Тяговый двигатель — это электродвигатель, используемый для приведения в движение транспортного средства, например, локомотивов , электромобилей или водородных транспортных средств , а также электропоездов .
Тяговые двигатели используются в электроприводных железнодорожных транспортных средствах ( электропоездах ) и других электрических транспортных средствах, включая электрические молоковозы , троллейбусы , лифты , американские горки и конвейерные системы , а также в транспортных средствах с электрическими системами трансмиссии ( дизель-электрические локомотивы , электрические гибридные транспортные средства ) и аккумуляторных электромобилях .
Двигатели постоянного тока с последовательными обмотками возбуждения являются старейшим типом тяговых двигателей. Они обеспечивают характеристику скорости-крутящего момента, полезную для движения, обеспечивая высокий крутящий момент на более низких скоростях для ускорения транспортного средства и уменьшающийся крутящий момент по мере увеличения скорости. Расположив обмотку возбуждения с несколькими отводами, можно изменять характеристику скорости, что позволяет оператору относительно плавно управлять ускорением. Еще одна мера управления обеспечивается использованием пар двигателей на транспортном средстве в последовательно-параллельном управлении ; для медленной работы или больших нагрузок два двигателя могут работать последовательно от источника постоянного тока. Если требуется более высокая скорость, эти двигатели могут работать параллельно, обеспечивая более высокое напряжение на каждом двигателе и, таким образом, позволяя развивать более высокие скорости. Части железнодорожной системы могут использовать разные напряжения, с более высокими напряжениями на длинных участках между станциями и более низкими напряжениями вблизи станций, где требуется только более медленная работа.
Вариантом системы постоянного тока является двигатель переменного тока, также известный как универсальный двигатель , который по сути является тем же устройством, но работает на переменном токе . Поскольку и ток якоря, и ток возбуждения меняют направление одновременно, поведение двигателя аналогично поведению при питании постоянным током. Для достижения лучших условий эксплуатации железные дороги переменного тока часто снабжаются током с более низкой частотой , чем коммерческий источник, используемый для общего освещения и питания; используются специальные электростанции тягового тока или вращающиеся преобразователи, используемые для преобразования коммерческой мощности 50 или 60 Гц в 25 Гц или 16+Частота 2 ⁄ 3 Гц используется для тяговых двигателей переменного тока. Поскольку она допускает простое использование трансформаторов , система переменного тока позволяет эффективно распределять мощность по всей длине рельсовой линии, а также позволяет контролировать скорость с помощью распределительного устройства на транспортном средстве.
Асинхронные двигатели переменного тока и синхронные двигатели просты и не требуют особого обслуживания, но до появления силовых полупроводников их было неудобно применять в качестве тяговых двигателей из-за их фиксированной скоростной характеристики. Асинхронный двигатель переменного тока вырабатывает полезные количества энергии только в узком диапазоне скоростей, определяемом его конструкцией и частотой источника переменного тока. Появление силовых полупроводников сделало возможным установку частотно-регулируемого привода на локомотиве; это обеспечивает широкий диапазон скоростей, передачу переменного тока и использование прочных асинхронных двигателей, которые не имеют изнашиваемых деталей, таких как щетки и коммутаторы. [1]
Традиционно дорожные транспортные средства (автомобили, автобусы и грузовики) использовали дизельные и бензиновые двигатели с механической или гидравлической системой трансмиссии. Во второй половине 20-го века начали разрабатываться транспортные средства с электрическими системами трансмиссии (питаемые двигателями внутреннего сгорания , батареями или топливными элементами ) — одним из преимуществ использования электрических машин является то, что определенные типы могут регенерировать энергию (т. е. действовать как рекуперативный тормоз ) — обеспечивая замедление, а также повышая общую эффективность за счет зарядки аккумуляторной батареи.
Традиционно это были последовательно возбужденные щеточные двигатели постоянного тока , обычно работающие на напряжении около 600 вольт. Доступность мощных полупроводников ( тиристоров и IGBT ) теперь сделала практичным использование гораздо более простых, более надежных индукционных двигателей переменного тока , известных как асинхронные тяговые двигатели. Синхронные двигатели переменного тока также иногда используются, как во французских TGV .
До середины 20-го века один большой двигатель часто использовался для приведения в движение нескольких ведущих колес через шатуны , которые были очень похожи на те, которые использовались в паровозах . Примерами являются Пенсильванская железная дорога DD1 , FF1 и L5 и различные Swiss Crocodiles . В настоящее время стандартной практикой является предоставление одного тягового двигателя, приводящего в движение каждую ось через зубчатую передачу.
