Priručnik sadrži općenite informacije o dizajnu asinkronih električnih strojeva, namjeni njihovih komponenti, razmatra se uređaj određenog modela vučnog motora. Razmatra se sastav seta energetske električne opreme, namjena komponenti, njihov rad i interakcija.

Za ispravnu percepciju prezentiranog materijala potrebno je imati predodžbu o ​​​općim principima upravljanja pogonskom opremom i upravljanja vlakom pomoću samohodnih topova Vityaz i preko pomoćnog upravljačkog kanala (u ovom studijski vodič se ne razmatraju). Proučavanje gradiva bit će olakšano poznavanjem osnova elektrotehnike, uklj. i naizmjenična struja, kao i principi gradnje električni krugovi u trofaznom sustavu izmjenične struje. U tu svrhu autor preporuča proučavanje relevantnih odjeljaka elektrotehnike korištenjem obrazovne literature ili materijala prikazanog u prilozima.

U izradi je korištena literatura i tehnička dokumentacija čiji se popis nalazi na kraju priručnika.

Autor izražava zahvalnost svim stručnjacima koji su na ovaj ili onaj način sudjelovali u pripremi materijala. Posebnu zahvalnost izražavam N.N.Danilovu, zamjeniku voditelja tehničkog odjela ZREPS-a, koji je pružio neprocjenjivu pomoć u pripremi trećeg poglavlja.

Ovaj priručnik za obuku namijenjen je prvenstveno zaposlenicima koji studiraju zanimanje vozača u Nastavno-proizvodnom centru Metro, ali može biti od koristi i djelatnicima elektrodepoa koji žele unaprijediti svoje znanje iz područja vučnog elektro pogona.

učitelj UOC-a

Moskovski metro

Danilov E.B.

Asinkroni vučni električni pogon na vagonima podzemne željeznice. Vodič.

	Uvod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Opće informacije o radu asinkronog trofaznog električni stroj i njegov dizajn. . . . . . . . . . . . .
		Dizajn i princip rada asinkronog električni strojevi. . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . .
		Formiranje rotirajućeg elektromagnetskog moment u asinkronom električnom stroju. . . . . . .
	Uređaj asinkronog vučnog motora. Tehnički podaci. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Glavni parametri motora. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Stator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Rotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Nosivi štitovi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Ventilacija. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Senzor brzine rotora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Vučni pogon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Kontejner vučnog invertera KTI. . . . . . . . . . . . . . . . .
		Rad vučnog pogona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Prijave
		Što je izmjenična struja i po čemu se razlikuje od istosmjerne struje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Trofazna izmjenična struja. . . . . . . . . . .
		Rotirajuće magnetsko polje... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Reference. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Uvod

Korištenje električnih strojeva na izmjeničnu struju kao vučnih motora na željeznički promet je dugo odgađao zbog poteškoća u opskrbi električnih željezničkih vozila trofaznom izmjeničnom strujom. Međutim, razvoj električne industrije, posebice poboljšanje energetske poluvodičke elektronike i mikroprocesorskih sklopova, doveo je do stvaranja strujnih i naponskih pretvarača s dovoljnom snagom za napajanje vučnih motora. posebnu ulogu to je odigrao razvoj tranzistora velike snage.

U usporedbi s kolektorskim motorima istosmjerna struja Asinkroni motori imaju niz prednosti.

Prvi put u domaćoj masovnoj proizvodnji primjena asinkronih motora kao vučnih motora korištena je na vagonima podzemne željeznice modela 81-740/741 i na dijelu automobila modela 81-720/721, a kasnije i na automobilima modela 81- 760/761. Domaća industrija pokrenula je proizvodnju asinkronih elektromotora za vagone podzemne željeznice. Trenutno automobili mogu biti opremljeni motorima:

TAD 280M 4U2 proizvođača AEK Dynamo;

DATUM-170 4U2 proizvodnja « Electrotyazhmash-Privod LLC Lysva grad;

TADVM-280 4U2 proizvođača OAO NIPTIEM, Vladimir;

DATM-2U2 proizvođača OAO Pskov Electric Machine Building

telny biljka";

DTA 170 U2 JSC "Riški tvornica električnih strojeva";

TA 280 4MU2 proizvođača OAO ELDIN (Yaroslavl Electric

strojarsko postrojenje).

Elektromotore napajaju pretvarači kao dio KATP-1 ili KATP-2 proizvođača OAO Metrovagonmash.

Prvi setovi asinkronog pogona na vagonima podzemne željeznice bili su HITACHI i ALSTOM strane proizvodnje.

Vučni motori ventila. Pokušaji korištenja AC motora bez četkica u električnoj vuči napravljeni su još 30-ih godina. Međutim, praktična mogućnost njihove primjene pojavila se tek nakon što je industrija ovladala serijskom proizvodnjom energetskih tiristora i dioda, kao i poluvodičkih elemenata, koji omogućuju racionalnu implementaciju upravljačkih sustava i regulaciju frekvencije napona napajanja.

Vučni motor ventila po dizajnu je sinkroni stroj, u kojem se namot armature nalazi na statoru, a uzbudni namot na rotoru. stator ventila

motor (slika 105) sastoji se od lijevane jezgre 7 i jezgre laminirane od električnog čelika E1300. Okvir služi kao tijelo motora i izvana se ne razlikuje od okvira vučnih motora pulsirajuće struje, a jezgra je magnetski krug.

Jezgra 9 je utisnuta u okvir između masivnih prstenastih bočnih stijenki 13. Na vanjskom promjeru je spojena trakama 8 zavarenim na okvir i na bočne stijenke. Jezgru se od okretanja čuva ključ i šest klinova umetnutih u rupe jezgre i obloge. Kako bi se smanjili tokovi i gubici curenja, nemagnetske izolacijske ploče 12 su ugrađene između bočnih stijenki i paketa.

