Тяговый двигатель — это электродвигатель , используемый для приведения в движение транспортных средств, таких как локомотивы , электрические или водородные транспортные средства или электропоезда .
Тяговые двигатели применяются в электропоездах ( электровозах ) и других электротранспортах , в том числе в электромолоковозах , троллейбусах , лифтах , американских горках и конвейерных системах , а также в транспортных средствах с системами электрической передачи ( дизель-электровозы , электрогибриды ) . транспортные средства ) и аккумуляторные электромобили .
Двигатели постоянного тока с последовательными обмотками возбуждения являются старейшим типом тяговых двигателей. Они обеспечивают характеристику «скорость-крутящий момент», полезную для движения, обеспечивая высокий крутящий момент на более низких скоростях для ускорения транспортного средства и снижая крутящий момент по мере увеличения скорости. Путем расположения обмотки возбуждения с несколькими отводами можно изменять скоростную характеристику, обеспечивая относительно плавное управление оператором ускорением. Дополнительная мера управления обеспечивается использованием пар двигателей на транспортном средстве с последовательно-параллельным управлением ; для медленной работы или больших нагрузок можно последовательно подключить два двигателя к источнику постоянного тока. Если требуется более высокая скорость, эти двигатели могут работать параллельно, обеспечивая более высокое напряжение на каждом двигателе и, таким образом, обеспечивая более высокие скорости. В некоторых частях железнодорожной системы может использоваться разное напряжение: более высокое напряжение на длинных маршрутах между станциями и более низкое напряжение возле станций, где требуется только более медленная работа.
Вариантом системы постоянного тока является двигатель переменного тока, также известный как универсальный двигатель , который по сути представляет собой то же устройство, но работает на переменном токе . Поскольку и ток якоря, и ток возбуждения меняются одновременно, поведение двигателя аналогично поведению при питании постоянным током. Для достижения лучших условий эксплуатации на железные дороги переменного тока часто подается ток более низкой частоты, чем на коммерческие сети, используемые для общего освещения и электроснабжения; используются специальные электростанции тягового тока или вращающиеся преобразователи, используемые для преобразования коммерческой электроэнергии частотой 50 или 60 Гц в мощность 25 Гц или 16 Гц.+Частота 2 ⁄ Гц используется для тяговых двигателей переменного тока. Поскольку система переменного тока допускает простое использование трансформаторов , она позволяет эффективно распределять мощность по длине железнодорожной 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 вплоть до появления силовых полупроводников их было неудобно использовать в качестве тяговых двигателей из-за их фиксированной характеристики скорости. Асинхронный двигатель переменного тока генерирует полезное количество энергии только в узком диапазоне скоростей, определяемом его конструкцией и частотой источника питания переменного тока. Появление силовых полупроводников позволило установить на локомотив преобразователь частоты ; это обеспечивает широкий диапазон скоростей, передачу мощности переменного тока и использование надежных асинхронных двигателей, не имеющих изнашиваемых деталей, таких как щетки и коммутаторы. [1]
Традиционно в дорожных транспортных средствах (легковые автомобили, автобусы и грузовики) используются дизельные и бензиновые двигатели с механической или гидравлической трансмиссией. Во второй половине 20-го века начали разрабатываться транспортные средства с системами электрической передачи (приводимыми в действие 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 ) — обеспечивает замедление, а также повышает общую эффективность за счет зарядки аккумуляторной батареи.
Традиционно это были коллекторные двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой , обычно работающие при напряжении около 600 В. Доступность мощных полупроводников ( тиристоров и IGBT ) теперь сделала практичным использование гораздо более простых и более надежных асинхронных двигателей переменного тока, известных как асинхронные тяговые двигатели. Иногда также используются синхронные двигатели переменного тока , как, например, во французском 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 используются на паровозах . Примерами являются Пенсильванская железная дорога DD1 , FF1 и L5 и различные швейцарские крокодилы . В настоящее время стандартной практикой является использование одного тягового двигателя, приводящего в движение каждую ось посредством зубчатой передачи.
