Håndboken inneholder generell informasjon om utformingen av asynkrone elektriske maskiner, formålet med komponentene deres, og undersøker utformingen av en spesifikk modell av trekkmotor. Sammensetningen av et sett med elektrisk kraftutstyr, formålet med komponentene, deres drift og interaksjon vurderes.

For å korrekt oppfatte materialet som presenteres, er det nødvendig å ha en forståelse av de generelle prinsippene for å kontrollere kraftutstyr og kontrollere et tog ved å bruke Vityaz selvgående kanoner og via en reservekontrollkanal (i denne lærebok vurderes ikke). Studiet av materialet vil tilrettelegges av kunnskap om grunnleggende elektroteknikk, inkl. Og vekselstrøm, samt konstruksjonsprinsippene elektriske kretser i et trefaset AC-system. For å gjøre dette anbefaler forfatteren å studere de relevante delene av elektroteknikk ved å bruke pedagogisk litteratur eller materialet presentert i vedleggene.

Under utarbeidelsen ble det brukt litteratur og teknisk dokumentasjon, en liste over disse er gitt på slutten av manualen.

Forfatteren uttrykker takknemlighet til alle spesialister som på en eller annen måte har deltatt i utarbeidelsen av materialet. Jeg uttrykker spesiell takk til N.N. Danilov, nestleder for den tekniske avdelingen til ZREPS CJSC, som ga uvurderlig hjelp med å forberede det tredje kapittelet.

Denne opplæringsmanualen er først og fremst ment for arbeidere som studerer for å bli sjåfør ved Metro Training and Production Center, men kan være nyttig for elektriske depotarbeidere som ønsker å forbedre kunnskapsnivået sitt innen trekkelektriske drivverk.

Lærer ved UOC

Moskva metro

Danilov E.B.

Asynkron elektrisk trekkkraft på t-banevogner. Opplæringen.

	Introduksjon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Generell informasjon om driften av asynkron trefase elektrisk maskin og dens design. . . . . . . . . . . . .
		Design og prinsipp for drift av asynkron elektriske maskiner. . . . . . . . . . . . . . . … . . . . . . . . . . . .
		Dannelse av roterende elektromagnetisk dreiemoment i en asynkron elektrisk maskin. . . . . . .
	Enheten til en asynkron trekkmotor. Tekniske data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Grunnleggende motorparametere. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Stator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Rotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Lagerskjold. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Ventilasjon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Rotorhastighetssensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Trekkdrift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Beholder for KTI traksjonsinverter. . . . . . . . . . . . . . . . .
		Traksjonsdrift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	applikasjoner
		Hva er vekselstrøm og hvordan skiller den seg fra likestrøm? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Trefaset vekselstrøm. . . . . . . . . . .
		Roterende magnetfelt... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Referanser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Introduksjon

Bruken av AC elektriske maskiner som trekkmotorer i jernbanetransport ble forsinket i lang tid på grunn av vanskeligheter med å forsyne elektrisk rullende materiell med trefaset vekselstrøm. Imidlertid har utviklingen av den elektriske industrien, spesielt forbedringen av krafthalvlederelektronikk og mikroprosessorkretser, ført til opprettelsen av strøm- og spenningsomformere med tilstrekkelig kraft til å gi kraft til trekkmotorer. Spesiell rolle Utviklingen av høyeffekttransistorer spilte en rolle i dette.

Sammenlignet med kommutatormotorer likestrøm asynkronmotorer har en rekke fordeler.

For første gang i innenlandsk masseproduksjon ble bruken av asynkronmotorer som trekkmotorer brukt på t-banevogner av modellene 81-740/741 og på deler av biler av modell 81-720/721, og senere på biler av modell 81- 760/761. Den innenlandske industrien har lansert produksjon av asynkrone elektriske motorer for t-banevogner. For øyeblikket kan biler utstyres med følgende motorer:

TAD 280M 4U2 produsert av AEK Dynamo;

DATO–170 4U2 produksjon « LLC Elektrotyazhmash-Privod" Lysva;

TADVM-280 4U2 produsert av JSC NIPTIEM, Vladimir;

DATM-2U2 produsert av OJSC Pskov Electrical Machine Building

kroppsplante";

DTA 170 U2 JSC "Riga Electrical Machine Building Plant";

TA 280 4MU2 produsert av JSC ELDIN (Yaroslavl Electro-

maskinbyggende anlegg).

De elektriske motorene mottar strøm fra omformere som en del av KATP-1 eller KATP-2 produsert av OJSC Metrovagonmash.

De første settene med asynkrone kjøringer på t-banevogner var utenlandsproduserte "HITACHI" og "ALSTOM".

Ventiltrekkmotorer. Forsøk på å bruke børsteløse AC-motorer i elektrisk trekkraft ble gjort tilbake på 30-tallet. Imidlertid dukket den praktiske muligheten for bruk først opp etter at industrien mestret serieproduksjonen av krafttyristorer og dioder, samt halvlederelementer som gjør det mulig å rasjonelt implementere kontrollsystemer og regulere frekvensen til forsyningsspenningen.

Utformingen av ventiltrekkmotoren er en synkron maskin, der armaturviklingen er plassert på statoren, og feltviklingen er plassert på rotoren. Ventilstator

motoren (fig. 105) består av en støpt ramme 7 og en kjerne laminert av elektrisk stål E1300. Rammen fungerer som motorhuset og skiller seg ikke i utseende fra rammene til pulserende strømtrekkmotorer, og kjernen er en magnetisk krets.

Kjernen 9 presses inn i rammen mellom de massive ringformede sideveggene 13. Langs dens ytre diameter er den strammet med strimler 8, sveiset til kjernen og til sideveggene. Kjernen hindres i å dreie av en nøkkel og seks pinner satt inn i hullene på rammen og foringene. For å redusere lekkasjestrømmer og tap, er ikke-magnetiske isolasjonsplater 12 installert mellom sideveggene og pakken.