Na vanjskoj površini jezgre na 12 točaka ugrađeni su senzori za upravljanje motorom po položaju. magnetski tok. Svaki senzor ima jedan set i dva jednostruka namota za očitavanje od PSD žice promjera 1,16 mm. Zajednički kabel od njih ide do priključne kutije, u kojoj je preko utičnice spojen na uređaj za upravljanje lokomotivom.

Žljebovi jezgre duž njezine dužine zakošeni su jednim žlijebnim podjelom, u njima se nalazi dvoslojni valni namot. Izolacija tijela njegovih zavojnica izrađena je sa šest slojeva staklo-liskuna-filament trake L2S25KS 0,09 X 20 mm, postavljene u polukrov. U utorima je namot fiksiran klinovima od stakloplastike. Izlaz od namota statora do priključne kutije izveden je dvostrukom sabirnicom.

Rotori motora bez četkica imaju različite izvedbe. Na električnu lokomotivu VL80v-216 ugrađeni su šesteropolni motori bez četkica s istaknutim rotorom.

Ova inačica rotora je tehnološki jednostavnija, međutim, u toplinskom i mehaničkom smislu, ispostavilo se da su materijali rotora i izolacija zavojnica polova preopterećeni. To je zbog činjenice da je m.f.s. uzbuda za motor bez četkica, uzimajući u obzir reakciju armature i kutove uključivanja, prelazi m.f.s. u praznom hodu za oko 1,8 puta, dok u DC stroju -

samo za faktor 1,2 Osim toga, zbog odstojnika polova pogoršalo se odvođenje topline iz uzbudnih svitaka.

Budući da će se brzine vrtnje očito povećavati s poboljšanjem sklopa ležaja i mjenjača, toplinsko naprezanje će također rasti kao rezultat želje da se u zadane dimenzije uklopi veća snaga. Stoga se ispostavilo da je dizajn rotora s implicitno izraženim polovima jedini mogući.

Za razliku od konvencionalnih sinkronih strojeva, motor bez četkica mora imati pouzdan prigušni namot sa šipkama dovoljnog poprečnog presjeka za smanjenje superprijelazne reaktancije motora. Šipke 15 prigušnog namota su bakrene, ravnomjerno su raspoređene po cijelom obodu rotora. Proračuni pokazuju da ovakva konstrukcija prigušnog namota omogućuje postizanje relativno niskih superprijelaznih induktivnih otpora namota armature uz dopuštene gubitke u šipkama zbog procesa prebacivanja.

Za implicitno izražene stupove rotora, sustav prigušnih šipki može se postaviti ili u gornji dio utora u obliku metalnog klina koji osigurava uzbudni namot, ili u rupu zubaca. Prva metoda je tehnološki nezgodna zbog teškoća zavarivanja krajeva šipki (klinova) na spojnim prstenovima. Poželjniji je drugi dizajn kaveza prigušnice, jer se šipke mogu zavariti izravno na bakrenu završnu ploču posebno utisnutu za tu svrhu. Još jedna prednost ovog dizajna je to što se kavez prigušnice može izraditi na rotoru prije nego što se položi uzbudni namot. Ova izvedba rotora ima osmopolne ventilske motore NB-601 električne lokomotive VL80v-661

Asinkroni vučni motori. Maksimalni moment motora

Mmax "C1Au\/(2xr),

gdje je Cm - konstantni faktor motor; u, - mrežni napon, x - induktivni otpor.

Riža. 105. Uzdužni (a) i poprečni (b) presjeci vučnog motora NB-601 električne lokomotive

/ - osovina, 2 - valjkasti ležaj, 3 - čahura armature, 4 - štitnik ležaja; 5 - prstenovi; 6 - držač četkice; 7 - kostur; 8-lamele, 9-jezgrena jezgra; 10- statorski namot, // - jezgra rotora; 12-nemagnetske brtve (limovi), 13-bočna stijenka jezgre statora, 14-kutija, 15-

šipke za prigušne namote

Indukcijski motor je osjetljiv na podnapon. Na primjer, ako se napon smanji za 10%, okretni moment se smanjuje za 19%. Za razliku od industrijskog asinkronog motora, vučni asinkroni motor ima niz značajki koje proizlaze iz uvjeta njegovog rada na lokomotivi (pokreće ga frekventni i fazni pretvarač, uklapajući značajnu snagu u zadane, vrlo komprimirane dimenzije, zbog dimenzija tračnica lokomotive). Na svim vučnim komutatorskim motorima električnih lokomotiva s aksijalnom ventilacijom, 30% zraka prolazi kroz zračni raspor, vršeći intenzivno odvođenje topline s površina sidara i stupova.

U asinkronom vučnom motoru, kako bi se smanjila struja magnetiziranja i povećao cos f, nastoje se zračni razmak između statora i rotora učiniti što minimalnijim u smislu konstrukcije i uvjeta proizvodnje. S tim u vezi, u asinkronim motorima s neovisnom aksijalnom ventilacijom nije moguće ohladiti površine rotora i statora okrenute prema zračnom rasporu. Za prolaz više rashladnog zraka između statora i rotora, vučni asinkroni motor koristi kanale preko utora (Sl. 106, o),

kroz koje prolazi oko 30% ukupnog rashladnog zraka

Visina kanala preko utora je (1,0 - 1,5) 6 ps, gdje je b ps širina utora statora. U motoru bez četkica, kanali preko utora u statoru su neprihvatljivi, jer povećavaju induktivnost curenja statora za oko 40%, što dovodi do smanjenja zakretnog momenta. U asinkronom motoru povećanje induktivnog otpora propuštanja namota statora nije toliko štetno, jer je prebacivanje prisilno.

