · CHESTO-

είστε το ρεύμα της περιέλιξης του στάτορα. Συχνότητα fmax =

P" max/(60 + f 2), όπου f2 = /CK -

συχνότητα του ρότορα ή ρεύμα ολίσθησης, συνήθως 1-2% του /max, με επαρκή ακρίβεια /max = pn gaax/59.

Ονομαστική συχνότητα fH0M= pnmaJ (59k„), όπου kv είναι ο λόγος ταχύτητας, συνήθως ίσος με 2. Θεωρητικά, η βέλτιστη συχνότητα fom = 100-150 Hz και τα όρια ελέγχου συχνότητας του μετατροπέα είναι από 1-2 έως 200- 300 Hz. Ωστόσο, υπάρχουν περιορισμοί που σχετίζονται με τη χρήση ρουλεμάν

Ρύζι. 106 Θέση καναλιών υπερσχισμής για ασύγχρονο κινητήρα έλξης (a) και καμπύλες

/ - πυρήνας ρότορα, 2 - περιέλιξη ρότορα, 3 - κανάλι, 4 - κανάλι υπερ-σχισμής, 5 - περιέλιξη στάτορα,

6 - στάτορας, 7 - σφήνα από κειτόλιθο

Πίνακας 4

Ενδείξεις Βασικές παράμετροι της ωριαίας λειτουργίας του κινητήρα έλξης

Σειρά ηλεκτρικών ατμομηχανών
Ισχύς εισόδου κινητήρα, kW
Γραμμική τάση, V
Ρεύμα φάσης /fi, Α
Συντελεστής ισχύος
Τρέχουσα συχνότητα, Hz
Υψηλότερη ταχύτητα περιστροφής.
Η ροπή στον άξονα του κινητήρα είναι
Ελκτική δύναμη στη στεφάνη του τροχού, kN
Ταχύτητα ηλεκτρικής ατμομηχανής, km/h
Κατηγορία μόνωσης
Αριθμός φάσεων
Αριθμός πόλων στάτορα
Διάκενο αέρα, mm
Βάρος κινητήρα χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων
Ροή αέρα ψύξης,
*"Συχνότητα ρεύματος στάτη για συνεχή		τρόπος. *2 V	λειτουργία "i", = 890 rpm *3 Ισχύς-

χωρητικότητα συνεχούς λειτουργίας Рм = 500 kW *4 Μάζα χαλκού κινητήρα 230 kg (623 kg για NB-418K6); ειδική μάζα κινητήρα 4,28 kg/kW, ειδική μάζα χαλκού 0,255 kg/kW, ειδική μάζα χάλυβα 1,62 kg/kW (0,74 για το NB-418K6) Αριθμός σχισμών ρότορα її = 80 και μήκος 455 mm. αριθμός σχισμών στάτη 1\ = 108, μήκος 465 mm. *5 Χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων

για τις οποίες η μέγιστη ταχύτητα περιστροφής είναι 3000-4000 σ.α.λ. και η αδυναμία παραγωγής κιβωτίου ταχυτήτων έλξης με μεγάλη σχέση μετάδοσης. Τα εγχώρια ρουλεμάν κινητήρων σειριακής έλξης παρέχουν yash = 2150 rpm με αποδεκτή αντοχή. Με σχέση μετάδοσης і = 4,4 και διάμετρο του μέσου φθαρμένου ελαστικού £> av = 1200 mm, αυτό αντιστοιχεί στη μέγιστη ταχύτητα της ηλεκτρικής ατμομηχανής σε km/h. Σε σειριακές ηλεκτρικές ατμομηχανές με αξονική ανάρτηση κινητήρων έλξης, max = 5.353 Στα V = 120 km/h και £>av = = 1200 mm, λαμβάνουμε n max = 2800 rpm, αλλά η βιομηχανία δεν παράγει ρουλεμάν για τέτοια. μια ταχύτητα περιστροφής.

Οι απώλειες στον μετατροπέα εξαρτώνται επίσης από τον αριθμό των πόλων του κινητήρα ασύγχρονης έλξης. Για να μειωθεί ο συντελεστής αναλογίας ταχύτητας ki θα πρέπει να ληφθεί ίσος με 2,5

Βασικά, η δημιουργία μιας ασύγχρονης μονάδας δίσκου υψηλής ισχύος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις επιτυχίες σε διάφορους τομείς της ηλεκτρονικής, της μηχανολογίας, της ανάπτυξης τεχνολογίας κ.λπ.

Από το 1982, η VElNII ξεκίνησε ένα νέο στάδιο στη δημιουργία ηλεκτρικών μηχανών με ασύγχρονους κινητήρες. Σύμφωνα με τις απαιτήσεις του Υπουργείου Σιδηροδρόμων, πρόκειται για ηλεκτρικές ατμομηχανές 12 αξόνων (σειρά VL86*). Οι κινητήρες NB-607 αναπτύχθηκαν και κατασκευάστηκαν για αυτούς (Εικ. 107, α και β). Η κίνηση τους είναι ενοποιημένη με την κίνηση των ηλεκτρικών μηχανών VL80R και VL80S. Ο στάτορας 2 και ο πυρήνας του δρομέα 3 είναι πλαστικοποιημένοι. Το πακέτο στάτορα πιέζεται στο χυτό πλαίσιο /. Η περιέλιξη στάτορα 4 είναι βρόχος, τριφασική, εξαπολική, στερεωμένη στο τμήμα της σχισμής με μαγνητικές σφήνες. Η περιέλιξη του ρότορα είναι χάλκινη, οι ράβδοι συνδέονται με χάλκινους δακτυλίους και στερεώνονται στο τμήμα αυλάκωσης με μαγνητικές σφήνες και στο τμήμα περιέλιξης με γυάλινες ταινίες. Ένας αισθητήρας ταχύτητας είναι τοποθετημένος στον άξονα του ρότορα.

Βασικά τεχνικά δεδομένα ορισμένων κινητήρων έλξης χωρίς ψήκτρες. Στον πίνακα Το 4 δείχνει τις κύριες παραμέτρους των κινητήρων έλξης NB-601 και NB-607 των ηλεκτρικών μηχανών VL80 in και VL86 f και για σύγκριση τους κινητήρες OD64604 από την Πολεμική Αεροπορία της ηλεκτρικής ατμομηχανής E120 (Γερμανία) και τους κινητήρες BAZ10577/6 από την AEG electric ατμομηχανή 182001.

Οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, οι οποίοι προσφέρουν πλεονεκτήματα όσον αφορά το βάρος, το μέγεθος και την κατανάλωση ενέργειας, χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο σε κινητήρες έλξης, αν και απαιτούν τη χρήση πολύπλοκα συστήματαελέγχουν και εξακολουθούν να έχουν ανεπαρκή αξιοπιστία.