Обычно тяговый двигатель подвешивается в трех точках между рамой тележки и ведомой осью; это называется «тяговым двигателем с носовой подвеской». Проблема с такой компоновкой заключается в том, что часть веса двигателя не подрессорена , что увеличивает нежелательные силы на гусенице. В случае со знаменитой Пенсильванской железной дорогой GG1 два двигателя, установленных на раме, приводили в движение каждую ось посредством пиноли . « Биполярные » электровозы, построенные General Electric для Милуоки-роуд, имели двигатели с прямым приводом. Вращающийся вал двигателя был также осью для колес. В случае французских силовых автомобилей TGV двигатель, установленный на раме силового автомобиля, приводит в движение каждую ось; Привод «треножника» обеспечивает небольшую гибкость трансмиссии, позволяя тележкам грузовиков поворачиваться. За счет установки относительно тяжелого тягового двигателя непосредственно на раму силового вагона, а не на тележку, достигается лучшая динамика, позволяющая улучшить работу на высоких скоростях. [2]
Двигатель постоянного тока на протяжении многих лет был основой электротяговых приводов электрических и дизель-электрических локомотивов, трамваев и дизель-электрических буровых установок. Он состоит из двух частей: вращающегося якоря и фиксированных обмоток возбуждения, окружающих вращающийся якорь, установленный вокруг вала. Неподвижные обмотки возбуждения состоят из плотно намотанных катушек с проводом, установленных внутри корпуса двигателя. Якорь представляет собой еще один набор катушек, намотанных вокруг центрального вала и соединенных с обмотками возбуждения через «щетки», которые представляют собой подпружиненные контакты, прижимающиеся к удлинителю якоря, называемому коммутатором . Коммутатор собирает все выводы катушек якоря и распределяет их по кругу, чтобы обеспечить правильную последовательность протекания тока. Когда якорь и обмотки возбуждения соединены последовательно, весь двигатель называется «последовательным». Двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой имеет низкое сопротивление поля и цепи якоря. По этой причине при подаче на него напряжения ток велик по закону Ома . Преимущество сильного тока заключается в том, что магнитные поля внутри двигателя сильны, создавая высокий крутящий момент (силу поворота), поэтому он идеально подходит для запуска поезда. Недостаток заключается в том, что ток, протекающий 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 буксуют. Традиционно резисторы использовались для ограничения начального тока.
Когда двигатель постоянного тока начинает вращаться, взаимодействие внутренних магнитных полей заставляет его генерировать внутреннее напряжение . Эта противоэлектродвижущая сила (CEMF) противодействует приложенному напряжению, а протекающий ток определяется разницей между ними. По мере увеличения скорости двигателя внутреннее генерируемое напряжение возрастает, результирующая ЭДС падает, через двигатель проходит меньший ток и крутящий момент падает. Двигатель естественным образом прекращает ускорение, 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 немного дольше, пока двигатель не догонит. В старых поездах постоянного тока это можно услышать и почувствовать как серию лязгов под полом, каждый из которых сопровождается рывком ускорения, когда крутящий момент внезапно увеличивается в ответ на новый всплеск тока. Когда в цепи не осталось резисторов, полное линейное напряжение подается непосредственно на двигатель. Скорость поезда остается постоянной в точке, где крутящий момент двигателя, управляемый действующим напряжением, равен лобовому сопротивлению - иногда это называется скоростью балансировки. Если поезд начинает подниматься на уклон, скорость уменьшается, поскольку сопротивление превышает крутящий момент, а снижение скорости приводит к падению CEMF и, следовательно, к увеличению 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 оборудовались также для последовательно-параллельного управления .
Локомотивы, работающие от источников переменного тока (с использованием универсальных двигателей в качестве тяговых двигателей), также могут использовать переключатели ответвлений на своих трансформаторах для изменения напряжения, подаваемого на тяговые двигатели, без потерь, присущих резисторам. Класс GG1 Пенсильванской железной дороги был примером такого локомотива.
Если поезд начинает спускаться на уклон, скорость увеличивается, поскольку (уменьшенное) сопротивление меньше крутящего момента. С увеличением скорости генерируемое внутри напряжение обратной ЭДС возрастает, уменьшая крутящий момент до тех пор, пока крутящий момент снова не уравновесит сопротивление. Поскольку ток возбуждения уменьшается под действием противо-ЭДС в двигателе с последовательной обмоткой, не существует скорости, при которой противо-ЭДС превысит напряжение питания, и поэтому один только тяговый двигатель постоянного тока с одной последовательной обмоткой не может обеспечить динамическое или рекуперативное торможение.