U višepolnom stroju učinkovitije se koriste aktivni materijali, asinkroni motor radi s manjim gubicima, njegova učinkovitost je veća.Na parametre motora i električne lokomotive u cjelini također utječe maksimalni

f max

ti struja namota statora. Frekvencija fmax =

P "max / (60 + f 2), gdje je f2 \u003d / CK -

frekvencija rotora ili struja klizanja, koja je obično 1-2% od / max, s dovoljnom točnošću / max = p gaax / 59.

Nazivna frekvencija fH0M = pnmaJ (59k„), gdje je kv omjer brzine, obično jednak 2. Teoretski, optimalna frekvencija fom = 100-150 Hz, a granice kontrole frekvencije pretvarača su od 1-2 do 200- 300 Hz. Međutim, postoje ograničenja povezana s korištenjem ležajeva.

Riža. 106 Položaj kanala preko utora na vučnom asinkronom motoru (a) i krivulje

/ - jezgra rotora, 2 - namot rotora, 3-kaial, 4 - kanal za utor, 5 - namot statora,

6 - stator, 7 - tekstolitni klin

Tablica 4

Pokazatelji Osnovni parametri satnog režima rada vučnog motora

Serija električnih lokomotiva
Ulazna snaga motora, kW
Mrežni napon, V
Fazna struja / fí, A
Faktor snage
Frekvencija struje, Hz
Najveća frekvencija rotacije.
Moment na osovini motora
Vučna sila na naplatku kotača, kN
Brzina električne lokomotive, km/h
Klasa izolacije
Broj faza
Broj polova statora
Zračni razmak, mm
Težina motora bez prijenosa
Potrošnja rashladnog zraka,
*" Frekvencija struje statora za kontinuirano		način rada. *2 V	način rada i ", = 890 o/min * 3 Snaga-

trajanje neprekidnog rada Pm = 500 kW *4 Masa bakra motora 230 kg (623 kg za NB-418K6); specifična težina motora je 4,28 kg/kW, specifična težina bakra je 0,255 kg/kW, specifična težina čelika je 1,62 kg/kW (0,74 za NB-418K6). broj utora statora 1\ = 108, duljina 465 mm. *5 Bez mjenjača

kov, za koji je maksimalna brzina vrtnje n shah 3000-4000 o/min, te nemogućnost izrade vučnog mjenjača s velikim prijenosnim omjerom. Domaći ležajevi serijskih vučnih motora, uz prihvatljivu izdržljivost, osiguravaju x = 2150 o/min. Uz prijenosni omjer i = 4,4 i promjer umjereno istrošenog zavoja £> cp = 1200 mm, to odgovara maksimalnoj brzini električne lokomotive 10 km/h. Na serijskim električnim lokomotivama s aksijalnim ovjesom vučnih motora "max = 5.353. S V = 120 km/h i t>av = = 1200 mm dobivamo n max = 2800 o/min, ali industrija ne proizvodi ležajeve za takvu brzinu .

Gubici u pretvaraču također ovise o broju polova asinkronog vučnog motora. Za smanjenje njihove brzine omjer ki treba uzeti jednak 2,5

U osnovi, stvaranje asinkronog pogona velike snage u velikoj mjeri ovisi o uspjehu u brojnim područjima elektronike, strojarstva, razvoja tehnologije itd.

Od 1982. VELNII je započeo novu fazu u stvaranju električnih lokomotiva s asinkronim motorima. Prema zahtjevima Ministarstva željeznica radi se o 12-osovinskim električnim lokomotivama (serija VL86*). Za njih su razvijeni i izgrađeni motori NB-607 (sl. 107, a i b); njihov pogon je objedinjen s pogonom elektrolokomotiva VL80R i VL80S. Stator 2 i jezgra 3 rotora su laminirani. Paket statora je utisnut u lijevani okvir /. Namot statora 4 je petljasti, trofazni, šestopolni, fiksiran u utornom dijelu magnetskim klinovima. Namot rotora je bakreni, šipke su povezane bakrenim prstenovima i pričvršćene na dio utora magnetskim klinovima, a na vjetrobransko staklo staklenim zavojima. Senzor brzine je montiran na osovinu rotora.

Osnovni tehnički podaci nekih vučnih motora bez četkica. U tablici. 4 prikazani su glavni parametri vučnih motora NB-601 i NB-607 električnih lokomotiva VL80v i VL86 f i, za usporedbu, motora OD64604 električne lokomotive VVS E120 (Njemačka) BAZ10577/6 elektromotora BAZ10577/6 AEG-a 182001.

Sinkroni motori s trajnim magnetom, s prednostima u smislu težine, veličine i potrošnje energije, sve se više koriste u vučnim pogonima, iako zahtijevaju korištenje složeni sustavi kontrole i još uvijek imaju nedovoljnu pouzdanost.

Tijekom proteklih nekoliko godina od vodećih svjetskih dobavljača željezničkih vozila pristiglo je mnogo prijedloga u vezi s upotrebom sinkronih vučnih motora s permanentnim magnetima (PMSM). Ovi motori su manji i lakši od trofaznih asinkronih motora koji su dosad prevladavali na tržištu.

PMSM-i su korišteni, posebice, na električnom vlaku AGV V150 koji je izgradio Alstom, koji je postavio svjetski brzinski rekord 3. travnja 2007. (slika 1.). Koriste se na željezničkim vozilima za različite namjene (tablica) - od tramvajskog vlaka Citadis Dualis (slika 2) do dvokatnog međugradskog električnog vlaka Twindexx (slika 3) za željezniceŠvicarska (SBB).