Τα τελευταία χρόνια έχουν ληφθεί πολλές προτάσεις από τους κορυφαίους προμηθευτές τροχαίου υλικού στον κόσμο σχετικά με τη χρήση κινητήρων σύγχρονης έλξης μόνιμου μαγνήτη (PMSM). Τέτοιοι κινητήρες έχουν μικρότερες διαστάσεις και βάρος σε σύγκριση με τους τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες που έχουν κυριαρχήσει μέχρι τώρα στην αγορά.

Τα PMSM χρησιμοποιήθηκαν, συγκεκριμένα, στο ηλεκτρικό τρένο AGV V150 που κατασκεύασε η Alstom, το οποίο σημείωσε παγκόσμιο ρεκόρ ταχύτητας στις 3 Απριλίου 2007 (Εικ. 1). Χρησιμοποιούνται σε τροχαίο υλικό για διάφορους σκοπούς (πίνακας) - από το τρένο τραμ Citadis Dualis (Εικ. 2) έως το διώροφο ηλεκτρικό τρένο υπεραστικού Twindexx (Εικ. 3) για σιδηροδρόμωνΕλβετία (SBB).

Ρύζι. 1. Ηλεκτρικό τρένο υψηλής ταχύτητας AGV V150 κατά τη διάρκεια ρεκόρ διαδρομής Ρύζι. 2. Τραμ-τραίνο Citadis Dualis (φωτογραφία: Alstom) Ρύζι. 3. Ηλεκτρικό τρένο Twindexx (πηγή: Bombardier)

Πιστεύεται ότι οι εταιρείες εκμετάλλευσης σιδηροδρόμων είναι συντηρητικές στην εφαρμογή νέων τεχνολογιών. Ταυτόχρονα, οι προγραμματιστές και οι κατασκευαστές τροχαίου υλικού έλξης ενδιαφέρονται για την ταχεία εφαρμογή προηγμένων τεχνικών λύσεων. Εάν η χρήση νέων εξελίξεων συμβάλλει σε σημαντική βελτίωση των δεικτών απόδοσης, αυτές οι εξελίξεις βρίσκουν γρήγορα εφαρμογή, κάτι που επιβεβαιώνεται από την εμπειρία της εισαγωγής μετατροπέων παλμών σε κινητήρες έλξης συνεχούς ρεύματος σειράς διέγερσης, κινητήρες έλξης συνεχούς ρεύματος ανεξάρτητης διέγερσης, σύγχρονους κινητήρες και τριφασικοί ασύγχρονοι κινητήρες με ρότορα κλωβού σκίουρου. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, η απόδοση της κίνησης πρόσφυσης έχει αυξηθεί και ο έλεγχος της έχει βελτιωθεί, γεγονός που βελτίωσε την απόδοση του συμπλέκτη και μείωσε την κατανάλωση ενέργειας.

Τα PMSM και ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός ελέγχου για αυτούς αντιπροσωπεύουν τα περισσότερα μοντέρνα τεχνολογίαστην περιοχή της κίνησης έλξης. Εκατομμύρια PMSM, λόγω του σχετικά χαμηλού τους βάρους και της καλής δυνατότητας ελέγχου, χρησιμοποιούνται ήδη στις κινήσεις υβριδικών οχημάτων. Οι μεγαλύτεροι κινητήρες προσφέρουν παρόμοιες ευκαιρίες για τη βελτίωση της απόδοσης των μηχανισμών έλξης σιδηροδρόμων. Αυτή η τεχνολογία εφαρμόζεται σε νέο τροχαίο υλικό για διάφορους σκοπούς. Ωστόσο, έχουν προκύψει αρκετά σημαντικά προβλήματα που απαιτούν λύσεις.

Σε αυτοκίνητα με κινητήρες εσωτερικής καύσηςΓια τη ρύθμιση της ταχύτητας, χρησιμοποιείται συνήθως μια σύνθετη μηχανική συσκευή - ένα κιβώτιο ταχυτήτων, έτσι ώστε ο κινητήρας να μπορεί να λειτουργεί στο βέλτιστο εύρος στροφών. Οι κινητήρες έλξης του σιδηροδρομικού τροχαίου υλικού πρέπει να λειτουργούν αποτελεσματικά σε όλο το εύρος στροφών, διασφαλίζοντας τη μετάδοση της ροπής στους τροχούς μέσω κιβωτίου ταχυτήτων ενός σταδίου ή απευθείας. Αυτή η μηχανικά απλή λύση επιτρέπει αξιόπιστα συστήματα μετάδοσης κίνησης που δεν απαιτούν περίπλοκη συντήρηση.

Έτσι, η πρώτη απαίτηση κατά το σχεδιασμό κινητήρων έλξης είναι η ικανότητά τους να παρέχουν ροπή ή πρόσφυση σε μεγάλο εύρος ταχύτητας (0 έως 320 km/h).

Φυσικά, είναι σημαντικό ο κινητήρας έλξης να λειτουργεί αξιόπιστα. Παράλληλα, από την πλευρά του οδηγού και της σιδηροδρομικής εταιρείας εκμετάλλευσης, στο εξίσουΑυτό που έχει σημασία είναι ο ακριβής και ομαλός έλεγχος της ροπής σε όλο το εύρος στροφών χρησιμοποιώντας το σύστημα ελέγχου κίνησης πρόσφυσης. Ο σωστός έλεγχος ροπής εξασφαλίζει βέλτιστη χρήση της πρόσφυσης μεταξύ τροχού και σιδηροτροχιάς, ομαλή επιτάχυνση, διατήρηση της ικανότητας σταθερή ταχύτητακαι δυνατότητα χρήσης ηλεκτρικής πέδησης.

Όταν οι τροχοί αλληλεπιδρούν με τις ράγες, η ροπή του κινητήρα έλξης μετατρέπεται σε γραμμική δύναμη έλξης ή πέδησης. Στο Σχ. Το σχήμα 4 δείχνει ένα γράφημα της εξάρτησης της ελκτικής δύναμης από την ταχύτητα, καθώς και μια καμπύλη αντίστασης στην κίνηση του τρένου. Η καμπύλη δύναμης έλξης τέμνει την καμπύλη αντίστασης κίνησης στο σημείο της λεγόμενης σταθερής ταχύτητας, δηλαδή της μέγιστης θεωρητικά δυνατής ταχύτητας. Κοντά σε αυτό το σημείο, το μέγεθος της μεταβολής της ελκτικής δύναμης, λόγω της οποίας δημιουργείται η επιτάχυνση του τρένου (που υποδεικνύεται από ένα κόκκινο βέλος στο Σχ. 4), είναι μικρό. Στο Σχ. Το σχήμα 5 δείχνει τα χαρακτηριστικά της κινητήριας ισχύος έλξης και την απαιτούμενη ισχύ έλξης (η ισχύς είναι ίση με το γινόμενο της ταχύτητας και της δύναμης έλξης).