Однако существуют различные схемы создания тормозной силы с использованием тяговых двигателей. Генерируемая энергия может быть возвращена в источник питания (регенеративное торможение) или рассеяна с помощью встроенных резисторов (динамическое торможение). Такая система может снизить скорость груза, требуя относительно небольшого фрикционного торможения для полной остановки груза.
В электричке машинисту или машинисту первоначально приходилось управлять отключением сопротивления вручную, но к 1914 году стали использовать автоматическое ускорение. Это было достигнуто с помощью ускоряющего реле (часто называемого «режимным реле») в цепи двигателя, которое контролировало падение тока при отключении каждого шага сопротивления. Все, что нужно было сделать водителю, — это выбрать низкую, среднюю или полную скорость (называемую «последовательной», «параллельной» и «шунтирующей» в зависимости от способа подключения двигателей в цепи сопротивления), а все остальное сделает автоматика.
Электровозы обычно имеют непрерывный и часовой режим работы. Одночасовая мощность — это максимальная мощность, которую двигатели могут непрерывно развивать в течение одного часа без перегрева. Такое испытание начинается при температуре двигателей +25 °C (и наружного воздуха, используемого для вентиляции, также при температуре +25 °C). В СССР по ГОСТ 2582-72 с изоляцией класса Н максимально допустимые температуры для двигателей постоянного тока составляли 160 °С для якоря, 180 °С для статора и 105 °С для коллектора. [3] Часовая мощность обычно примерно на 10 % выше, чем непрерывная, и ограничивается повышением температуры двигателя.
Поскольку в тяговых двигателях используется понижающая передача для передачи крутящего момента от якоря двигателя на ведомую ось, фактическая нагрузка, приложенная к двигателю, зависит от передаточного числа. В противном случае «одинаковые» тяговые двигатели могут иметь существенно разную грузоподъемность. Тяговый двигатель, предназначенный для грузовых перевозок, с низким передаточным числом будет безопасно создавать более высокий крутящий момент на колесах в течение более длительного периода при том же уровне тока, поскольку более низкие передачи дают двигателю больше механического преимущества.
В дизель-электрических и газотурбинно-электрических локомотивах мощность тяговых двигателей обычно составляет около 81% от мощности первичного двигателя . Это предполагает, что электрический генератор преобразует 90% мощности двигателя в электрическую энергию, а тяговые двигатели преобразуют 90% этой электрической энергии обратно в механическую энергию. [ нужна ссылка ] Расчет: 0,9 × 0,9 = 0,81
Мощность отдельных тяговых двигателей обычно достигает 1600 кВт (2100 л.с.).
Еще одним 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 безопасно оставаться на месте.
При скорости выше этой максимальной центробежная сила, действующая на якорь, приведет к выбрасыванию обмоток наружу. В тяжелых случаях это может привести к «птичьему гнезду», поскольку обмотки соприкасаются с корпусом двигателя и в конечном итоге полностью отрываются от якоря и разматываются.
Птичье гнездование (центробежный выброс обмоток якоря) из-за превышения скорости может произойти либо в работающих тяговых двигателях моторизованных локомотивов, либо в тяговых двигателях локомотивов с мертвым составом, перевозимых в составе поезда, идущего слишком быстро. Другой причиной является замена изношенных или поврежденных тяговых двигателей агрегатами, неправильно приспособленными для данного применения.
Повреждения из-за перегрузки и перегрева также могут привести к падению скорости ниже номинальной, если узел якоря, опоры и фиксаторы обмотки были повреждены в результате предыдущего неправильного обращения.
Из-за высокой мощности тяговые двигатели почти всегда охлаждаются принудительным воздухом, водой или специальной диэлектрической жидкостью.
Типичные системы охлаждения дизель-электрических локомотивов США состоят из вентилятора с электрическим приводом, нагнетающего воздух в проход, встроенный в раму локомотива. Резиновые каналы охлаждения соединяют проход с отдельными тяговыми двигателями, и охлаждающий воздух проходит вниз и через арматуру, прежде чем выйти в атмосферу.
