Б1.б.50 «тяговые электрические машины высокоскоростного транспорта»

Е.Г. Середа

Б1.Б.50 «ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ТРАНСПОРТА»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по специальности

23.05.03«Подвижной состав железных дорог»

по специализации

«Высокоскоростной наземный транспорт»

Форма обучения – очная

Санкт-Петербург

Содержание

Санкт-Петербург. 1

Введение.. 5

1. Основные сведения о тяговых электрических машинах.. 6

1.1. Классификация тяговых электрических машин. Терминология. Определения. Назначение. 6

1.2. Основные этапы развития отечественного и мирового электромашиностроения. 7

1.3. Условия работы тяговых двигателей. 8

2. Особенности конструкции тяговых двигателей высокоскоростного транспорта.. 10

2.1. Кинематические схемы тяговых передач. 12

2.2. Элементы конструкции тягового двигателя. 13

2.2.1. Элементы конструкции якоря. 13

2.2.2. Сердечник якоря тягового двигателя. 13

2.2.3.Коллекторный узел. 14

2.2.4. Обмотка. 15

2.3. Элементы конструкции остова. 16

2.3.1. Остов тяговых двигателей. 16

2.3.2. Главные и добавочные полюсы.. 17

2.4. Добавочные полюсы.. 18

3. Электротехнические материалы, используемые в тяговых двигателях высокоскоростного транспорта.. 18

3.1. Проводниковые материалы.. 18

3.2. Магнитные материалы.. 19

3.3. Электрическая изоляция. 19

4. Характеристики и свойства тяговых двигателей высокоскоростного транспорта.. 20

4.1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей. 20

4.2. Магнитные и нагрузочные характеристики тягового электродвигателя 21

4.3. Рабочие характеристики двигателей. 25

4.3.1. Электромеханические характеристики. 25

4.3.2. Электротяговые характеристики. 26

4.4. Коэффициент полезного действия и потери в двигателе. 26

5. Принципы регулирования режимов работы тяговых двигателей 30

6. Коммутация тяговых двигателей постоянного тока.. 33

6.1. Критерии оценки качества коммутации. 33

6.2. Коммутация при установившихся процессах. 34

6.3. Электромагнитные причины искрения. 37

6.4. Круговой огонь на коллекторе тяговых двигателей. 38

6.5. Дополнительные полюсы и компенсация ими реактивной эдс. 41

6.6. Потенциальные условия на коллекторе. 43

6.7. Способы повышения потенциальной устойчивости. 46

6.8. Компенсационная обмотка и ее влияние на потенциальные условия 47

6.9. Тяговые двигатели пульсирующего тока. 52

6.10. Внешние способы сглаживания пульсации. 54

6.11. Коммутация переменной составляющей тока. 56

6.12. Переменная составляющая момента. 57

6.13. Особенности коммутационного процесса двигателей пульсирующего тока. 58

6.14. Определение переменной составляющей е_кп 58

6.15. Компенсация реактивной эдс дополнительными полюсами двигателей пульсирующего тока. 60

6.16. Способы улучшения коммутации тяговых двигателей пульсирующего тока. 62

6.16.1. Шихтовка дополнительного полюса и применение компенсационной обмотки. 62

6.16.2. Снижение переменной составляющей остаточной эдс за счет компенсационной обмотки. 62

6.17. Неустановившиеся процессы в цепи тяговых двигателей высокоскоростного транспорта. 64

6.18. Влияние вихревых потоков в магнитопроводах на протекание переходных процессов. 65

6.19. Влияние индуктивности обмоток тяговых машин на переходные процессы.. 67

6.20. Влияние параметров внешних цепей на переходные процессы.. 68

6.21. Мероприятия, направленные на облегчение протекания переходных процессов. 70