Posisjonssensorer for motorstyring er installert på den ytre overflaten av kjernen ved 12 punkter. magnetisk fluks. Hver sensor har en spesifisert og to lesende enkeltsvingsviklinger laget av PSD-tråd med en diameter på 1,16 mm. Felleskabelen fra dem går inn i koblingsboksen, der den er koblet til den elektriske lokomotivstyreenheten gjennom en pluggkontakt.

Sporene til kjernen langs dens lengde er skråstilt av en rilledeling En to-lags bølgevikling er plassert i dem. Karosseriets isolasjon av spolene er laget av seks lag med glass glimmer-nit-tape L2S25KS 0,09 X 20 mm, påført halvt overlappende. Viklingen er sikret i sporene med glassfiberkiler. Utgangen fra statorviklingen til koblingsboksen er laget med en dobbel buss.

Rotorer til ventilmotorer har forskjellige design. Det elektriske lokomotivet VL80v-216 var utstyrt med seks-polede børsteløse motorer med en fremtredende polrotor.

Denne utformingen av rotoren er teknologisk enklere, men i termiske og mekaniske termer viste rotorens materialer og isolasjonen til polspolene seg å være overbelastet. Dette skyldes at m.d.s. eksitasjoner for en brytermotor, tatt i betraktning ankerreaksjonen og kommuteringsvinkler, overstiger m.m.s. tomgangshastigheten er omtrent 1,8 ganger, mens i en DC-maskin -

bare 1,2 ganger I tillegg ble varmefjerningen fra feltspolene forverret på grunn av stangstagene.

Siden rotasjonshastighetene tilsynelatende vil øke etter hvert som lagersammenstillingen og girkassen forbedres, vil også termisk spenning øke som følge av ønsket om å sette inn mer kraft i gitte dimensjoner. Derfor var den eneste mulige designen en rotor med implisitte poler.

I motsetning til konvensjonelle synkronmaskiner, må en motor med svitsjet type ha en pålitelig spjeldvikling med stenger med tilstrekkelig tverrsnitt for å redusere den subtransiente reaktansen til motoren. Stengene 15 til spjeldviklingen er laget av kobber, plassert jevnt rundt hele omkretsen av rotoren. Som beregninger viser, gjør denne utformingen av spjeldviklingen det mulig å oppnå relativt lave supertransiente induktive motstander av ankerviklingen med akseptable tap i stengene forårsaket av koblingsprosessen.

For implisitte rotorpoler kan et system av demperstenger enten være plassert i den øvre delen av slissene i form av en metallkile som sikrer eksitasjonsviklingen, eller i hullet til tennene. Den første metoden er teknologisk upraktisk på grunn av vanskeligheten med å sveise endene av stengene (kilene) på forbindelsesringene. Den andre utformingen av spjeldburet er å foretrekke, siden stengene kan sveises direkte til kobberkantplaten, spesielt stemplet for dette formålet. En annen fordel med denne utformingen er at demperburet kan produseres på rotoren før feltviklingen legges. De åttepolede ventilmotorene NB-601 til det elektriske lokomotivet VL80v-661 har denne rotordesignen.

Asynkrone trekkmotorer. Maksimalt motormoment

Mmax « C1Ai\/(2xg),

hvor Cm - konstant koeffisient motor; og, - nettverksspenning, x - induktiv reaktans.

Ris. 105. Langsgående (a) og tverrgående (b) seksjoner av trekkmotoren NB-601 til et elektrisk lokomotiv

/ - aksel, 2 - rullelager, 3 - ankerbøssing, 4 - lagerskjold; 5 - ringer; 6 - børsteholder; 7 - skjelett; 8-stropper, 9-ramme kjerne; 10 - statorvikling, // - rotorkjerne; 12-ikke-magnetiske avstandsstykker (ark), 13-sidevegger av statorkjernen, 14-akselboks, 15-

spjeld viklingsstenger

En asynkronmotor er følsom for spenningsfall. For eksempel, når spenningen synker med 10 %, reduseres dreiemomentet med 19 %. I motsetning til en industriell asynkronmotor, har en asynkron trekkmotor en rekke funksjoner som oppstår fra driftsbetingelsene på et lokomotiv (drevet av en frekvens- og faseomformer, som passer betydelig kraft inn i gitte, svært komprimerte dimensjoner, bestemt av dimensjonene til lokomotivets chassis). På alle trekkkommutatormotorer til elektriske lokomotiver med aksial ventilasjon passerer 30% av luften gjennom luftgapet, og utfører intensiv varmefjerning fra overflatene til ankre og stolper.

I en asynkron trekkmotor, for å redusere magnetiseringsstrømmen og øke cos f, streber de etter å holde luftgapet mellom statoren og rotoren så minimalt som mulig på grunn av design og produksjonsforhold. I denne forbindelse, i asynkrone motorer med aksial uavhengig ventilasjon er det ikke mulig å avkjøle overflatene til rotoren og statoren som vender mot luftgapet. For å føre mer kjøleluft mellom statoren og rotoren, bruker den asynkrone trekkmotoren overspaltekanaler (fig. 106, o),

som passerer ca. 30 % av all kjøleluft

Høyden på kanalen over sporet er (1,0 - 1,5) 6 ps, hvor b ps er bredden på statorspalten. I en brytermotor er overspaltekanaler i statoren uakseptable, siden de øker den induktive lekkasjereaktansen til statoren med omtrent 40 %, noe som fører til en reduksjon i dreiemoment. I en asynkron motor er en økning i den induktive lekkasjemotstanden til statorviklingen ikke så skadelig, siden kommutering utføres med makt.