Riža. 1. AGV V150 brzi električni vlak tijekom rekordne vožnje Riža. 2. Tramvaj-vlak Citadis Dualis (foto: Alstom) Riža. 3. Twindexx električni vlak (izvor: Bombardier)

Vjeruje se da su željezničke tvrtke konzervativne u primjeni novih tehnologija. Istodobno, programeri i proizvođači vučnih željezničkih vozila zainteresirani su za brzu implementaciju naprednih tehničkih rješenja. Ako primjena novih dostignuća pridonosi značajnom poboljšanju performansi, ti razvoji brzo pronalaze primjenu, što potvrđuje iskustvo implementacije impulsnih pretvarača za napajanje jednosmjernih vučnih motora sa serijskim pobudama, istosmjernih vučnih motora neovisne pobude, sinkronih motora i trostrukih motora. fazni asinkroni motori s kaveznim rotorom. S napretkom tehnologije, učinkovitost i kontrola vučnog pogona poboljšani su, što je rezultiralo poboljšanim vučnim performansama i smanjenom potrošnjom energije.

PSDM i njihova elektronička upravljačka oprema su najviše Moderna tehnologija u području vučnog pogona. Milijuni PMSM-a već se koriste u hibridnim pogonima vozila zbog svoje relativno male težine i dobrog upravljanja. Veći motori pružaju iste mogućnosti za poboljšanje učinkovitosti vučnog pogona željezničkih željezničkih vozila. Ova tehnologija se implementira na nova željeznička vozila za različite namjene. Međutim, pojavilo se nekoliko značajnih problema koje je potrebno riješiti.

Na vozilima s motorima unutarnje izgaranje kontrola brzine obično koristi složeni mehanički uređaj - mjenjač, ​​kako bi motor mogao raditi u optimalnom rasponu brzina. Vučni motori željezničkih željezničkih vozila moraju djelotvorno raditi u cijelom rasponu brzina, osiguravajući prijenos zakretnog momenta na kotače preko jednostupanjskog mjenjača ili izravno. Ovo mehanički jednostavno rješenje omogućuje stvaranje pouzdanih pogonskih sustava koji ne zahtijevaju složeno održavanje.

Dakle, prvi zahtjev za projektiranje vučnih motora je njihova sposobnost pružanja zakretnog momenta ili vučnog napora u širokom rasponu brzina (od 0 do 320 km/h).

Naravno, važno je da vučni motor radi pouzdano. Istovremeno, sa stajališta strojovođe i željezničkog operatera, u jednako Precizna i glatka kontrola zakretnog momenta u cijelom rasponu brzina pomoću sustava upravljanja vučnim pogonom je neophodna. Pravilna kontrola zakretnog momenta osigurava optimalno korištenje prianjanja kotača i tračnice, glatko ubrzanje, sposobnost održavanja konstantna brzina te mogućnost korištenja električnog kočenja.

Kada kotači stupe u interakciju s tračnicama, moment vučnog motora pretvara se u linearnu vučnu ili kočnu silu. Na sl. Na slici 4 prikazan je graf ovisnosti vučne sile o brzini, kao i krivulja otpora kretanju vlaka. Krivulja vučne sile siječe krivulju otpora gibanju u točki takozvane stabilne brzine, odnosno najveće teoretski moguće brzine. U blizini ove točke, veličina promjene vučne sile, zbog koje se vlak ubrzava (označeno crvenom strelicom na slici 4), je mala. Na sl. 5 prikazane su karakteristike snage vučnog pogona i potrebne vučne snage (snaga je jednaka umnošku brzine i vučne sile).

Vučni motori, u pravilu, izračunavaju se za određeni način rada. Motor mora razviti potrebni zakretni moment pri nultom broju okretaja i održavati ga do nazivnog momenta u cijeloj zoni 1 krivulje potiska. Iznad ove brzine, vučni motor razvija maksimalnu izlaznu snagu. U zoni 2, potisak je obrnuto proporcionalan brzini. U zoni 3, zbog ograničenja karakteristika vučnog motora, vučna sila je obrnuto proporcionalna kvadratu brzine.

Riža. 4. Trakcija i otpor vožnje
Riža. 5. Karakteristike snage

Pri maloj brzini, okretni moment motora teoretski može biti veći od onog koji se prenosi interakcijom kotača i tračnice. Međutim, to bi preopteretilo motor i trebalo bi ga izbjeći odgovarajućim djelovanjem operatera ili elektroničkog upravljačkog sustava.

Ranije se za upravljanje istosmjernim vučnim motorima koristila regulacija napona promjenom njihove sheme povezivanja iz serijske u paralelnu i strujnom regulacijom pomoću otpornika za pokretanje i kočenje. Na modernim željezničkim vozilima, za upravljanje i istosmjernim kolektorskim motorima i sinkronim i asinkronim motorima na izmjeničnu struju, koriste se elektronički sustavi koji osiguravaju promjene napona ili i napona i frekvencije. Trenutno korišteni vučni pogonski sustavi omogućuju postizanje visokokvalitetne kontrole u cijelom rasponu brzina pri relativnoj jednostavni algoritmi propis.

PMSM regulacija prilično olakšava postizanje traženih karakteristika u zoni konstantnog momenta, međutim, regulacija u zoni konstantne snage zahtijeva složenije algoritme.