Οι κινητήρες έλξης σχεδιάζονται συνήθως για συγκεκριμένο τρόπο λειτουργίας. Ο κινητήρας πρέπει να αναπτύξει την απαιτούμενη ροπή σε μηδενικές στροφές και να τη διατηρήσει στην ονομαστική ροπή σε όλη τη ζώνη 1 της καμπύλης ώσης. Πάνω από αυτή την ταχύτητα, ο κινητήρας έλξης αναπτύσσει μέγιστη ισχύ εξόδου. Στη ζώνη 2, η πρόσφυση είναι αντιστρόφως ανάλογη της ταχύτητας. Στη ζώνη 3, λόγω περιορισμών στα χαρακτηριστικά του κινητήρα έλξης, η δύναμη έλξης είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της ταχύτητας.

Ρύζι. 4. Απόδοση έλξης και αντίσταση στην κίνηση
Ρύζι. 5. Χαρακτηριστικά ισχύος

Σε χαμηλή ταχύτητα, η ροπή του κινητήρα μπορεί θεωρητικά να είναι μεγαλύτερη από αυτή που μεταδίδεται από την αλληλεπίδραση τροχού και σιδηροτροχιάς. Ωστόσο, αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα την υπερφόρτωση του κινητήρα και ως εκ τούτου θα πρέπει να αποφευχθεί με τις κατάλληλες ενέργειες από τον οδηγό ή το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου.

Προηγουμένως, για τον έλεγχο των κινητήρων έλξης συνεχούς ρεύματος, χρησιμοποιήθηκε ρύθμιση τάσης αλλάζοντας το διάγραμμα σύνδεσής τους από σειριακή σε παράλληλη και ρύθμιση ρεύματος χρησιμοποιώντας αντιστάσεις εκκίνησης-πέδησης. Στο σύγχρονο τροχαίο υλικό, για τον έλεγχο τόσο των κινητήρων DC με μεταγωγέα όσο και των σύγχρονων και ασύγχρονων κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος, χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικά συστήματα για τον έλεγχο της τάσης ή και της τάσης και της συχνότητας. Τα συστήματα ηλεκτρικής κίνησης έλξης που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος καθιστούν δυνατή την επίτευξη ελέγχου υψηλής ποιότητας σε όλο το εύρος στροφών σε σχετικά χαμηλό επίπεδο απλούς αλγόριθμουςκανονισμός λειτουργίας.

Η ρύθμιση του PMSM καθιστά αρκετά εύκολη την επίτευξη των απαιτούμενων χαρακτηριστικών στη ζώνη σταθερής ροπής, αλλά για τη ρύθμιση στη ζώνη σταθερής ισχύος απαιτούνται πιο περίπλοκοι αλγόριθμοι.

Οι κινητήρες AC και DC, όπως οι PMSM, λειτουργούν ουσιαστικά με το ίδιο φυσικοί νόμοι. Επομένως, οι αρχές διαχείρισής τους είναι σε κάποιο βαθμό παρόμοιες. Στις ηλεκτρικές μηχανές όλων των τύπων, η ροπή προκύπτει από την αλληλεπίδραση δύο μαγνητικών πεδίων. Για να εμφανιστεί μια ροπή, πρέπει να υπάρχει μια ορισμένη γωνία μεταξύ των διανυσμάτων έντασης αυτών των μαγνητικών πεδίων, ιδανικά ίση με 90 el. χαλάζι Τα αναφερόμενα πεδία μπορούν να δημιουργηθούν από ρεύματα που διαρρέουν τις περιελίξεις του κινητήρα ή μόνιμοι μαγνήτες.

Επί του παρόντος, οι τριφασικοί ασύγχρονοι κινητήρες χρησιμοποιούνται κυρίως σε κινητήρες έλξης. Ωστόσο, είναι πολύ σημαντικό να κατανοήσουμε τη φύση και τη συμπεριφορά των μαγνητικών πεδίων στον στάτορα και τον ρότορα άλλων τύπων ηλεκτρικών μηχανών.

Σε έναν παραδοσιακό κινητήρα συνεχούς ρεύματος, το βόρειο και νότιους πόλουςΤα πεδία του στάτορα είναι πάντα προσανατολισμένα προς την ίδια κατεύθυνση, ενώ το πεδίο οπλισμού (ρότορας) μετατοπίζεται κατά 90 el. χαλάζι λόγω χρήσης συλλέκτη. Σε έναν κινητήρα διέγερσης σειράς, το ίδιο ρεύμα διέρχεται τόσο από την περιέλιξη του στάτορα όσο και από την περιέλιξη του ρότορα, ενώ στην περίπτωση ενός ανεξάρτητου κινητήρα διέγερσης, είναι δυνατός ο ανεξάρτητος έλεγχος των πεδίων του ρότορα και του στάτορα.

Σε έναν παραδοσιακό τριφασικό σύγχρονο κινητήρα, το μαγνητικό πεδίο του ρότορα δημιουργείται από το ρεύμα που διαρρέει την περιέλιξή του και ο προσανατολισμός του πεδίου καθορίζεται από φυσική θέσηπεριελίξεις ρότορα. Το πεδίο του στάτορα δημιουργείται από το ρεύμα που διαρρέει την περιέλιξή του και περιστρέφεται με ταχύτητα που καθορίζεται από τη συχνότητα του μετατροπέα από τον οποίο λαμβάνει ισχύ η περιέλιξη του στάτη. Η γωνία μεταξύ των πεδίων του στάτορα και του ρότορα αυξάνεται ανάλογα με τη ροπή και οι ταχύτητες περιστροφής των πεδίων ρότορα και στάτορα είναι οι ίδιες. Όταν η γωνία γίνει αρνητική, ο κινητήρας μπαίνει σε λειτουργία πέδησης.

Σε έναν τριφασικό ασύγχρονο κινητήρα, το μαγνητικό πεδίο του στάτορα προκαλεί ένα ρεύμα στην περιέλιξη του ρότορα (Εικ. 6), το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Το τελευταίο, αλληλεπιδρώντας με το πεδίο του στάτορα, δημιουργεί ροπή έλξης ή πέδησης. Στη λειτουργία έλξης, η συχνότητα περιστροφής του ρότορα είναι χαμηλότερη από τη συχνότητα περιστροφής του πεδίου του στάτορα που καθορίζεται από τον μετατροπέα και στη λειτουργία πέδησης είναι υψηλότερη. Η ροπή δεν εμφανίζεται εάν οι ταχύτητες περιστροφής είναι ίσες. Ο λόγος της ταχύτητας του ρότορα και του πεδίου του στάτορα χαρακτηρίζεται από μια τιμή που ονομάζεται ολίσθηση.