7. Нагревание и охлаждение тяговых электрических машин.. 71

7.1. Допустимые превышения температур. 71

7.2. Классическая теория нагревания однородного твердого тела. 72

7.3. Расчет нагревания обмотки якоря. 75

7.4. Вентиляция тяговых двигателей. 77

7.5. Самовентилирующиеся машины.. 78

7.6. Независимая вентиляция. 79

7.7. Расчет вентиляции тяговых электрических машин. 80

8. Тяговые двигатели высокоскоростного транспорта переменного тока.. 82

9. Вентильные тяговые двигатели.. 83

10. Асинхронные двигатели.. 88

10.1. Формы фазных токов и напряжений. 88

10.2. Моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка 91

10.3. Коэффициент мощности и кпд. 92

10.4. Принцип регулирования асинхронного тягового двигателя. 93

10.5. Статическая устойчивость асинхронных тяговых двигателей. 98

10.6. Особенности конструкции асинхронных тяговых двигателей. 99

11. Особенности конструкции и перспективы применения линейных двигателей.. 101

12. Вспомогательные машины и машинные преобразователи 103

12.1. Назначение вспомогательных машин. 103

12.2. Особенности конструкции вспомогательных машин ЭПС постоянного тока. 103

12.3. Вспомогательные машины ЭПС переменного тока. 104

12.4. Мотор-вентиляторы.. 105

12.5. Мотор-компрессоры.. 107

12.6. Мотор-насосы.. 107

12.7. Расщепители фаз. 107

12.8. Мотор-генераторы и генераторы управления. 108

12.9. Делители напряжения. 109

13. Испытания тяговых электрических машин.. 110

13.1. Нагрузка испытуемых машин и стенды для их испытаний. 111

Заключение.. 115

Библиографический список. 116

Введение

Согласно программе по дисциплине «Тяговые электрические машины» студент, изучивший указанный курс, должен получить теоретические знания и практические навыки.

Студент должен знать:

1) теорию работы тяговых электрических машин;

2) принципы расчета тяговых электрических машин;

3) условия эксплуатации тяговых электрических машин;

4) влияние свойств и характеристик тяговых электрических машин (ТЭМ) на производительность электроподвижного состава (ЭПС);

5) достижения в области создания ТЭМ и передовой опыт их ремонта.

Студент должен уметь:

1) организовать обслуживание и ремонт тяговых электрических машин;

2) проводить испытания ТЭМ;

3) выполнять расчеты элементов ТЭМ;

4) рассчитывать режимы работы ТЭМ.

Учебное пособие написано для того, что бы помочь студенту специальностей «Электрический транспорт железных дорог» и «Электрический транспорт» овладеть этими знаниями.

1. Основные сведения о тяговых
электрических машинах

1.1. Классификация тяговых электрических машин.
Терминология. Определения. Назначение

Тяговыми электрическими машинами (ТЭМ) называют электрические машины, предназначенные для работы в качестве двигателей, генераторов, преобразователей на подвижном составе всех видов.

Тяговые электрические машины классифицируются:

1) по назначению: на тяговые электродвигатели; тяговые генераторы; вспомогательные машины;

2) по роду тока: на постоянного тока (пульсации тока не превышают 10 %); пульсирующего тока; коллекторные машины однофазного переменного тока промышленной и пониженной частоты; асинхронные машины переменного трехфазного (или многофазного) тока;

3) по способу защиты от внешних воздействий: на защищенные; брызгозащищенные; закрытые;

4) по способу охлаждения: с независимой вентиляцией; с самовентиляцией; обдуваемые; с естественным охлаждением;

5) по виду возбуждения: с независимым возбуждением; с параллельным возбуждением; с последовательным возбуждением; со смешанным возбуждением.

Тяговым электродвигателем (ТЭД) называется электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую работу, затрачиваемую на движение поезда. В настоящее время на электроподвижном составе (ЭПС) применяют в основном тяговые двигатели постоянного и пульсирующего тока. Однако есть пробные шаги к созданию электровозов с асинхронными и вентильными двигателями.

Вспомогательными машинами называют электродвигатели, служащие для привода компрессоров, обеспечивающих питание сжатым воздухом тормозных систем и электропневматических приводов тяговых аппаратов, вентиляторов; расщепители фаз; делители напряжения; генераторы служебного тока; двигатель-генераторы.

Мотор-вентиляторы используются для охлаждения тяговых двигателей и выпрямительных установок.

Расщепители фазпредназначены для преобразования однофазного тока в трехфазный, которым питают асинхронные двигатели других вспомогательных машин.

Делители напряжения (двухколлекторные машины) делают для питания двигателей других вспомогательных машин с напряжением, вдвое меньшим напряжения контактной сети.

Генераторы служебноготока предназначены для получения электроэнергии напряжением 50…1100 В для питания цепей управления и сигнализации.

Двигатель-генераторныеагрегатывозбуждения применяют на ЭПС для питания обмоток возбуждения в период электрического торможения.

Для того чтобы представлять себе пути развития тягового электромашиностроения необходимо сделать краткий экскурс в историю развития тягового электропривода.