AC i DC motori, poput PMSM-a, u biti rade na temelju istih fizikalni zakoni. Stoga su principi upravljanja njima donekle slični. U električnim strojevima svih vrsta, moment nastaje kada dva magnetska polja međusobno djeluju. Za pojavu momenta između vektora intenziteta ovih magnetskih polja mora postojati određeni kut, idealno jednak 90 el. st. Navedena polja mogu nastati strujama koje teku kroz namote motora, odn trajni magneti.

Trenutačno se trofazni asinkroni motori uglavnom koriste u vučnim pogonima. Ipak, vrlo je važno razumjeti prirodu i ponašanje magnetskih polja statora i rotora drugih vrsta električnih strojeva.

U tradicionalnom istosmjernom motoru, sjever i južnim polovima polja statora su uvijek orijentirana u istom smjeru, dok je polje armature (rotora) pomaknuto za 90 el. tuča zbog korištenja kolektora. U serijskom uzbudnom motoru ista struja prolazi i kroz namot statora i kroz namot rotora, dok je u slučaju korištenja nezavisnog uzbudnog motora moguće samostalno upravljati poljima rotora i statora.

U tradicionalnom trofaznom sinkronom motoru, magnetsko polje rotora stvara struja koja teče kroz njegov namot, a orijentacija polja određena je fizički položaj namota rotora. Polje statora stvara struja koja teče kroz njegov namot i rotira se brzinom koja je određena frekvencijom pretvarača iz kojeg se napaja statorski namot. Kut između polja statora i rotora raste s momentom, a brzine rotora i polja statora su isti. Kada kut postane negativan, motor prelazi u način kočenja.

U trofaznom asinkronom motoru, magnetsko polje statora inducira struju u namotu rotora (slika 6), koja zauzvrat stvara magnetsko polje. Potonji, u interakciji s poljem statora, stvara vučni ili kočni moment. U vučnom načinu rada brzina rotora je manja od brzine polja statora koju postavlja pretvarač, a u načinu kočenja veća. Zakretni moment ne nastaje ako su brzine jednake. Omjer frekvencija rotacije rotora i polja statora karakterizira vrijednost koja se naziva klizanje.

U PMSM-u rotorsko polje stvaraju magneti, koji su ili raspoređeni po površini rotora ili smješteni u njegove utore (slika 7). NA posljednji slučaj osigurava veću mehaničku čvrstoću i manje gubitke na vrtložne struje u rotoru. Legura neodim-željezo-bor (Nd2Fe14B) stekla je popularnost kao materijal za trajne magnete zbog svojih optimalnih magnetskih svojstava. Magnetno polje statora stvara se pomoću trofaznog višepolnog namota postavljenog u utore laminirane jezgre.

Riža. 6. Princip rada asinkronog motora s kaveznim rotorom
Riža. 7. Princip rada PSDM-a

U svim električnim strojevima rotirajuće magnetsko polje stvara emf suprotnog smjera od napona napajanja – tzv. povratni emf. Kod nulte frekvencije rotacije jednaka je nuli, međutim, raste linearno sa svojim rastom. Za potporu konstantna vrijednost momenta u zoni 1 (vidi slike 4 i 5), povećajte napon napajanja.

Moment električnog stroja umnožak je magnetskog toka i struje. Energetski poluvodički pretvarač regulira dovodni istosmjerni ili jednofazni napon na način da su trenutne vrijednosti u namotima motora unutar prihvatljivih granica. Najviše moderno rješenje je uporaba pretvarača na bazi bipolarnih tranzistora s izoliranim vratima (IGBT) s pulsno-širinskom modulacijom.

U zoni 1, gdje je vučna sila konstantna, napon (a u slučaju asinkronog motora i frekvencija) mora rasti proporcionalno brzini motora, dok vrijednost umnoška magnetskog toka i struje, tj. momenta, održava se konstantnim. Ako je nazivna brzina prekoračena, primijenjeni napon se ne može povećati zbog ograničenja pretvarača snage i izolacije motora. Međutim, s gledišta mehaničke karakteristike Broj okretaja može biti veći.

Prijelaz u zonu 2 provodi se slabljenjem polja, dok se povratni EMF smanjuje ili (za PMSM) njegov utjecaj suzbija. U istosmjernim motorima to se postiže smanjenjem količine struje koja teče kroz namot polja tako da se paralelno s njim poveže otpor slabljenja polja, u tradicionalnom sinkronom motoru, smanjenjem struje u namotu rotora. U asinkronom motoru do slabljenja polja dolazi automatski s povećanjem frekvencije struje namota statora, dok napon napajanja ostaje nepromijenjen. U PMSM-u je teže provesti slabljenje polja, budući da polje rotora stvaraju trajni magneti.

U zoni 3, tok i struja se smanjuju brže nego u zoni konstantne snage kako bi se izbjeglo prekoračenje električnih i mehaničkih ograničenja motora. Na primjer, kod istosmjernog motora s neovisnom pobudom, struja armature također se smanjuje s brzinom.

Glavni razlog širenja primjene PMSM-a u vučnom pogonu su njihove značajne prednosti u odnosu na trofazne asinkrone motore. Unutar približno 80% radnog raspona, učinkovitost PMSM-a je veća za 1-2%, a specifična snaga veća je za 30-35%, zbog čega se, s jednakom snagom, mijenjaju dimenzije i težina PMSM-a. su oko 25% manje.

U asinkronom motoru, rotor se zagrijava zbog prisutnosti snage klizanja. U PMSM-u ga praktički nema, tako da nema potrebe za hlađenjem rotora. PMSM stator je obično potpuno zatvoren i hlađen tekućinom, što povećava pouzdanost motora. Osim toga, pri korištenju PMSM-a moguće je provesti električno kočenje pri malim brzinama, što u principu omogućuje samokontrolirano kočenje kada su namoti statora kratko spojeni. Međutim, te se prednosti ne mogu postići bez kompromisa. Identificirano je sedam glavnih čimbenika koji ometaju širenje PMSM-a za potrebe električne vuče, iako su već razvijene metode za rješavanje ovih problema.