I en flerpolet maskin brukes aktive materialer mer effektivt, den asynkrone motoren fungerer med lavere tap, og dens effektivitet er høyere Parametrene til motoren og det elektriske lokomotivet som helhet påvirkes også av maksimum

f maks og nominelle / nom verdier CHESTO-

du er strømmen til statorviklingen. Frekvens fmax =

P" max/(60 + f 2), hvor f2 = /CK -

frekvensen til rotoren eller glidestrømmen, vanligvis 1-2 % av /max, med tilstrekkelig nøyaktighet /max = pn gaax/59.

Nominell frekvens fH0M= pnmaJ (59k„), hvor kv er hastighetsforholdet, vanligvis lik 2. Teoretisk sett er den optimale frekvensen fom = 100-150 Hz, og frekvenskontrollgrensene til omformeren er fra 1-2 til 200- 300 Hz. Det er imidlertid begrensninger knyttet til bruk av lagre

Ris. 106 Plassering av overspaltekanaler for en asynkron trekkraftmotor (a) og kurver

/ - rotorkjerne, 2 - rotorvikling, 3 - kanal, 4 - overspaltekanal, 5 - statorvikling,

6 - stator, 7 - tekstolittkile

Tabell 4

Indikatorer Grunnleggende parametere for trekkmotorens timemodus

Elektrisk lokomotiv serie
Motorinngangseffekt, kW
Lineær spenning, V
Fasestrøm /phi, A
Maktfaktor
Strømfrekvens, Hz
Høyeste rotasjonshastighet.
Dreiemomentet på motorakselen er
Trekkkraft på felgen, kN
Elektrisk lokomotivhastighet, km/t
Isolasjonsklasse
Antall faser
Antall statorstolper
Luftspalte, mm
Motorvekt uten giroverføring
Avkjølende luftstrøm,
*"Statorstrømfrekvens for kontinuerlig		modus. *2 V	modus "i", = 890 rpm *3 Power-

kontinuerlig modus kapasitet Рм = 500 kW *4 Motor kobbermasse 230 kg (623 kg for NB-418K6); spesifikk masse av motoren 4,28 kg/kW, spesifikk masse av kobber 0,255 kg/kW, spesifikk masse av stål 1,62 kg/kW (0,74 for NB-418K6) Antall rotorspalter її = 80, og lengde 455 mm; antall statorslisser 1\ = 108, lengde 465 mm. *5 Uten girkasse

hvor maksimal rotasjonshastighet er 3000-4000 rpm, og umuligheten av å produsere en trekkgirkasse med et stort girforhold. Huslagre til serielle trekkmotorer gir yash = 2150 rpm med akseptabel holdbarhet. Med et utvekslingsforhold і = 4,4 og en diameter på gjennomsnittlig slitt dekk £> av = 1200 mm, tilsvarer dette makshastigheten til det elektriske lokomotivet i km/t. På serielle elektriske lokomotiver med aksialstøttet oppheng av trekkmotorer, maks = 5.353 Ved V = 120 km/t og £>av = = 1200 mm får vi n max = 2800 rpm, men industrien produserer ikke lagre for slike. en rotasjonshastighet.

Tapene i omformeren avhenger også av antall poler til den asynkrone trekkmotoren. For å redusere hastighetsforholdskoeffisienten bør ki tas lik 2,5

I utgangspunktet avhenger opprettelsen av en høyeffekt asynkron drift i stor grad av suksesser innen en rekke områder innen elektronikk, maskinteknikk, teknologiutvikling, etc.

Siden 1982 begynte VElNII en ny fase i etableringen av elektriske lokomotiver med asynkrone motorer. I henhold til kravene fra Jernbanedepartementet er dette 12-akslede elektriske lokomotiver (VL86*-serien). NB-607-motorer ble utviklet og bygget for dem (fig. 107, a og b); deres drift er forenet med driften til elektriske lokomotiver VL80R og VL80S. Statoren 2 og rotorkjernen 3 er laget laminert. Statorpakken presses inn i den støpte rammen /. Statorvikling 4 er sløyfe, trefaset, sekspolet, festet i spordelen med magnetiske kiler. Rotorviklingen er kobber, stengene er forbundet med kobberringer og festet på spordelen med magnetkiler, og på viklingsdelen med glassbånd. En hastighetssensor er montert på rotorakselen.

Grunnleggende tekniske data for noen børsteløse trekkmotorer. I tabellen 4 viser hovedparametrene til trekkmotorene NB-601 og NB-607 til elektriske lokomotiver VL80 in og VL86 f og for sammenligning OD64604-motorene fra Air Force av det elektriske lokomotivet E120 (Tyskland) og BAZ10577/6-motorene fra AEG Electric lokomotiv 182001.

Permanent magnet synkronmotorer, som gir fordeler når det gjelder vekt, størrelse og energiforbruk, brukes i økende grad i trekkdrev, selv om de krever bruk av komplekse systemer kontroll og fortsatt har utilstrekkelig pålitelighet.

I løpet av de siste årene har det blitt mottatt mange forslag fra verdens ledende leverandører av rullende materiell angående bruk av synkrone trekkmotorer med permanent magnet (PMSM). Slike motorer har mindre dimensjoner og vekt sammenlignet med de trefasede asynkronmotorene som har dominert markedet så langt.

PMSM-er ble spesielt brukt på det elektriske AGV V150-toget bygget av Alstom, som satte verdenshastighetsrekord 3. april 2007 (fig. 1). De brukes på rullende materiell til forskjellige formål (tabell) - fra Citadis Dualis trikketog (fig. 2) til Twindexx to-etasjes intercity elektriske tog (fig. 3) for jernbaner Sveits (SBB).