1.2. Основные этапы развития отечественного
и мирового электромашиностроения

В 1876 году в Петербурге инженер А. Пироцкий провел опыты по электрификации трамвая.

В 1881 году была электрифицирована первая линия трамвая в Германии.

1891 год такая же линия электрифицирована в Росси и (Севастополь).

1895 год в США электрифицирована пригородная линия.

И везде использовались тяговые двигатели постоянного тока напряжением 500…750 В.

В конце 90-х годов на севере Италии был электрифицирован участок железных дорог на 3000 В с пониженной частотой 16²/₃ Гц. Двигатели использовались трехфазного тока. Эти двигатели были многополюсными, тяжелыми и дорогими. Однако уже тогда предусматривалась возможность рекуперативного торможения.

С начала ХХ века в Германии, Швеции, США началась электрификация на однофазном токе 11…15 кВ, но частоты были низкими – 16²/₃ Гц,
(США – 25 Гц). Двигатели при этом снабжались редукторами.

В то же время во Франции, была начата электрификация на постоянном токе 1500 В. Для этих линий был построен однофазно-трехфазный электровоз.

В Венгрии в 20-х годах ХХI века была проведена электрификация линий 16 кВ и частотой 50 Гц с использованием преобразовательных электровозов (однофазно-трехфазных). Двигатели использовались тихоходные с переключением числа пар полюсов.

В начале 50-х годов прошлого века во Франции был электрифицирован участок 22…25 кВ. На этой линии были успешно апробированы электровозы с асинхронными двигателями и частотным регулированием.

В 70-х годах прошлого века в США электрифицировалась линия на 25 Гц напряжением 50 кВ.

Сейчас ведутся научные работы в области создания линейных асинхронных двигателей для скоростей движения 500…600 км/ч.

Первым заводом, изготавливающим отечественные двигатели, был завод «Электрик» в Ленинграде. В 1924 году на нем был создан двигатель для первого электровоза (110 кВт, 660 об/мин).

В этом же году на заводе «Электросила» были построены трамвайные двигатели (50 кВт, 560 об/мин, U = 550 В).

С 1928 года все тяговое электромашиностроение сосредоточилось на заводе «Динамо» в Москве.

В 1929 году был выпущен двигатель мощностью 340 кВт и частотой вращения 650 об/мин.

В 1934 году был сделан сдвоенный тяговый двигатель мощностью 2´340 кВт и частотой вращения 650 об/мин.

В послевоенные годы, набрали силу Новочеркаский и Тбилисский локомотивостроительные заводы (НЭВЗ и ТЭВЗ), которые до настоящего времени выпускают электровозы переменного и постоянного тока. При этом мощности тяговых двигателей непрерывно росли и теперь мощности тяговых двигателей электровозов находятся в диапазоне 800…900 кВт и выше. Мировой уровень – это 1000 кВт и даже несколько выше.

В табл. 1.1 представлены сравнительные данные тяговых двигателей, позволяющие оценить современный уровень развития электродвигателей в России и других странах.

Таблица 1.1

Элементы конструкции якоря

В данном пункте мы коротко остановимся на основных элементах конструкции, не вдаваясь значительно в подробности. Это объясняется тем, что при выполнении курсового проекта необходимая информация будет изучаться дополнительно и рассматриваться каждый (или большинство) элемент тягового двигателя.

Вал якоря тягового двигателя служит для соединения всех деталей якоря и как несущая конструкция этих деталей, а также для передачи вращающего момента от двигателя через шестерню к зубчатому колесу (рис. 2.4).

Остальные проточки предназначены для насадки других узлов тягового двигателя и при различных конструкциях могут изменяться. Обычно это посадочные поверхности под подшипниковые крышки (щиты), лабиринтные кольца и т.д. Жесткость вала должна быть такой, чтобы максимальные нагрузки (в том числе и электрические) не приводили к прогибу и якорь, насаженный на вал, не задевал за полюса. Шероховатость посадочных поверхностей должна быть не ниже 7-го класса.

Рис. 2.4. Схематичное изображение вала тягового двигателя

Для придания валу необходимой прочности все изменения его диаметра выполняются плавно без кольцевых выточек и шпоночных канавок.

Коллекторный узел

Коллектор – это устройство электромеханической коммутации.

Коллектор очень нагруженное устройство и у современных машин находится на пределе использования возможностей материалов и технологии.

Каждая коллекторная пластина соединена с соответствующей секцией обмотки якоря. Пластин обычно более 300.