Ograničenja veličine i cijene četverokvadrantnog pretvarača i motora sprječavaju njihovu upotrebu u cijelom rasponu brzina jednostavnim održavanjem napona napajanja tako visokim iznad povratnog EMF-a da je struja dovoljna za postizanje potrebnog zakretnog momenta. Problem se može riješiti slabljenjem polja, što stvara zone konstantnog momenta i konstantne snage. Budući da je regulacija polja koje stvaraju trajni magneti teška, slabljenje polja se postiže primjenom struje na namote statora. Tako se stvara polje s vektorom jakosti usmjerenim protiv vektora jakosti polja koji stvaraju trajni magneti rotora. To uzrokuje gubitke u bakru namota statora, što donekle smanjuje pozitivan učinak dobiven zbog niskih gubitaka pri korištenju rotora s permanentnim magnetom.

Za kontrolu struja koje stvaraju efekt slabljenja polja potrebno je odrediti položaj rotora s točnošću od 1-2 el. st. Četveropolni motor zahtijeva mehaničku razlučivost od najmanje 1,5 el. st. Ako se koriste senzori, od njih se zahtijeva vrlo visoka točnost i pouzdanost kako bi se osigurao normalan rad upravljačkog sustava. Moguće je upravljati bez korištenja senzora, međutim, to može smanjiti točnost regulacije.

Magnetski tok ovisi o temperaturi, pri čemu se jakost polja smanjuje za približno 1% s povećanjem temperature rotora za 10 K. Za PMSM-e koji rade u temperaturnom rasponu od 200 K (od -40 do +160 °C), to je bitna. Stoga elektronički upravljački sustav mora pratiti radnu temperaturu i uzeti je u obzir pri generiranju upravljačkog signala.

Svaki PMSM zahtijeva pojedinačni regulator snage poluvodiča koji jamči opskrbu upravljačkog impulsa za uključivanje strujnog kruga točno u potrebno vrijeme. Međutim, u modernom vučnom pogonu, sve se češće koriste pojedinačni sustavi kontrola svakog motora. Time je ovaj problem riješen.

Uz značajne struje i visoke temperature Do nepovratne demagnetizacije može doći čak i ako temperatura rotora ne dosegne Curieovu točku između 310 i 370 °C. Međutim, opasniji je kratki spoj u namotu statora, što može dovesti do uništenja motora, budući da rotacijsko polje koje stvaraju trajni magneti nastavlja inducirati značajne struje u statoru. Ovdje demagnetizacija može biti od pomoći jer smanjuje te struje.

Drugi problem je taj što tijekom rada bez opterećenja (kada se vlak kreće iskočenim), rotirajući rotor motora s permanentnim magnetom nastavlja inducirati struje u jezgri statora. Rezultirajuće vrtložne struje, zajedno s efektom histereze, uzrokuju gubitke u čeliku, što smanjuje učinkovitost motora.

Rijetki zemni metali koji se koriste u PMSM-u imaju dobre magnetska svojstva, ali su prilično osjetljivi na mehaničke i toplinske učinke. Dizajn rotora PMSM-a je složeniji od dizajna asinkronih motora. PMSM upravljačka shema također je složenija zbog prisutnosti više krugova. Povratne informacije te potreba za pretvorbom signala.

Postoji dosta aplikacija u kojima prednosti PMSM-a zasigurno nadmašuju njihove nedostatke, a to ih čini privlačnima za programere vučnih pogona. Manje veličine i težine posebno značenje kada je prostor ograničen - na primjer, ako je potrebno postaviti motor na osovinu para kotača bez mjenjača.

Veća učinkovitost i manji gubici u rotoru daju značajne prednosti PMSM-u u smislu poboljšanja performansi željezničkog vozila i smanjenja potrošnje energije (slika 8.). To se posebno može vidjeti na primjeru Alstomovog električnog vlaka V150. Asinkroni motori se postavljaju na okretna postolja koja se nalaze ispod karoserija motornih automobila, dok se PMSM mogu postaviti na okretna postolja ispod zglobova, što smanjuje složenost i težinu vučnog pogona.

Riža. 8. Elektromehaničke karakteristike i učinkovitost PMSM-a

U budućnosti bi PMSM-i mogli imati puno širu primjenu u vučnom pogonu (stol), baš kao što su trofazni asinkroni vučni motori, koji su zamijenili istosmjerne motore, postali popularni sredinom 1980-ih.

Primjeri primjene vučnog PMSM-a

Operater, država	vagoni	Proizvođač
NTV (Italija)	25 brzi vlakovi AGV	Alstom
SBB (Švicarska)	59 Twindexx električni vlakovi na kat	bombarder
SNCF (Francuska)	31 tramvaj-vlak Citadis Dualis	Alstom
SNCF (Francuska)	Regiolis EMU (okvirni ugovor)	Alstom
SNCF (Francuska)	Omneo EMU (okvirni ugovor)	bombarder
Prag, Češka Republika)	Niski poli tramvajska kola tip 15T	Škoda
Tokijski metro (Japan)	Električni vlakovi serije 16000	Kawasaki
JR East (Japan)	Prigradski vlakovi serije E331 za Tokio	Toshiba
Prototipovi
Metro u Münchenu (Njemačka)	Električni vlak tipa C19 s postoljima Syntegra	Siemens
Kina	Prototip lokomotive na gorive ćelije	CNR Yongji
Švedska	Električni vlak Grona Taget	bombarder
purica	Citadis X04 niskopodni tramvaj	Alstom
Japan	Vlak promjenjivog kolosijeka	RTRI