Σε ένα PMSM, το πεδίο του ρότορα δημιουργείται από μαγνήτες, οι οποίοι είτε κατανέμονται στην επιφάνεια του ρότορα είτε τοποθετούνται στις αυλακώσεις του (Εικ. 7). ΣΕ η τελευταία περίπτωσηπαρέχει μεγαλύτερη μηχανική αντοχή και μικρότερες απώλειες δινορεύματαστον ρότορα. Το κράμα βορίου νεοδυμίου-σιδήρου (Nd2Fe14B) έχει γίνει ευρέως διαδεδομένο ως υλικό για μόνιμους μαγνήτες λόγω των βέλτιστων μαγνητικών ιδιοτήτων του. Το μαγνητικό πεδίο του στάτορα δημιουργείται χρησιμοποιώντας μια τριφασική πολυπολική περιέλιξη τοποθετημένη στις σχισμές του πολυστρωματικού πυρήνα.

Ρύζι. 6. Αρχή λειτουργίας ασύγχρονου κινητήρα με ρότορα κλωβού σκίουρου
Ρύζι. 7. Αρχή λειτουργίας του PMSM

Σε όλες τις ηλεκτρικές μηχανές, ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί ένα EMF που είναι αντίθετο στην κατεύθυνση της τάσης τροφοδοσίας - το λεγόμενο πίσω EMF. Σε μηδενική ταχύτητα περιστροφής είναι μηδέν, αλλά με την αύξηση του αυξάνεται γραμμικά. Για υποστήριξη σταθερή τιμήροπής στη ζώνη 1 (βλ. Εικ. 4 και 5), η τάση τροφοδοσίας πρέπει να αυξηθεί.

Η ροπή μιας ηλεκτρικής μηχανής είναι το γινόμενο της μαγνητικής ροής και του ρεύματος. Ο μετατροπέας ημιαγωγού ισχύος ρυθμίζει την τάση τροφοδοσίας συνεχούς ρεύματος ή μονοφασικής τάσης έτσι ώστε οι τιμές ρεύματος στις περιελίξεις του κινητήρα να είναι εντός αποδεκτών ορίων. Πλέον σύγχρονη λύσηείναι η χρήση μετατροπέων που βασίζονται σε μονωμένα διπολικά τρανζίστορ πύλης (IGBT) με διαμόρφωση πλάτους παλμού.

Στη ζώνη 1, όπου η δύναμη έλξης είναι σταθερή, η τάση (και στην περίπτωση ενός ασύγχρονου κινητήρα, η συχνότητα) πρέπει να αυξάνεται ανάλογα με τις στροφές του κινητήρα, ενώ η τιμή του γινόμενου μαγνητικής ροής και ρεύματος, δηλ. της ροπής , διατηρείται σταθερή. Όταν ξεπεραστεί η ονομαστική ταχύτητα, η εφαρμοζόμενη τάση δεν μπορεί να αυξηθεί λόγω περιορισμών στις παραμέτρους του μετατροπέα ισχύος και στη μόνωση του κινητήρα. Ωστόσο, από την άποψη μηχανικά χαρακτηριστικάη ταχύτητα περιστροφής μπορεί να είναι μεγαλύτερη.

Η μετάβαση στη ζώνη 2 πραγματοποιείται με την αποδυνάμωση του πεδίου, ενώ το back-EMF μειώνεται ή (για το PMSM) εξουδετερώνεται η επιρροή του. Στους κινητήρες συνεχούς ρεύματος, αυτό επιτυγχάνεται μειώνοντας την ποσότητα του ρεύματος που διαρρέει την περιέλιξη του πεδίου συνδέοντας μια αντίσταση αποδυνάμωσης πεδίου παράλληλα με αυτήν σε έναν παραδοσιακό σύγχρονο κινητήρα, μειώνοντας το ρεύμα στην περιέλιξη του ρότορα. Σε έναν ασύγχρονο κινητήρα, η εξασθένηση του πεδίου συμβαίνει αυτόματα καθώς αυξάνεται η συχνότητα του ρεύματος περιέλιξης του στάτη, ενώ η τάση τροφοδοσίας παραμένει αμετάβλητη. Στο PMSM, είναι πιο δύσκολο να εφαρμοστεί η εξασθένηση του πεδίου, καθώς το πεδίο του ρότορα δημιουργείται από μόνιμους μαγνήτες.

Στη ζώνη 3, η ροή και το ρεύμα μειώνονται ταχύτερα από ό,τι στη ζώνη σταθερής ισχύος για να αποφευχθεί η υπέρβαση των ορίων ηλεκτρικής και μηχανικής απόδοσης του κινητήρα. Για παράδειγμα, σε έναν ξεχωριστά διεγερμένο κινητήρα συνεχούς ρεύματος, το ρεύμα οπλισμού μειώνεται επίσης ανάλογα με την ταχύτητα.

Ο κύριος λόγος για την επέκταση της χρήσης των PMSM σε κινητήρες έλξης είναι τα σημαντικά πλεονεκτήματά τους σε σύγκριση με τους τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες. Μέσα στο 80% περίπου του εύρους λειτουργίας, η απόδοση του PMSM είναι 1-2% υψηλότερη και η ειδική ισχύς είναι 30-35% υψηλότερη, με αποτέλεσμα, με ίση ισχύ, οι διαστάσεις και το βάρος του PMSM να είναι περίπου 25% μικρότερο.

Σε έναν ασύγχρονο κινητήρα, ο ρότορας θερμαίνεται λόγω της παρουσίας ισχύος ολίσθησης. Στο PMSM ουσιαστικά απουσιάζει, επομένως δεν χρειάζεται ψύξη του ρότορα. Ο στάτορας PMSM είναι συνήθως πλήρως σφραγισμένος και υγρόψυκτος, γεγονός που συμβάλλει στη βελτίωση της αξιοπιστίας του κινητήρα. Επιπλέον, όταν χρησιμοποιείται PMSM, είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί ηλεκτρική πέδηση σε χαμηλές ταχύτητες, γεγονός που καθιστά την αυτοελεγχόμενη πέδηση ουσιαστικά δυνατή όταν οι περιελίξεις του στάτη βραχυκυκλώνονται. Ωστόσο, η επίτευξη αυτών των πλεονεκτημάτων δεν έρχεται χωρίς συμβιβασμούς. Έχουν εντοπιστεί επτά κύριοι παράγοντες που εμποδίζουν τη διάδοση του PMSM για σκοπούς ηλεκτρικής έλξης, αν και έχουν ήδη αναπτυχθεί μέθοδοι για την επίλυση αυτών των προβλημάτων.