Ris. 1. Høyhastighets elektrisk tog AGV V150 under rekordkjøring Ris. 2. Trikketog Citadis Dualis (foto: Alstom) Ris. 3. Twindexx elektrisk tog (kilde: Bombardier)

Det antas at jernbaneoperatører er konservative i bruken av ny teknologi. Samtidig er utviklere og produsenter av rullende materiell interessert i rask implementering av avanserte tekniske løsninger. Hvis bruken av nye utviklinger bidrar til en betydelig forbedring av ytelsesindikatorer, finner disse utviklingene raskt anvendelse, noe som bekreftes av erfaringen med å introdusere pulsomformere for å drive DC-trekkmotorer med serieeksitasjon, DC-trekkmotorer med uavhengig eksitasjon, synkronmotorer og trefase asynkronmotorer med ekorn-burrotor. Med utviklingen av teknologien har effektiviteten til trekkraften økt og kontrollen er forbedret, noe som har forbedret clutchytelsen og redusert energiforbruket.

PMSM-er og elektronisk kontrollutstyr for dem representerer mest moderne teknologi i området for trekkraften. Millioner av PMSM-er, på grunn av deres relativt lave vekt og gode kontrollerbarhet, brukes allerede i hybridbiler. Større motorer gir lignende muligheter for å forbedre effektiviteten til jernbanedrift. Denne teknologien implementeres på nytt rullende materiell for ulike formål. Det har imidlertid dukket opp flere betydelige problemer som krever løsninger.

På biler med motor intern forbrenning For å regulere hastigheten brukes vanligvis en kompleks mekanisk enhet - en girkasse, slik at motoren kan fungere i det optimale hastighetsområdet. Trekkmotorer for rullende jernbanemateriell må fungere effektivt over hele hastighetsområdet, og sikre overføring av dreiemoment til hjulene gjennom en ett-trinns girkasse eller direkte. Denne mekanisk enkle løsningen gir pålitelige drivsystemer som ikke krever komplekst vedlikehold.

Derfor er det første kravet ved utforming av trekkmotorer deres evne til å gi dreiemoment eller trekkraft over et bredt hastighetsområde (0 til 320 km/t).

Selvfølgelig er det viktig at trekkmotoren fungerer pålitelig. Samtidig, fra førerens og jernbaneselskapets synspunkt, i likt Det som betyr noe er presis og jevn dreiemomentkontroll over hele hastighetsområdet ved hjelp av trekkraftkontrollsystemet. Riktig dreiemomentkontroll sikrer optimal bruk av trekkraft mellom hjul og skinne, jevn akselerasjon, opprettholdelse av evnen konstant hastighet og muligheten for å bruke elektrisk bremsing.

Når hjulene samhandler med skinnene, omdannes trekkmotorens dreiemoment til en lineær trekkraft eller bremsekraft. I fig. Figur 4 viser en graf over trekkraftens avhengighet av hastighet, samt en kurve for motstand mot togbevegelse. Trekkkraftkurven skjærer bevegelsesmotstandskurven ved punktet for den såkalte jevne hastigheten, det vil si den maksimale teoretisk mulige hastigheten. Nær dette punktet er størrelsen på endringen i trekkraften, på grunn av hvilken akselerasjonen til toget skapes (indikert med en rød pil i fig. 4), liten. I fig. Figur 5 viser egenskapene til trekkraften og den nødvendige trekkraften (kraften er lik produktet av hastighet og trekkraft).

Trekkmotorer er vanligvis designet for en bestemt driftsmodus. Motoren må utvikle det nødvendige dreiemomentet ved null hastighet og holde det til det nominelle dreiemomentet i hele sone 1 av skyvekraftkurven. Over denne hastigheten utvikler trekkmotoren maksimal effekt. I sone 2 er trekkraften omvendt proporsjonal med hastigheten. I sone 3, på grunn av begrensninger i trekkmotorens egenskaper, er trekkkraften omvendt proporsjonal med kvadratet på hastigheten.

Ris. 4. Trekkytelse og motstand mot bevegelse
Ris. 5. Kraftegenskaper

Ved lav hastighet kan motormomentet teoretisk være større enn det som overføres av samspillet mellom hjul og skinne. Dette vil imidlertid føre til overbelastning av motoren og bør derfor unngås gjennom passende tiltak fra føreren eller det elektroniske kontrollsystemet.

Tidligere, for å kontrollere DC-trekkmotorer, ble spenningsregulering brukt ved å endre koblingsskjemaet fra seriell til parallell- og strømregulering ved å bruke start-bremsemotstander. På moderne rullende materiell, for å kontrollere både kommutator DC-motorer og synkrone og asynkrone AC-motorer, brukes elektroniske systemer for å kontrollere spenning eller både spenning og frekvens. De elektriske trekkraftsystemene som brukes i dag gjør det mulig å oppnå høykvalitetskontroll over hele hastighetsområdet på en relativt enkle algoritmer regulering.

Regulering av PMSM gjør det ganske enkelt å oppnå de nødvendige egenskapene i sonen med konstant dreiemoment, men for regulering i sonen med konstant effekt kreves det mer komplekse algoritmer.

AC- og DC-motorer, som PMSM-er, fungerer i hovedsak på det samme fysiske lover. Derfor er prinsippene for å administrere dem til en viss grad like. I elektriske maskiner av alle typer oppstår dreiemoment fra samspillet mellom to magnetiske felt. For at et dreiemoment skal vises, må det være en viss vinkel mellom intensitetsvektorene til disse magnetfeltene, ideelt sett lik 90 el. hagl De nevnte feltene kan skapes av strømmer som går gjennom motorviklingene, eller permanente magneter.