Željeznice svijeta - 2011

Vučni motori bez četkica

Prije otprilike 8-10 godina masa vlaka (težina) bila je ograničena uvjetima prianjanja, odnosno postignutom vrijednošću izračunatog koeficijenta prianjanja. Stoga se pitanje značajnog povećanja vučne sile, a time i snage vučnih motora električnih lokomotiva, nije tako akutno postavljalo. Istraživanja i probni rad niza novih uređaja pokazali su da postoje velike mogućnosti za povećanje projektnog koeficijenta trenja. To se može postići primjenom neovisne pobude, kao i automatskim balansiranjem opterećenja vučnih motora. Ostale mogućnosti za povećanje koeficijenta trenja bit će razmotrene u nastavku.

No, daljnje povećanje snage vučnih motora električnih lokomotiva, neophodno za realizaciju većeg projektnog koeficijenta trenja, postaje sve teže izvedivo. To je prvenstveno otežano dimenzijama vučnog motora: njegova je duljina ograničena razmakom između guma kotača, promjer je ograničen razmakom između osi para kotača i osovine motora - središnjeg središta ( vidi sliku 3). Do sada, u prisutnosti ozbiljnih dimenzionalnih ograničenja na veličinu motora, njihova se snaga povećavala korištenjem izolacijskih materijala otpornijih na toplinu, povećanjem hlađenja, povećanjem broja parova polova, kompenzacijskim uređajima za namote i odabirom optimalnog napona za vučni motori električnih lokomotiva na izmjeničnu struju.

S povećanjem snage, sklop kolektor-četka radi sve teže i teže. Njegovo stanje uvelike određuje trajanje rada električne lokomotive između pregleda i popravaka. Povećanje snage vučnih motora nailazi na sve više prepreka i ne pridonosi povećanju njihove pouzdanosti i učinkovitosti, stoga je želja za stvaranjem snažnog vučnog motora bez četkica sasvim razumljiva.

Električne lokomotive s asinkronim vučnim motorima. Kroz povijest stvaranja i usavršavanja električnih lokomotiva bilo je mnogo pokušaja korištenja najjednostavnijeg i najjeftinijeg asinkronog motora za potrebe vuče. To se donedavno nije moglo učiniti, jer se frekvencija njegove rotacije može ekonomski regulirati samo promjenom frekvencije struje napajanja. Pretvarači električnih strojeva koji su se ranije koristili za to bili su teški. Pojava tiristora utrla je put laganom i pouzdanom frekventnom pretvaraču.

Uređaj asinkronog motora, kao što je već spomenuto, nije težak. Ima fiksni stator i rotirajući rotor (slika 75). Postoje asinkroni motori: s kaveznim rotorom i s faznim rotorom. Kao vučni motori koriste se asinkroni motori s kaveznim rotorom. Jezgra takvog rotora, poput statora, sastavljena je od listova električnog čelika. Namot rotora sastoji se od bakrenih šipki smještenih u žljebovima jezgre i zatvorenih prstenovima na krajevima. Namot rotora bez jezgre je takozvani "kotač vjeverice".

U utore statora postavljena su tri namota, pomaknuta jedan u odnosu na drugi za 120°. Ti su namoti obično spojeni u zvijezdu. Kada su namoti uključeni u trofazni krug, kroz svaki od njih prolazi izmjenična struja i stvaraju se tri izmjenična magnetska toka. Ti se tokovi zbrajaju i tvore rezultantni protok koji se vrti pri 3000 o/min s jednim parom polova po fazi. Rotirajući magnetski tok statora motora, koji prelazi preko namota rotora, inducira e. d.s. Pod utjecajem e. d.s. struja teče u namotu rotora, stvarajući vlastiti magnetski tok. Magnetski tokovi statora i rotora međusobno djeluju, zbog čega se rotor počinje okretati.

Inače, brzina rotora je nešto manja od brzine magnetskog toka statora linije sile ne bi prešao namotaj rotora. Razlika između ovih frekvencija rotacije naziva se klizanje. Povećanjem broja parova polova možete dobiti druge frekvencije rotacije magnetskog toka: 1500, 1000, 750 o/min, itd. Brzina rotora bit će nešto manja od ovih vrijednosti.

Tipično, klizanje iznosi 1-3% sinkrone frekvencije. Stoga, ako promijenite frekvenciju napona napajanja u širokom rasponu, a time i sinkronu frekvenciju, s tim će se mijenjati i brzina rotora. No, osim frekvencije, potrebno je regulirati i napon koji se dovodi na asinkroni motor kako bi se dobila vučna karakteristika približno ista kao kod korištenja istosmjernih motora sa serijskom pobudom.

Regulacija napona provodi se, kao u domaćim električnim lokomotivama izmjenične struje, preklapanjem sekundarnog namota vučnog transformatora pomoću glavnog regulatora GK (slika 76.) u koracima. Zatim, u ispravljačkoj instalaciji B, napon se ispravlja i dovodi do izmjenjivača I. U ispravljaču se napon koji se dovodi do pretvarača I glatko regulira.

Otključavanjem i zaključavanjem tiristora inverterske instalacije u određenom slijedu dobiva se trofazni napon koji se dovodi do statorskog namota IM asinkronog motora. Podsjetimo da se konvencionalni asinkroni motori napajaju izmjeničnim trofaznim naponom i, posljedično, strujom koja se mijenja sinusno. U ovom slučaju, svaka faza je pomaknuta u odnosu na drugu za 120°, kao što je prikazano na sl. 77. Radi jasnoće, promjena napona svake faze prikazana je na zasebnim osovinama. Prilikom formiranja trofaznog napona na električnoj lokomotivi s asinkronim motorima, preklopni inverterski ventili stvaraju stepenasti napon u svakoj fazi.