Обычно тяговый двигатель подвешивается в трех точках между рамой тележки и ведомой осью; это называется «тяговый двигатель с носовой подвеской». Проблема с такой компоновкой заключается в том, что часть веса двигателя не подрессорена , что увеличивает нежелательные силы на пути. В случае знаменитой Пенсильванской железной дороги GG1 два установленных на раме двигателя приводили в движение каждую ось через привод иглы . « Биполярные » электровозы, построенные General Electric для Милуоки-роуд, имели двигатели с прямым приводом. Вращающийся вал двигателя также был осью для колес. В случае французских силовых вагонов TGV двигатель, установленный на раме силового вагона, приводит в движение каждую ось; привод «тренога» обеспечивает небольшую гибкость в трансмиссии, позволяя тележкам тележки поворачиваться. Монтаж относительно тяжелого тягового двигателя непосредственно на раму силового вагона, а не на тележку, позволяет добиться лучшей динамики, что обеспечивает лучшую работу на высокой скорости. [2]
Двигатель постоянного тока был основой электротяговых приводов на электрических и дизель-электрических локомотивах, трамваях и дизель-электрических буровых установках в течение многих лет. Он состоит из двух частей: вращающегося якоря и неподвижных обмоток возбуждения, окружающих вращающийся якорь, установленный вокруг вала. Неподвижные обмотки возбуждения состоят из плотно намотанных катушек провода, установленных внутри корпуса двигателя. Якорь представляет собой еще один набор катушек, намотанных вокруг центрального вала, и соединен с обмотками возбуждения через «щетки», которые представляют собой подпружиненные контакты, прижимающиеся к удлинителю якоря, называемому коммутатором . Коммутатор собирает все окончания катушек якоря и распределяет их по круговой схеме, обеспечивая правильную последовательность протекания тока. Когда якорь и обмотки возбуждения соединены последовательно, весь двигатель называется «последовательно-обмотанный». Последовательно-обмотанный двигатель постоянного тока имеет низкое сопротивление цепи поля и якоря. По этой причине, когда на него подается напряжение, ток высок из-за закона Ома . Преимущество высокого тока в том, что магнитные поля внутри двигателя сильные, что создает высокий крутящий момент (силу вращения), поэтому он идеально подходит для запуска поезда. Недостатком является то, что ток, поступающий в двигатель, должен быть ограничен, в противном случае может возникнуть перегрузка источника питания или повреждение двигателя и его кабелей. В лучшем случае крутящий момент превысит сцепление, и ведущие колеса начнут проскальзывать. Традиционно для ограничения начального тока использовались резисторы .
Когда двигатель постоянного тока начинает вращаться, взаимодействие магнитных полей внутри заставляет его генерировать напряжение внутри. Эта противоэлектродвижущая сила (CEMF) противодействует приложенному напряжению, а ток, который течет, регулируется разницей между ними. По мере того, как двигатель ускоряется, внутреннее генерируемое напряжение растет, результирующая ЭДС падает, через двигатель проходит меньше тока, и крутящий момент падает. Двигатель естественным образом прекращает ускоряться, когда сопротивление поезда соответствует крутящему моменту, создаваемому двигателями. Чтобы продолжить ускорение поезда, последовательные резисторы отключаются шаг за шагом, каждый шаг увеличивает эффективное напряжение и, следовательно, ток и крутящий момент на некоторое время дольше, пока двигатель не догонит. Это можно услышать и почувствовать в старых поездах постоянного тока как серию лязгов под полом, каждый из которых сопровождается рывком ускорения, поскольку крутящий момент внезапно увеличивается в ответ на новый всплеск тока. Когда в цепи не остается резисторов, полное линейное напряжение подается непосредственно на двигатель. Скорость поезда остается постоянной в точке, где крутящий момент двигателя, регулируемый эффективным напряжением, равен сопротивлению — иногда это называют скоростью балансировки. Если поезд начинает подниматься по склону, скорость уменьшается, поскольку сопротивление больше крутящего момента, и снижение скорости приводит к падению CEMF и, таким образом, к росту эффективного напряжения — до тех пор, пока ток через двигатель не создаст достаточный крутящий момент, чтобы соответствовать новому сопротивлению. Использование последовательного сопротивления было расточительным, поскольку много энергии терялось в виде тепла. Чтобы уменьшить эти потери, электровозы и поезда (до появления силовой электроники ) обычно также были оборудованы для последовательно-параллельного управления .
Локомотивы, работающие от источников переменного тока (используя универсальные двигатели в качестве тяговых двигателей), также могли использовать переключатели ответвлений на своих трансформаторах для изменения напряжения, подаваемого на тяговые двигатели, без потерь, присущих резисторам. Класс GG1 железной дороги Пенсильвании был примером такого локомотива.