For tiden brukes trefasede asynkronmotorer hovedsakelig i trekkdrev. Det er imidlertid svært viktig å forstå arten og oppførselen til stator- og rotormagnetfeltene til andre typer elektriske maskiner.

I en tradisjonell likestrømsmotor er den nordlige og sørpolene Statorfeltene er alltid orientert i samme retning, mens anker (rotor) feltet er forskjøvet med 90 el. hagl på grunn av bruk av en samler. I en serieeksitert motor går den samme strømmen gjennom både statorviklingen og rotorviklingen, mens det i tilfelle av en uavhengig magnetiseringsmotor er mulig å uavhengig styre feltene til rotoren og statoren.

I en tradisjonell trefaset synkronmotor skapes rotorens magnetiske felt av strømmen som flyter gjennom viklingen, og feltets orientering bestemmes av fysisk stilling rotorviklinger. Statorfeltet skapes av strømmen som flyter gjennom viklingen og roterer med en hastighet som bestemmes av frekvensen til omformeren som statorviklingen mottar strøm fra. Vinkelen mellom stator- og rotorfeltene øker avhengig av dreiemomentet, og rotasjonshastighetene til rotor- og statorfeltene er de samme. Når vinkelen blir negativ, går motoren i bremsemodus.

I en trefaset asynkronmotor induserer statormagnetfeltet en strøm i rotorviklingen (fig. 6), som igjen genererer et magnetfelt. Sistnevnte, i samspill med statorfeltet, skaper trekkraft eller bremsemoment. I trekkraftmodus er rotorrotasjonsfrekvensen lavere enn statorfeltrotasjonsfrekvensen spesifisert av omformeren, og i bremsemodus er den høyere. Dreiemoment oppstår ikke hvis rotasjonshastighetene er like. Forholdet mellom rotorhastigheten og statorfeltet er preget av en verdi som kalles slip.

I en PMSM skapes rotorfeltet av magneter, som enten er fordelt over overflaten av rotoren eller plassert i sporene (fig. 7). I sistnevnte tilfelle gir større mekanisk styrke og lavere tap på virvelstrømmer i rotoren. Neodym-jern-borlegeringen (Nd2Fe14B) har blitt utbredt som materiale for permanente magneter på grunn av dens optimale magnetiske egenskaper. Statorens magnetfelt skapes ved hjelp av en trefaset flerpolet vikling plassert i sporene til den laminerte kjernen.

Ris. 6. Driftsprinsipp for en asynkronmotor med en ekorn-burrotor
Ris. 7. Driftsprinsipp for PMSM

I alle elektriske maskiner genererer et roterende magnetfelt en EMF som er motsatt i retning av forsyningsspenningen - den såkalte tilbake-EMK. Ved null rotasjonshastighet er den null, men med økningen øker den lineært. For å støtte konstant verdi dreiemoment i sone 1 (se fig. 4 og 5), bør forsyningsspenningen økes.

Dreiemomentet til en elektrisk maskin er produktet av magnetisk fluks og strøm. Krafthalvlederomformeren regulerer likestrøms- eller enfaseforsyningsspenningen slik at strømverdiene i motorviklingene er innenfor akseptable grenser. Mest moderne løsning er bruk av omformere basert på isolerte gate bipolare transistorer (IGBT) med pulsbreddemodulasjon.

I sone 1, hvor trekkraften er konstant, må spenningen (og i tilfelle av en asynkronmotor, frekvensen) øke proporsjonalt med motorturtallet, mens verdien av produktet av magnetisk fluks og strøm, dvs. dreiemoment , holdes konstant. Når den nominelle hastigheten overskrides, kan den påførte spenningen ikke økes på grunn av begrensninger i kraftomformerens parametere og motorisolasjon. Imidlertid fra synspunktet mekaniske egenskaper rotasjonshastigheten kan være høyere.

Overgangen til sone 2 utføres ved å svekke feltet, mens back-EMF reduseres eller (for PMSM) dens påvirkning motvirkes. I DC-motorer oppnås dette ved å redusere mengden strøm som flyter gjennom feltviklingen ved å koble en feltsvekkelsesmotstand parallelt med den i en tradisjonell synkronmotor, ved å redusere strømmen i rotorviklingen. I en asynkronmotor oppstår feltsvekkelse automatisk når frekvensen til statorviklingsstrømmen øker, mens forsyningsspenningen forblir uendret. I PMSM er det vanskeligere å implementere feltsvekking, siden rotorfeltet er skapt av permanente magneter.

I sone 3 reduseres fluks og strøm raskere enn i sonen med konstant effekt for å unngå å overskride motorens elektriske og mekaniske ytelsesgrenser. For eksempel, i en separat eksitert DC-motor, reduseres også ankerstrømmen avhengig av hastigheten.

Hovedårsaken til utvidelsen av bruken av PMSM-er i traksjonsdrev er deres betydelige fordeler sammenlignet med trefasede asynkrone motorer. Innenfor omtrent 80 % av driftsområdet er effektiviteten til PMSM 1-2 % høyere, og den spesifikke effekten er 30-35 % høyere, som et resultat av at dimensjonene og vekten til PMSM er med lik effekt. ca. 25 % mindre.

I en asynkronmotor varmes rotoren opp på grunn av tilstedeværelsen av glidende kraft. I PMSM er det praktisk talt fraværende, så det er ikke behov for rotorkjøling. PMSM-statoren er vanligvis fullstendig forseglet og væskekjølt, noe som bidrar til å forbedre motorens pålitelighet. I tillegg er det ved bruk av PMSM mulig å utføre elektrisk bremsing ved lave hastigheter, noe som gjør selvkontrollert bremsing fundamentalt mulig når statorviklingene er kortsluttet. Men å oppnå disse fordelene kommer ikke uten kompromisser. Syv hovedfaktorer er identifisert som hindrer spredningen av PMSM for elektriske trekkraftformål, selv om metoder for å løse disse problemene allerede er utviklet.