Οι περιορισμοί μεγέθους και κόστους του μετατροπέα τεσσάρων τεταρτημορίων και του κινητήρα εμποδίζουν τη χρήση τους σε όλο το εύρος στροφών διατηρώντας απλώς την τάση τροφοδοσίας ακριβώς πάνω από το πίσω EMF, έτσι ώστε το ρεύμα να επαρκεί για την επίτευξη της απαιτούμενης ροπής. Το πρόβλημα μπορεί να λυθεί με εξασθένηση πεδίου, η οποία δημιουργεί σταθερή ροπή και σταθερές ζώνες ισχύος. Δεδομένου ότι είναι δύσκολο να ελεγχθεί το πεδίο που δημιουργείται από μόνιμους μαγνήτες, η εξασθένηση του πεδίου επιτυγχάνεται με την εφαρμογή ρεύματος στις περιελίξεις του στάτη. Αυτό δημιουργεί ένα πεδίο με ένα διάνυσμα ισχύος που κατευθύνεται ενάντια στο διάνυσμα έντασης πεδίου που δημιουργείται από τους μόνιμους μαγνήτες του ρότορα. Σε αυτή την περίπτωση, σημειώνονται απώλειες στον χαλκό της περιέλιξης του στάτορα, γεγονός που μειώνει σε κάποιο βαθμό το θετικό αποτέλεσμα που επιτυγχάνεται λόγω των χαμηλών απωλειών κατά τη χρήση ρότορα με μόνιμους μαγνήτες.

Για τον έλεγχο των ρευμάτων που δημιουργούν το φαινόμενο εξασθένησης του πεδίου, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η θέση του ρότορα με ακρίβεια 1-2 el. χαλάζι Ένας τετραπολικός κινητήρας απαιτεί μηχανική ανάλυση τουλάχιστον 1,5 el. χαλάζι Εάν χρησιμοποιούνται αισθητήρες, απαιτούν πολύ υψηλή ακρίβεια και αξιοπιστία για τη διασφάλιση της κανονικής λειτουργίας του συστήματος ελέγχου. Ο έλεγχος είναι δυνατός χωρίς τη χρήση αισθητήρων, αλλά αυτό μπορεί να μειώσει την ακρίβεια του ελέγχου.

Η μαγνητική ροή εξαρτάται από τη θερμοκρασία, με την ισχύ του πεδίου να μειώνεται κατά περίπου 1% για κάθε 10 K αύξηση της θερμοκρασίας του ρότορα Για PMSM που λειτουργούν στο εύρος θερμοκρασίας 200 K (-40 έως +160 °C). Επομένως, το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου πρέπει να παρακολουθεί τη θερμοκρασία λειτουργίας και να τη λαμβάνει υπόψη κατά την παραγωγή του σήματος ελέγχου.

Κάθε PMSM απαιτεί έναν μεμονωμένο ρυθμιστή ημιαγωγού ισχύος, ο οποίος εγγυάται την παροχή ενός παλμού ελέγχου για την ενεργοποίηση του κυκλώματος ισχύος αυστηρά στον απαιτούμενο χρόνο. Ωστόσο, στις σύγχρονες μονάδες έλξης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο εξατομικευμένα συστήματαέλεγχος κάθε κινητήρα. Έτσι, αυτό το πρόβλημα λύνεται.

Σε σημαντικά ρεύματα και υψηλές θερμοκρασίεςΜπορεί να προκύψει μη αναστρέψιμος απομαγνητισμός ακόμη και αν η θερμοκρασία του ρότορα δεν φτάσει στο σημείο Curie μεταξύ 310 και 370 °C. Πιο επικίνδυνο, ωστόσο, είναι ένα βραχυκύκλωμα στην περιέλιξη του στάτη, το οποίο μπορεί να καταστρέψει τον κινητήρα καθώς το περιστρεφόμενο πεδίο που δημιουργείται από τους μόνιμους μαγνήτες συνεχίζει να προκαλεί σημαντικά ρεύματα στον στάτορα. Εδώ ο απομαγνητισμός μπορεί να είναι χρήσιμος καθώς μειώνει αυτά τα ρεύματα.

Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι κατά τη λειτουργία χωρίς φορτίο (όταν η αμαξοστοιχία οδεύει), ο περιστρεφόμενος ρότορας μόνιμου μαγνήτη συνεχίζει να προκαλεί ρεύματα στον πυρήνα του στάτορα. Τα δινορεύματα που προκύπτουν, μαζί με το φαινόμενο υστέρησης, προκαλούν απώλειες στον χάλυβα, γεγονός που μειώνει την απόδοση του κινητήρα.

Τα μέταλλα σπανίων γαιών που χρησιμοποιούνται στο PMSM έχουν καλό μαγνητικές ιδιότητες, αλλά είναι αρκετά ευαίσθητα σε μηχανικές και θερμικές επιδράσεις. Ο σχεδιασμός του ρότορα των PMSM είναι πιο περίπλοκος από αυτόν των ασύγχρονων κινητήρων. Το κύκλωμα ελέγχου PMSM είναι επίσης πιο περίπλοκο λόγω της παρουσίας πολλαπλών κυκλωμάτων ανατροφοδότησηκαι την ανάγκη για μετατροπή σήματος.

Υπάρχουν αρκετοί τομείς εφαρμογής όπου τα πλεονεκτήματα των PMSM ξεπερνούν σίγουρα τα μειονεκτήματά τους, και αυτό τα καθιστά ελκυστικά για τους προγραμματιστές έλξης. Μικρότερες διαστάσεις και βάρος έχουν ιδιαίτερο νόημαόταν ο χώρος είναι περιορισμένος - για παράδειγμα, εάν είναι απαραίτητο να τοποθετήσετε τον κινητήρα στον άξονα ενός τροχού χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων.

Η υψηλότερη απόδοση και οι μικρότερες απώλειες στον ρότορα παρέχουν σημαντικά πλεονεκτήματα του PMSM όσον αφορά τη βελτίωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών του τροχαίου υλικού και τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας (Εικ. 8). Αυτό φαίνεται, ειδικότερα, στο παράδειγμα του ηλεκτρικού τρένου Alstom V150. Οι επαγωγικοί κινητήρες τοποθετούνται σε φορεία που βρίσκονται κάτω από το αμάξωμα των αυτοκινήτων, ενώ τα PMSM μπορούν να τοποθετηθούν σε φορεία κάτω από τις μονάδες άρθρωσης, γεγονός που μειώνει την πολυπλοκότητα και το βάρος της κίνησης έλξης.

Ρύζι. 8. Ηλεκτρομηχανικά χαρακτηριστικά και απόδοση PMSM

Τα PMSM μπορεί στο μέλλον να χρησιμοποιούνται πολύ πιο ευρέως σε κινητήρες έλξης (πίνακας), όπως και οι τριφασικοί ασύγχρονοι κινητήρες έλξης, που αντικατέστησαν τους κινητήρες DC, κέρδισαν δημοτικότητα στα μέσα της δεκαετίας του 1980.