Frekvencija napona koji se dovodi u asinkroni motor kontrolira se promjenom frekvencije uključivanja ovih ventila.

Pretvarač ima poseban uređaj koji pouzdano vraća upravljačka svojstva tiristora u slučaju kvara inverzije. Vučni motori se mijenjaju prebacivanjem upravljačkih krugova inverterskih tiristora, budući da je za promjenu smjera vrtnje asinkronog motora dovoljno zamijeniti bilo koje dvije ulazne faze.

Na temelju razvoja istraživanja i obrazovne ustanove U Novočerkaskoj tvornici električnih lokomotiva izgrađena je električna lokomotiva na izmjeničnu struju s asinkronim vučnim motorima VL80 a. Električna lokomotiva je nastala na bazi osmoosovinske električne lokomotive VL80 K. Snaga svakog vučnog motora je 1200 kW, odnosno 1,5 puta veća od kolektorskog motora električne lokomotive VL80 K.

Nije isključena mogućnost stvaranja vučnog pogona s asinkronim motorom bez mjenjača. U ovom slučaju, rotor asinkronog motora je montiran izravno na osovinu kotača, a stator ima podijeljeni oblik.

Električne lokomotive s ventilskim sinkronim motorima. Kao vučni motori bez četkica na električnoj lokomotivi možete koristiti sinkrone motore sa statičkim (ventilskim) pretvaračima - takozvani ventilski motori.

Objasnimo princip rada motora bez četkica. Na njegovom statoru nalazi se trofazni namot, a na rotoru istosmjerni uzbudni namot (slika 78). Početak i kraj uzbudnog namota spojeni su na dva prstena međusobno električno izolirana. Fazni namoti statora spojeni su u zvijezdu; njihovi počeci su spojeni na pretvarač – pretvarač I (ili istosmjerni izvor). Inverter AND napaja ispravljač B spojen na sekundarni namot vučnog transformatora. Ako su, na primjer, u bilo kojem trenutku tiristori A1 i X2 pretvarača otvoreni, struja iz ispravljača B će proći kroz tiristor A1, statorske namote I i II, tiristor X2, uzbudni namot OB i vratiti se u instalaciju ispravljača. Sa smjerom struje označenim strelicama u namotima I, II i namotu polja, rezultirajući magnetski tok statora, u interakciji s tokom namota polja, stvorit će zakretni moment, a rotor će se okrenuti u smjeru kazaljke na satu. Prebacivanjem u određenom redoslijedu zaključaka namota statora, moguće je osigurati kontinuiranu rotaciju rotora.

Dakle, po principu rada, motor bez četkica sličan je istosmjernom stroju, gdje je kolektor zamijenjen sustavom energetski kontroliranih ventila inverterske instalacije. Ali za razliku od DC motora, motor bez četkica ima samo tri komutirana izlaza s trofaznim namotom umjesto nekoliko stotina kolektorskih ploča. Osim toga, uzbudni namot u motoru bez četkica postao je pomičan, a armatura je postala nepokretna. Prebacivanje struje ventila u namotima omogućuje značajan napon između terminala: do nekoliko tisuća volti. Podsjetimo da konvencionalni mehanički kolektor radi zadovoljavajuće pri naponu između kolektorskih ploča ne većem od 30-32 V. Prebacivanje statorskog namota vodi u traženom slijedu i, sukladno tome, vrši se promjena položaja rotora kontrolnim sustavom koji ima poseban senzor položaja rotora.

Motor ventila je višefazni stroj, čiji se namot armature napaja pretvaračem koji se kontrolira sinkrono s rotacijom rotora, opremljen uzbudnim namotom. Dakle, motor bez četkica sastoji se od električnog stroja, pretvarača ventila i upravljačkog sustava koji ih povezuje.

Novočerkaska tvornica električnih lokomotiva u početku je izgradila prototip osmoosovinske teretne električne lokomotive VL80V s vučnim motorima ventila. Nakon testiranja, mala serija sličnih električnih lokomotiva puštena je na operativna ispitivanja. Električne lokomotive opremljene su automatskim sustavom upravljanja koji radi u vučnim i električnim načinima kočenja. Električna lokomotiva koristi neovisnu pobudu ventilskih motora od ispravljača-pobudnika koji mijenjaju uzbudnu struju proporcionalno struji namota armature motora. Rotor motora ima šest polova, struja do uzbudnog namota dovodi se kroz dva prstena i četke. Brzina motora kontrolira se promjenom ulaznog napona. Napon sekundarnog namota, a time i ispravljačkog postrojenja, reguliran je otprilike na isti način kao na izmjeničnim električnim lokomotivama s kolektorskim motorima. Isključuje se samo suprotan spoj reguliranog i nereguliranog transformatorskih namota te se njihov napon neznatno povećava. Nakon što se nazivni napon primijeni na motore, daljnje povećanje brzine provodi se regulacijom magnetskog toka uzbude.

Na električnim lokomotivama VL80 V koristi se krug ispravljanja i pretvorbe struje, koji se ponešto razlikuje od onog prikazanog na sl. 78. Na sl. Na slici 78 prikazane su odvojene instalacije ispravljača B i pretvarača I, tj. prikazan je tzv. krug s eksplicitnim istosmjernim spojem. Na električnoj lokomotivi VL80 V ove dvije instalacije su spojene u zajednički uređaj.