Størrelses- og kostnadsbegrensninger for fire-kvadrantomformeren og motoren hindrer dem i å bli brukt over hele hastighetsområdet ved ganske enkelt å opprettholde forsyningsspenningen like over bakre EMF slik at strømmen er tilstrekkelig til å oppnå det nødvendige dreiemomentet. Problemet kan løses ved feltsvekkelse, som skaper konstant dreiemoment og konstante kraftsoner. Siden det er vanskelig å kontrollere feltet som genereres av permanente magneter, oppnås feltsvekkelse ved å injisere strøm inn i statorviklingene. Dette skaper et felt med en styrkevektor rettet mot feltstyrkevektoren skapt av rotorens permanente magneter. I dette tilfellet oppstår tap i kobberet til statorviklingen, noe som til en viss grad reduserer den positive effekten oppnådd på grunn av de lave tapene ved bruk av en rotor med permanente magneter.

For å kontrollere strømmene som skaper feltsvekkelseseffekten, er det nødvendig å bestemme rotorens posisjon med en nøyaktighet på 1-2 el. hagl En firepolet motor krever en mekanisk oppløsning på minst 1,5 el. hagl Hvis sensorer brukes, krever de svært høy nøyaktighet og pålitelighet for å sikre riktig drift av kontrollsystemet. Kontroll er mulig uten bruk av sensorer, men dette kan redusere nøyaktigheten av kontrollen.

Magnetisk fluks avhenger av temperatur, med feltstyrken som avtar med omtrent 1 % for hver 10 K økning i rotortemperatur For PMSM-er som opererer i temperaturområdet 200 K (-40 til +160 °C), er dette betydelig. Derfor må det elektroniske kontrollsystemet overvåke driftstemperaturen og ta hensyn til den når styresignalet genereres.

Hver PMSM krever en individuell effekthalvlederregulator, som garanterer tilførsel av en kontrollpuls for å slå på strømkretsen strengt tatt på det nødvendige tidspunktet. Imidlertid bruker de i økende grad i moderne trekkdrev tilpassede systemer kontroll av hver motor. Dermed er dette problemet løst.

Ved betydelige strømmer og høye temperaturer Irreversibel avmagnetisering kan forekomme selv om rotortemperaturen ikke når Curie-punktet mellom 310 og 370 °C. Mer farlig er imidlertid en kortslutning i statorviklingen, som kan ødelegge motoren ettersom rotasjonsfeltet som genereres av permanentmagnetene fortsetter å indusere betydelige strømmer i statoren. Det er her demagnetisering kan være nyttig da det reduserer disse strømmene.

Et annet problem er at under tomgangsdrift (når toget løper ut), fortsetter den roterende permanentmagnetmotorrotoren å indusere strømmer i statorkjernen. De resulterende virvelstrømmene, sammen med hystereseeffekten, forårsaker tap i stål, noe som reduserer motorens effektivitet.

Sjeldne jordmetaller brukt i PMSM har gode magnetiske egenskaper, men er ganske følsomme for mekaniske og termiske effekter. Rotordesignen til PMSM-er er mer kompleks enn for asynkronmotorer. PMSM-kontrollkretsen er også mer kompleks på grunn av tilstedeværelsen av flere kretser tilbakemelding og behovet for signalkonvertering.

Det er ganske mange bruksområder hvor fordelene med PMSM-er absolutt oppveier ulempene, og dette gjør dem attraktive for utviklere av trekkraft. Mindre størrelser og vekt har spesiell betydning når plassen er begrenset - for eksempel hvis det er nødvendig å plassere motoren på akselen til et hjulsett uten girkasse.

Høyere effektivitet og lavere tap i rotoren gir betydelige fordeler med PMSM når det gjelder å forbedre driftsegenskapene til rullende materiell og redusere energiforbruket (fig. 8). Dette kan spesielt sees i eksemplet med Alstom V150 elektriske tog. Induksjonsmotorer er montert på boggier som er plassert under karosseriet til biler, mens PMSM-er kan plasseres på boggier under artikulasjonsenhetene, noe som reduserer kompleksiteten og vekten til trekkdrevet.

Ris. 8. Elektromekaniske egenskaper og effektivitet av PMSM

PMSM-er kan i fremtiden bli mye mer utbredt i traksjonsdrift (tabell), akkurat som trefasede asynkrone traksjonsmotorer, som erstattet likestrømsmotorer, fikk popularitet på midten av 1980-tallet.

Eksempler på bruk av trekkraft-PMSM

Operatør, land	Rullende materiell	Produsent
NTV (Italia)	25 høyhastighetstog AGV	Alstom
SBB (Sveits)	59 Twindexx toetasjes elektriske tog	Bombardier
SNCF (Frankrike)	31 trikketog Citadis Dualis	Alstom
SNCF (Frankrike)	Regiolis elektriske tog (rammekontrakt)	Alstom
SNCF (Frankrike)	Elektriske tog Omneo (rammekontrakt)	Bombardier
Praha, Tsjekkia)	Lavt gulv trikkebiler type 15T	Skoda
Tokyo Metropolitan (Japan)	Elektriske tog serie 16000	Kawasaki
JR East (Japan)	E331-serien pendeltog for Tokyo	Toshiba
Prototyper
Metropolitan München (Tyskland)	Elektrisk tog type C19 med Syntegra boggier	Siemens
Kina	Prototype brenselcelle lokomotiv	CNR Yongji
Sverige	Elektrisk tog Grona Taget	Bombardier
Tyrkiye	Lavetasjes trikk Citadis X04	Alstom
Japan	Tog med variabel sporvidde	RTRI

Railways of the World - 2011

Børsteløse trekkmotorer

For ca. 8-10 år siden ble massen til toget (vektstandard) begrenset av adhesjonsforhold, dvs. den oppnådde verdien av designadhesjonskoeffisienten. Derfor ble ikke spørsmålet om å øke trekkraften betydelig, og derfor kraften til trekkraftmotorene til elektriske lokomotiver, reist så raskt. Forskning og eksperimentell drift av en rekke nye apparater har vist at det er store muligheter for å øke den beregnede adhesjonskoeffisienten. Dette kan oppnås ved å bruke uavhengig eksitasjon, samt ved å automatisk utjevne belastningene til trekkmotorene. Andre muligheter for å øke adhesjonskoeffisienten vil bli diskutert nedenfor.