Παραδείγματα εφαρμογής ελκτικής PMSM

Χειριστής, χώρα	Σιδηροδρομικά βαγόνια	Κατασκευαστής
NTV (Ιταλία)	25 τρένα υψηλής ταχύτητας AGV	Alstom
SBB (Ελβετία)	59 Διώροφα ηλεκτρικά τρένα Twindexx	Βομβαρδιστής
SNCF (Γαλλία)	31 τραμ-τραίνο Citadis Dualis	Alstom
SNCF (Γαλλία)	Ηλεκτρικά τρένα Regiolis (σύμβαση πλαίσιο)	Alstom
SNCF (Γαλλία)	Ηλεκτρικά τρένα Omneo (σύμβαση πλαίσιο)	Βομβαρδιστής
Πράγα, Τσεχία)	Χαμηλό όροφο βαγόνια του τραμτύπου 15Τ	Skoda
Tokyo Metropolitan (Ιαπωνία)	Ηλεκτρικά τρένα σειράς 16000	Kawasaki
JR East (Ιαπωνία)	Προαστιακά τρένα της σειράς E331 για το Τόκιο	Toshiba
Πρωτότυπα
Μητροπολίτης Μονάχου (Γερμανία)	Ηλεκτρικό τρένο τύπου C19 με φορεία Syntegra	Siemens
Κίνα	Πρωτότυπο ατμομηχανής κυψελών καυσίμου	CNR Yongji
Σουηδία	Ηλεκτρικό τρένο Grona Taget	Βομβαρδιστής
Türkiye	Χαμηλού ορόφου τραμ Citadis X04	Alstom
Ιαπωνία	Τρένο μεταβλητού εύρους	RTRI

Railways of the World - 2011

Κινητήρες έλξης χωρίς ψήκτρες

Πριν από περίπου 8-10 χρόνια, η μάζα της αμαξοστοιχίας (πρότυπο βάρους) περιοριζόταν από τις συνθήκες πρόσφυσης, δηλαδή την επιτυγχανόμενη τιμή του συντελεστή πρόσφυσης σχεδιασμού. Ως εκ τούτου, το ζήτημα της σημαντικής αύξησης της ελκτικής δύναμης, και επομένως της ισχύος των κινητήρων έλξης των ηλεκτρικών μηχανών, δεν τέθηκε τόσο επειγόντως. Η έρευνα και η πειραματική λειτουργία μιας σειράς νέων συσκευών έχουν δείξει ότι υπάρχουν μεγάλες ευκαιρίες για αύξηση του υπολογισμένου συντελεστή πρόσφυσης. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση ανεξάρτητης διέγερσης, καθώς και με την αυτόματη ισοπέδωση των φορτίων των κινητήρων έλξης. Άλλες δυνατότητες αύξησης του συντελεστή πρόσφυσης θα συζητηθούν παρακάτω.

Αλλά μια περαιτέρω αύξηση της ισχύος των κινητήρων έλξης ηλεκτρικών ατμομηχανών, απαραίτητη για την επίτευξη υψηλότερου συντελεστή πρόσφυσης σχεδιασμού, γίνεται όλο και πιο δύσκολη στην εφαρμογή. Αυτό αποτρέπεται, πρώτα απ 'όλα, από τις διαστάσεις του κινητήρα έλξης: το μήκος του περιορίζεται από την απόσταση μεταξύ των ελαστικών των ζευγών τροχών, η διάμετρός του περιορίζεται από την απόσταση μεταξύ του άξονα του ζεύγους τροχών και του άξονα του κινητήρα - το κεντρικό κέντρο (βλ. Εικ. 3). Μέχρι τώρα, με την παρουσία αυστηρών συνολικών περιορισμών στο μέγεθος των κινητήρων, η ισχύς τους αυξήθηκε με τη χρήση πιο ανθεκτικών στη θερμότητα μονωτικών υλικών, την αύξηση της ψύξης, την αύξηση του αριθμού των ζευγών πόλων, την εγκατάσταση περιέλιξης αντιστάθμισης και την επιλογή της βέλτιστης τάσης για κινητήρες έλξης ηλεκτρικών μηχανών AC.

Καθώς αυξάνεται η ισχύς, το συγκρότημα commutator-brush λειτουργεί όλο και πιο σκληρά. Η κατάστασή του καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη διάρκεια λειτουργίας της ηλεκτρικής ατμομηχανής μεταξύ επιθεωρήσεων και επισκευών. Η αύξηση της ισχύος των κινητήρων έλξης συναντά όλο και περισσότερα εμπόδια και δεν συμβάλλει στην αύξηση της αξιοπιστίας και της απόδοσής τους, επομένως, η επιθυμία δημιουργίας ενός ισχυρού κινητήρα έλξης χωρίς ψήκτρες είναι αρκετά κατανοητή.

Ηλεκτρικές ατμομηχανές με ασύγχρονους κινητήρες έλξης. Σε όλη την ιστορία της δημιουργίας και βελτίωσης των ηλεκτρικών μηχανών, έχουν γίνει πολλές προσπάθειες να χρησιμοποιηθεί ο απλούστερος και φθηνότερος ασύγχρονος κινητήρας για λόγους έλξης. Μέχρι πρόσφατα, αυτό δεν μπορούσε να γίνει, αφού η συχνότητα περιστροφής του μπορεί να ρυθμιστεί οικονομικά μόνο αλλάζοντας τη συχνότητα του ρεύματος τροφοδοσίας. Οι μετατροπείς ηλεκτρικών μηχανών που χρησιμοποιήθηκαν προηγουμένως για αυτό ήταν βαρείς. Η έλευση των θυρίστορ άνοιξε το δρόμο για τη δημιουργία ενός ελαφρού και αξιόπιστου μετατροπέα συχνότητας.

Ο σχεδιασμός ενός ασύγχρονου κινητήρα, όπως έχει ήδη σημειωθεί, είναι απλός. Διαθέτει σταθερό στάτορα και περιστρεφόμενο ρότορα (Εικ. 75). Υπάρχουν ασύγχρονοι κινητήρες: με ρότορα κλωβού σκίουρου και με ρότορα φάσης. Ως κινητήρες έλξης χρησιμοποιούνται ασύγχρονοι κινητήρες με ρότορα κλωβού σκίουρου. Ο πυρήνας ενός τέτοιου ρότορα, όπως ο στάτορας, συναρμολογείται από φύλλα ηλεκτρικού χάλυβα. Η περιέλιξη του ρότορα αποτελείται από χάλκινες ράβδους που βρίσκονται στις αυλακώσεις του πυρήνα και κλείνουν στα άκρα με δακτυλίους. Η περιέλιξη χωρίς πυρήνα ρότορα είναι ο λεγόμενος "σκίουρος τροχός".