Если поезд начинает спускаться под уклон, скорость увеличивается, поскольку (уменьшенное) сопротивление меньше крутящего момента. С увеличением скорости внутреннее напряжение противо-ЭДС возрастает, уменьшая крутящий момент до тех пор, пока крутящий момент снова не уравновесит сопротивление. Поскольку ток поля уменьшается противо-ЭДС в последовательном двигателе, нет скорости, при которой противо-ЭДС превысит напряжение питания, и поэтому один тяговый двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением сам по себе не может обеспечить динамическое или рекуперативное торможение.
Однако существуют различные схемы, применяемые для обеспечения силы торможения с использованием тяговых двигателей. Вырабатываемая энергия может быть возвращена в источник (рекуперативное торможение) или рассеиваться бортовыми резисторами (динамическое торможение). Такая система может довести груз до низкой скорости, требуя относительно небольшого фрикционного торможения для полной остановки груза.
На электропоезде машинист или локомотивщик изначально должен был контролировать отключение сопротивления вручную, но к 1914 году использовалось автоматическое ускорение. Это достигалось с помощью ускоряющего реле (часто называемого «реле-отсекателем») в цепи двигателя, которое отслеживало падение тока при отключении каждой ступени сопротивления. Все, что нужно было сделать машинисту, это выбрать низкую, среднюю или полную скорость (называемые «последовательной», «параллельной» и «шунтовой» из-за способа соединения двигателей в цепи сопротивления), а автоматическое оборудование делало все остальное.
Электровозы обычно имеют непрерывный и часовой номинал. Часовой номинал — это максимальная мощность, которую двигатели могут непрерывно развивать в течение одного часа без перегрева. Такое испытание начинается с двигателей при температуре +25 °C (и наружного воздуха, используемого для вентиляции, также при +25 °C). В СССР по ГОСТ 2582-72 с изоляцией класса N максимально допустимые температуры для двигателей постоянного тока составляли 160 °C для якоря, 180 °C для статора и 105 °C для коллектора. [3] Часовой номинал обычно примерно на 10% выше непрерывного номинала и ограничивается повышением температуры в двигателе.
Поскольку тяговые двигатели используют редукторную установку для передачи крутящего момента от якоря двигателя к ведомой оси, фактическая нагрузка, приложенная к двигателю, меняется в зависимости от передаточного числа. В противном случае «идентичные» тяговые двигатели могут иметь существенно различную номинальную нагрузку. Тяговый двигатель, предназначенный для грузовых перевозок с низким передаточным числом, будет безопасно производить более высокий крутящий момент на колесах в течение более длительного периода при том же уровне тока, поскольку более низкие передачи дают двигателю большее механическое преимущество.
В дизель-электрических и газотурбинных электровозах номинальная мощность тяговых двигателей обычно составляет около 81% от мощности первичного двигателя . Это предполагает, что электрический генератор преобразует 90% выходной мощности двигателя в электрическую энергию, а тяговые двигатели преобразуют 90% этой электрической энергии обратно в механическую энергию. [ необходима цитата ] Расчет: 0,9 × 0,9 = 0,81
Мощность отдельных тяговых двигателей обычно достигает 1600 кВт (2100 л.с.).
Другим важным фактором при проектировании или спецификации тяговых двигателей является рабочая скорость. Якорь двигателя имеет максимальную безопасную скорость вращения, при которой или ниже которой обмотки будут оставаться на месте.
Выше этой максимальной скорости центробежная сила на якоре приведет к выбросу обмоток наружу. В тяжелых случаях это может привести к «птичьему гнезду», когда обмотки соприкасаются с корпусом двигателя и в конечном итоге полностью отрываются от якоря и разматываются.
Гнездование птиц (центробежный выброс обмоток якоря) из-за превышения скорости может произойти как в работающих тяговых двигателях локомотивов с приводом, так и в тяговых двигателях локомотивов с мертвым составом, перевозимых в составе поезда, движущегося слишком быстро. Другой причиной является замена изношенных или поврежденных тяговых двигателей на агрегаты, неправильно подобранные для данного применения.
Повреждения от перегрузки и перегрева также могут привести к образованию гнезд птиц при скоростях ниже номинальных, если узел якоря, а также опоры и фиксаторы обмотки были повреждены в результате предыдущего неправильного использования.
Из-за высокой мощности тяговые двигатели почти всегда охлаждаются при помощи принудительного воздуха, воды или специальной диэлектрической жидкости .
Типичные системы охлаждения на американских дизель-электрических локомотивах состоят из вентилятора с электроприводом, нагнетающего воздух в канал, встроенный в раму локомотива. Резиновые охлаждающие каналы соединяют канал с отдельными тяговыми двигателями, а охлаждающий воздух проходит вниз и через арматуру, прежде чем выбрасывается в атмосферу.