Men en ytterligere økning i kraften til elektriske lokomotiv-trekkmotorer, nødvendig for å oppnå en høyere design adhesjonskoeffisient, blir stadig vanskeligere å implementere. Dette forhindres først av alt av dimensjonene til trekkmotoren: lengden er begrenset av avstanden mellom hjulparenes dekk, diameteren begrenses av avstanden mellom hjulparets akse og motorakselen - det sentrale senteret (se fig. 3). Inntil nå, i nærvær av strenge generelle begrensninger på størrelsen på motorer, ble kraften deres økt ved å bruke mer varmebestandige isolasjonsmaterialer, øke kjølingen, øke antall polpar, installere en kompensasjonsvikling og velge optimal spenning for trekkmotorer for AC-elektriske lokomotiver.

Etter hvert som kraften øker, jobber kommutator-børsteenheten hardere og hardere. Tilstanden bestemmer i stor grad varigheten av driften av det elektriske lokomotivet mellom inspeksjoner og reparasjoner. Å øke kraften til trekkmotorer møter flere og flere hindringer og bidrar ikke til å øke deres pålitelighet og effektivitet. Derfor er ønsket om å lage en kraftig børsteløs trekkmotor ganske forståelig.

Elektriske lokomotiver med asynkrone trekkmotorer. Gjennom historien til opprettelsen og forbedringen av elektriske lokomotiver, har det vært mange forsøk på å bruke den enkleste og billigste asynkronmotoren til trekkraftformål. Inntil nylig kunne dette ikke gjøres, siden rotasjonsfrekvensen kan justeres økonomisk bare ved å endre frekvensen til forsyningsstrømmen. De elektriske maskinomformere som tidligere ble brukt til dette var tunge. Fremkomsten av tyristorer åpnet veien for etableringen av en lett og pålitelig frekvensomformer.

Utformingen av en asynkron motor, som allerede nevnt, er enkel. Den har en stasjonær stator og en roterende rotor (fig. 75). Det er asynkrone motorer: med en ekornburrotor og med en faserotor. Asynkronmotorer med ekorn-burrotor brukes som trekkmotorer. Kjernen til en slik rotor, som statoren, er satt sammen av plater av elektrisk stål. Rotorviklingen består av kobberstenger plassert i sporene i kjernen og lukket i endene med ringer. Viklingen uten rotorkjerne er et såkalt "ekornhjul".

Tre viklinger er plassert i statorspaltene, forskjøvet den ene i forhold til den andre med 120°. Disse viklingene er vanligvis forbundet i en stjerne. Når viklingene er koblet til en trefasekrets, går en vekselstrøm gjennom hver av dem og tre vekslende magnetiske flukser dannes. Disse strømmene, til sammen, danner en resulterende strøm som roterer med en frekvens på 3000 rpm med ett par poler per fase. Den roterende magnetiske fluksen til motorstatoren, som krysser rotorviklingen, induserer f.eks. d.s. Under påvirkning av f.eks. d.s. En strøm går gjennom rotorviklingen og skaper sin egen magnetiske fluks. De magnetiske fluksene til statoren og rotoren samhandler, og får rotoren til å rotere.

Rotorrotasjonsfrekvensen er litt mindre enn statorens magnetiske fluksrotasjonsfrekvens, ellers strømledninger ville ikke krysse rotorviklingen. Forskjellen mellom disse rotasjonsfrekvensene kalles slip. Ved å øke antall polpar kan du oppnå andre magnetiske fluksrotasjonsfrekvenser: 1500, 1000, 750 rpm osv. Rotorens rotasjonsfrekvens vil være litt mindre enn disse verdiene.

Vanligvis er slip 1-3% av synkron frekvens. Følgelig, hvis du endrer frekvensen til forsyningsspenningen innenfor et bredt område og dermed den synkrone frekvensen, vil rotorhastigheten endres sammen med den. Men, i tillegg til frekvensen, er det også nødvendig å regulere spenningen som tilføres asynkronmotoren for å oppnå en trekkkarakteristikk tilnærmet den samme som ved bruk av DC-motorer med serieeksitasjon.

Spenningsregulering utføres, som på husholdnings AC elektriske lokomotiver, ved å bytte sekundærviklingen til trekktransformatoren ved hjelp av hovedkontrolleren (fig. 76) i trinn. Deretter, i likeretterenhet B, likerettes spenningen og tilføres vekselretter I. I likeretteren reguleres spenningen som tilføres vekselretter I kontinuerlig.

Ved å låse opp og låse tyristorene til inverterinstallasjonen i en viss rekkefølge, oppnås en trefasespenning, som tilføres statorviklingen til induksjonsmotoren. La oss huske at konvensjonelle asynkronmotorer leveres med en vekselstrømsspenning, og derfor en strøm som varierer sinusformet. I dette tilfellet blir hver fase forskjøvet i forhold til den andre med 120°, som vist i fig. 77. For klarhets skyld er endringen i spenning for hver fase vist på separate akser. Ved generering av trefasespenning på et elektrisk lokomotiv med asynkronmotorer skaper omskiftbare omformerventiler en trinnformet spenning i hver fase.