Τρεις περιελίξεις τοποθετούνται στις υποδοχές του στάτη, μετατοπισμένες η μία σε σχέση με την άλλη κατά 120°. Αυτές οι περιελίξεις συνδέονται συνήθως σε ένα αστέρι. Όταν οι περιελίξεις συνδέονται σε ένα τριφασικό κύκλωμα, ένα εναλλασσόμενο ρεύμα διέρχεται από καθένα από αυτά και δημιουργούνται τρεις εναλλασσόμενες μαγνητικές ροές. Αυτά τα ρεύματα, αθροίζοντας, σχηματίζουν ένα προκύπτον ρεύμα που περιστρέφεται με συχνότητα 3000 rpm με ένα ζεύγος πόλων ανά φάση. Η περιστρεφόμενη μαγνητική ροή του στάτη του κινητήρα, που διασχίζει την περιέλιξη του ρότορα, προκαλεί π. δ.σ. Υπό την επίδραση του ε. δ.σ. Ένα ρεύμα διέρχεται από την περιέλιξη του ρότορα, δημιουργώντας τη δική του μαγνητική ροή. Οι μαγνητικές ροές του στάτορα και του ρότορα αλληλεπιδρούν, προκαλώντας την περιστροφή του ρότορα.

Η συχνότητα περιστροφής του ρότορα είναι ελαφρώς μικρότερη από τη συχνότητα περιστροφής της μαγνητικής ροής του στάτορα, διαφορετικά ηλεκτρικά καλώδιαδεν θα διέσχιζε την περιέλιξη του ρότορα. Η διαφορά μεταξύ αυτών των συχνοτήτων περιστροφής ονομάζεται ολίσθηση. Αυξάνοντας τον αριθμό των ζευγών πόλων, μπορείτε να αποκτήσετε άλλες συχνότητες περιστροφής μαγνητικής ροής: 1500, 1000, 750 rpm, κ.λπ. Η συχνότητα περιστροφής του ρότορα θα είναι ελαφρώς μικρότερη από αυτές τις τιμές.

Τυπικά, η ολίσθηση είναι 1-3% της σύγχρονης συχνότητας. Κατά συνέπεια, εάν αλλάξετε τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας σε ένα ευρύ φάσμα και συνεπώς τη σύγχρονη συχνότητα, η ταχύτητα του ρότορα θα αλλάξει μαζί με αυτήν. Αλλά, εκτός από τη συχνότητα, είναι επίσης απαραίτητο να ρυθμιστεί η τάση που παρέχεται στον ασύγχρονο κινητήρα προκειμένου να ληφθεί ένα χαρακτηριστικό έλξης περίπου το ίδιο όπως όταν χρησιμοποιείτε κινητήρες συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς.

Η ρύθμιση της τάσης πραγματοποιείται, όπως και στις οικιακές ηλεκτρικές ατμομηχανές AC, με εναλλαγή της δευτερεύουσας περιέλιξης του μετασχηματιστή έλξης χρησιμοποιώντας τον κύριο ελεγκτή (Εικ. 76) σε βήματα. Στη συνέχεια, στη μονάδα ανορθωτή Β, η τάση ανορθώνεται και τροφοδοτείται στον μετατροπέα Ι. Στον ανορθωτή, η τάση που παρέχεται στον μετατροπέα Ι ρυθμίζεται συνεχώς.

Με το ξεκλείδωμα και το κλείδωμα των θυρίστορ της εγκατάστασης του μετατροπέα σε συγκεκριμένη σειρά, λαμβάνεται μια τριφασική τάση, η οποία τροφοδοτείται στην περιέλιξη του στάτη του κινητήρα επαγωγής. Ας θυμηθούμε ότι οι συμβατικοί ασύγχρονοι κινητήρες τροφοδοτούνται με μια εναλλασσόμενη τριφασική τάση, και επομένως ένα ρεύμα που μεταβάλλεται ημιτονοειδώς. Σε αυτή την περίπτωση, κάθε φάση μετατοπίζεται σε σχέση με την άλλη κατά 120°, όπως φαίνεται στο Σχ. 77. Για λόγους σαφήνειας, η μεταβολή της τάσης κάθε φάσης εμφανίζεται σε ξεχωριστούς άξονες. Κατά την παραγωγή τριφασικής τάσης σε μια ηλεκτρική ατμομηχανή με ασύγχρονους κινητήρες, οι εναλλασσόμενες βαλβίδες μετατροπέα δημιουργούν μια τάση σε σχήμα βήματος σε κάθε φάση.

Η συχνότητα της τάσης που παρέχεται στον ασύγχρονο κινητήρα ελέγχεται αλλάζοντας τη συχνότητα μεταγωγής αυτών των βαλβίδων.

Ο μετατροπέας είναι εξοπλισμένος με μια ειδική συσκευή που αποκαθιστά αξιόπιστα τις ιδιότητες ελέγχου των θυρίστορ σε περίπτωση αστοχίας αναστροφής. Η αντιστροφή των κινητήρων έλξης πραγματοποιείται με την εναλλαγή των κυκλωμάτων ελέγχου των θυρίστορ του μετατροπέα, καθώς για να αλλάξετε την κατεύθυνση περιστροφής ενός ασύγχρονου κινητήρα αρκεί να αντικαταστήσετε τυχόν δύο παρεχόμενες φάσεις.

Με βάση τις εξελίξεις της επιστημονικής έρευνας και Εκπαιδευτικά ιδρύματαΜια ηλεκτρική ατμομηχανή AC με κινητήρες ασύγχρονης έλξης VL80 κατασκευάστηκε στο εργοστάσιο ηλεκτρικών ατμομηχανών Novocherkassk. Η ηλεκτρική ατμομηχανή δημιουργήθηκε με βάση την ηλεκτρική ατμομηχανή οκτώ αξόνων VL80 K. Η ισχύς κάθε κινητήρα έλξης είναι 1200 kW, δηλαδή 1,5 φορές μεγαλύτερη από τον κινητήρα μεταγωγέα της ηλεκτρικής ατμομηχανής VL80 K.

Δεν αποκλείεται η δυνατότητα δημιουργίας κίνησης έλξης με ασύγχρονο κινητήρα χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων. Σε αυτήν την περίπτωση, ο ρότορας του ασύγχρονου κινητήρα είναι τοποθετημένος απευθείας στον άξονα του τροχού και ο στάτορας έχει σχήμα σχισμένο.

Ηλεκτρικές ατμομηχανές με σύγχρονους κινητήρες βαλβίδων. Ως κινητήρες έλξης χωρίς ψήκτρες σε μια ηλεκτρική ατμομηχανή, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε σύγχρονους κινητήρες με στατικούς μετατροπείς (βαλβίδες) - τους λεγόμενους κινητήρες βαλβίδων.

Ας εξηγήσουμε την αρχή λειτουργίας ενός κινητήρα βαλβίδας. Μια τριφασική περιέλιξη βρίσκεται στον στάτη του και μια περιέλιξη διέγερσης συνεχούς ρεύματος βρίσκεται στον ρότορα (Εικ. 78). Η αρχή και το τέλος της περιέλιξης του πεδίου συνδέονται με δύο δακτυλίους, ηλεκτρικά απομονωμένους ο ένας από τον άλλο. Οι περιελίξεις φάσης του στάτορα συνδέονται σε ένα αστέρι. Στην αρχή συνδέονται με έναν μετατροπέα - έναν μετατροπέα ΚΑΙ (ή μια πηγή συνεχούς ρεύματος). Ο μετατροπέας I τροφοδοτείται από τη μονάδα ανορθωτή Β που συνδέεται με τη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή έλξης. Εάν, για παράδειγμα, σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή, τα θυρίστορ A1 και X2 του μετατροπέα είναι ανοιχτά, το ρεύμα από τον ανορθωτή Β θα περάσει από το θυρίστορ A1, τις περιελίξεις στάτορα I και II, το θυρίστορ X2, την περιέλιξη διέγερσης OB και θα επιστρέψει στην εγκατάσταση του ανορθωτή . Με την κατεύθυνση του ρεύματος στις περιελίξεις I, II και την περιέλιξη διέγερσης που υποδεικνύεται από τα βέλη, η προκύπτουσα μαγνητική ροή του στάτορα, που αλληλεπιδρά με τη ροή της περιέλιξης διέγερσης, θα δημιουργήσει μια ροπή και ο ρότορας θα περιστραφεί δεξιόστροφα. Με την εναλλαγή των καλωδίων της περιέλιξης του στάτορα με μια συγκεκριμένη σειρά, είναι δυνατό να εξασφαλιστεί η συνεχής περιστροφή του ρότορα.

Έτσι, σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας, ο κινητήρας βαλβίδας είναι παρόμοιος με μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, όπου ο συλλέκτης αντικαθίσταται από ένα σύστημα βαλβίδων ελεγχόμενης ισχύος της εγκατάστασης του μετατροπέα. Αλλά σε αντίθεση με έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος, ένας κινητήρας χωρίς ψήκτρες έχει μόνο τρεις ακροδέκτες μεταγωγής με τριφασική περιέλιξη αντί για αρκετές εκατοντάδες πλάκες μεταγωγέα. Επιπλέον, η περιέλιξη διέγερσης στον κινητήρα της βαλβίδας έγινε κινητή και ο οπλισμός έγινε ακίνητος. Η εναλλαγή βαλβίδας του ρεύματος στις περιελίξεις επιτρέπει μια σημαντική τάση μεταξύ των ακροδεκτών: έως και αρκετές χιλιάδες βολτ. Ας θυμηθούμε ότι ένας συμβατικός μηχανικός μεταγωγέας λειτουργεί ικανοποιητικά σε τάση μεταξύ των πλακών του μεταγωγέα όχι μεγαλύτερη από 30-32 V. Η εναλλαγή των καλωδίων της περιέλιξης του στάτορα με την απαιτούμενη σειρά και, κατά συνέπεια, η αλλαγή της θέσης του ρότορα πραγματοποιείται από ένα σύστημα ελέγχου που διαθέτει ειδικό αισθητήρα θέσης ρότορα.

Ο κινητήρας βαλβίδας είναι μια πολυφασική μηχανή, η περιέλιξη του οπλισμού της οποίας τροφοδοτείται από έναν μετατροπέα που ελέγχεται ταυτόχρονα με την περιστροφή του ρότορα, εξοπλισμένο με περιέλιξη διέγερσης. Έτσι, ένας κινητήρας βαλβίδας αποτελείται από μια ηλεκτρική μηχανή, έναν μετατροπέα βαλβίδας και ένα σύστημα ελέγχου που τα συνδέει.

Το εργοστάσιο ηλεκτρικών ατμομηχανών του Novocherkassk κατασκεύασε αρχικά ένα πρωτότυπο μιας ηλεκτρικής εμπορευματικής ατμομηχανής οκτώ αξόνων VL80 V με κινητήρες έλξης τύπου βαλβίδας. Μετά τη δοκιμή του, μια μικρή παρτίδα παρόμοιων ηλεκτρικών μηχανών παρήχθη για επιχειρησιακή δοκιμή. Οι ηλεκτρικές ατμομηχανές είναι εξοπλισμένες με σύστημα αυτόματου ελέγχου που λειτουργεί σε λειτουργίες έλξης και ηλεκτρικής πέδησης. Η ηλεκτρική ατμομηχανή χρησιμοποιεί ανεξάρτητη διέγερση κινητήρων βαλβίδων από ανορθωτές διεγέρτη που αλλάζουν το ρεύμα διέγερσης ανάλογα με το ρεύμα περιέλιξης του οπλισμού κινητήρα. Ο ρότορας του κινητήρα έχει έξι πόλους, το ρεύμα παρέχεται στο πεδίο περιέλιξης μέσω δύο δακτυλίων και βουρτσών. Οι στροφές του κινητήρα ελέγχονται με αλλαγή της τροφοδοτούμενης τάσης. Η τάση της δευτερεύουσας περιέλιξης, και επομένως η εγκατάσταση του ανορθωτή, ρυθμίζεται περίπου με τον ίδιο τρόπο όπως στις ηλεκτρικές ατμομηχανές AC με κινητήρες μεταγωγέα. Μόνο η αντισύνδεση των ρυθμιζόμενων και μη ρυθμιζόμενων περιελίξεων του μετασχηματιστή εξαλείφεται και η τάση τους αυξάνεται ελαφρώς. Αφού εφαρμοστεί η ονομαστική τάση στους κινητήρες, επιτυγχάνεται περαιτέρω αύξηση της ταχύτητας ρυθμίζοντας τη μαγνητική ροή διέγερσης.

Οι ηλεκτρικές ατμομηχανές VL80V χρησιμοποιούν ένα κύκλωμα διόρθωσης και μετατροπής ρεύματος ελαφρώς διαφορετικό από αυτό που φαίνεται στην Εικ. 78. Στο Σχ. Το Σχήμα 78 δείχνει χωριστές εγκαταστάσεις ανορθωτή Β και μετατροπέα AND, δηλ., εμφανίζεται το λεγόμενο κύκλωμα με μια ρητή σύνδεση DC. Στην ηλεκτρική ατμομηχανή VL80 V αυτές οι δύο μονάδες συνδυάζονται σε μια κοινή συσκευή.