Frekvensen til spenningen som tilføres asynkronmotoren styres ved å endre koblingsfrekvensen til disse ventilene.

Omformeren er utstyrt med en spesiell enhet som pålitelig gjenoppretter kontrollegenskapene til tyristorene i tilfelle en inversjonsfeil. Reversering av trekkmotorene utføres ved å bytte kontrollkretsene til invertertyristorene, siden for å endre rotasjonsretningen til en asynkronmotor er det nok å bytte to tilførte faser.

Basert på utviklingen av vitenskapelig forskning og utdanningsinstitusjoner Et AC elektrisk lokomotiv med VL80 a asynkrone trekkraftmotorer ble bygget ved Novocherkassk Electric Locomotive Plant. Det elektriske lokomotivet ble laget på grunnlag av det åtte-akslede elektriske lokomotivet VL80 K. Effekten til hver trekkmotor er 1200 kW, det vil si 1,5 ganger mer enn kommutatormotoren til det elektriske lokomotivet VL80 K.

Muligheten for å lage et trekkdrev med en asynkronmotor uten girkasse er ikke utelukket. I dette tilfellet er rotoren til den asynkrone motoren montert direkte på hjulsettets akse, og statoren har en delt form.

Elektriske lokomotiver med ventilsynkronmotorer. Som børsteløse trekkmotorer på et elektrisk lokomotiv kan du bruke synkronmotorer med statiske (ventil) omformere - de såkalte ventilmotorene.

La oss forklare prinsippet for drift av en ventilmotor. En trefasevikling er plassert på statoren, og en likestrømseksitasjonsvikling er plassert på rotoren (fig. 78). Begynnelsen og slutten av feltviklingen er koblet til to ringer, elektrisk isolert fra hverandre. Faseviklingene til statoren er koblet i en stjerne; I begynnelsen er de koblet til en omformer - en omformer OG (eller en likestrømskilde). Inverter I drives av likeretterenhet B koblet til sekundærviklingen til trekktransformatoren. Hvis for eksempel tyristor A1 og X2 på omformeren på et hvilket som helst tidspunkt er åpne, vil strømmen fra likeretter B gå gjennom tyristor A1, statorviklinger I og II, tyristor X2, eksitasjonsvikling OB og gå tilbake til likeretterinstallasjonen . Med retningen til strømmen i viklingene I, II og eksitasjonsviklingen indikert med pilene, vil den resulterende magnetiske fluksen til statoren, som samhandler med fluksen til eksitasjonsviklingen, skape et dreiemoment og rotoren vil rotere med klokken. Ved å bytte ledningene til statorviklingen i en viss rekkefølge, er det mulig å sikre kontinuerlig rotasjon av rotoren.

Således, i henhold til operasjonsprinsippet, ligner ventilmotoren en DC-maskin, hvor kollektoren erstattes av et system med effektstyrte ventiler til inverterinstallasjonen. Men i motsetning til en DC-motor, har en børsteløs motor bare tre svitsjede terminaler med en trefaset vikling i stedet for flere hundre kommutatorplater. I tillegg ble eksitasjonsviklingen i ventilmotoren bevegelig, og ankeret ble stasjonært. Ventilbytte av strøm i viklingene tillater en betydelig spenning mellom terminalene: opptil flere tusen volt. La oss huske at en konvensjonell mekanisk kommutator fungerer tilfredsstillende ved en spenning mellom kommutatorplatene på ikke mer enn 30-32 V. Bytting av ledningene til statorviklingen i ønsket rekkefølge og følgelig endring av rotorens posisjon utføres av et kontrollsystem som har en spesiell rotorposisjonssensor.

Ventilmotoren er en flerfasemaskin, hvis armaturvikling drives av en omformer kontrollert synkront med rotasjonen av rotoren, utstyrt med en eksitasjonsvikling. Dermed består en ventilmotor av en elektrisk maskin, en ventilomformer og et kontrollsystem som forbinder dem.

Novocherkassk Electric Locomotive Plant bygde opprinnelig en prototype av et åtteakslet elektrisk godslokomotiv VL80 V med trekkmotorer av ventiltype. Etter å ha testet den ble det produsert et lite parti med lignende elektriske lokomotiver for driftstesting. Elektriske lokomotiver er utstyrt med et automatisk kontrollsystem som fungerer i trekkraft og elektrisk bremsemodus. Det elektriske lokomotivet bruker uavhengig eksitering av ventilmotorer fra magnetiseringslikerettere som endrer magnetiseringsstrømmen i forhold til motorens ankerviklingsstrøm. Motorrotoren har seks poler, strøm tilføres feltet vikling gjennom to ringer og børster. Motorturtallet styres ved å endre den tilførte spenningen. Spenningen til sekundærviklingen, og dermed likeretterinstallasjonen, reguleres omtrent på samme måte som på AC-elektriske lokomotiver med kommutatormotorer. Bare motkoblingen av de regulerte og uregulerte viklingene til transformatoren elimineres, og spenningen deres økes litt. Etter at merkespenningen er påført motorene, oppnås en ytterligere økning i hastighet ved å regulere den magnetiske eksitasjonsfluksen.

De elektriske lokomotivene VL80V bruker en strømrettings- og konverteringskrets som er litt forskjellig fra den som er vist i fig. 78. I fig. 78 viser separate likeretter B og omformer OG-installasjoner, dvs. den såkalte kretsen med en eksplisitt DC-kobling er vist. På det elektriske lokomotivet VL80 V er disse to enhetene kombinert i en felles enhet.