В тяговых двигателях, как правило, применяют коллекторы арочного типа. Пластины коллектора медные, трапецеидальные, изолированные друг от друга миканитовыми прокладками. Внешний вид коллекторной пластины и её крепление можно представить, как показано на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Конструкция коллектора

Вся конструкция образует коллектор, и его втулка насажена на втулку якоря.

Для изоляции стяжного конуса и втулки от коллекторных пластин используются миканитовые манжеты и цилиндр. Коллектор требует особой тщательности при сборке. Биение рабочей поверхности коллектора должно быть не более 0,04 мм. Поэтому коллектор опрессовывается и одновременно стягивается болтами. При этом между пластинами образуется боковое давление – арочный распор, из-за чего возникающие силы трения препятствуют смещению пластин относительно друг друга. После сборки, коллектору делают продорожку, чтобы исключить затягивание межламельных промежутков медью и снять заусеницы, предотвратив слом щеток и нарушение коммутации.

Обмотка

Проводники, уложенные в пазах якоря и соединенные с коллекторными пластинами, образуют обмотку якоря.

В тяговых двигателях обмотка выполняется в виде секций или катушек. Такая секция содержит несколько проводников из прямоугольной меди. По виду соединения между собой и укладке катушки делятся на волновые, петлевые и «лягушечьи» (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Виды обмоток тягового двигателя

Для тяговых двигателей применяют обычно волновую и петлевую обмотки. Причем волновую обмотку применяют для двигателей мощностью примерно до 500 кВт. Обмотки тяговых двигателей специальным образом изолируют. Различают три основных вида изоляции: витковую; корпусную; покровную.

Витковая изоляция во всех двигателях выполняется стеклослюдинитовой лентой, в один слой (каждый проводник).

Корпусная изоляция является основной, эта изоляция пакета проводников. Её толщина определяется величиной напряжения и видом материалов. Между секциями вставляется (если они в одном пазу) изоляционная прокладка.

Покровная изоляция – это самый верхний слой изоляции в пазу – служит для защиты секций от механических повреждений. Крепление секции в пазу осуществляется клиньями. Обычно это секционированные текстолитовые или буковые клинья (в последнее время используются редко). Передние и задние лобовые вылеты обмоток бондажируются. Это может быть либо металлический, либо не металлический бандаж.

Элементы конструкции остова

Остов тяговых двигателей

Остов тяговых двигателей постоянного и пульсирующего тока является магнитопроводом и одновременно несущим корпусом для подшипниковых щитов и полюсной системы. Как правило, остов выполняется литым из стали 25Л. Его толщина выбирается исходя из необходимой магнитной индукции. Внешний вид остова тягового двигателя представлен на рис. 2.8.

Длина остова равна 1,5-кратной длине главного полюса. Там, где магнитный поток не проходит, толщина остова на 15…20 мм меньше. С наружной стороны имеются приливы для крепления моторно-осевых подшипников, люков и т. д. К внутренней поверхности крепятся главные и добавочные полюсы. У 4-полюсных машин делаются специальные приливы с внутренней стороны для крепления полюсов, так как остов не является круглым.

Со стороны коллектора имеется вентиляционный люк, а также люк для регламентных работ с коллекторно-щёточным аппаратом.

Главные и добавочные полюсы

Сердечники главных полюсов выполнены из штампованных листов малоуглеродистой стали. Технология изготовления и набора приблизительно такая же, как и сердечника якоря, конечные листы сваривают на точечную сварку.

У машин с компенсационной обмоткой на главных полюсах выполнены пазы для её укладки.

Главные полюсы крепятся к остову и удерживают обмотку возбуждения.

Вид главного полюса показан на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Вид главного полюса

В тяговых двигателях катушки главных полюсов выполняют из шинной прямоугольной меди, в основном наматываемой на ребро.

Межвитковую изоляцию выполняют в зависимости от необходимого класса изоляции F или Н. Есть некоторые отклонения при выполнении катушек главных полюсов двигателей последовательного и независимого возбуждения. У последних обмотка многовитковая, а ток в 3…5 раз меньше, чем ток якоря.

Соединительные кабели применяются повышенной нагревостойкости.

Компенсационные катушки изготавливают отдельно, и готовые секции вкладывают в пазы главных полюсов.

Расчет параметров катушек главных полюсов будет выполняться в курсовом проекте, поэтому нет необходимости на этом останавливаться в лекционном курсе.

Катушки обмоток возбуждения производят тремя способами:

· в моноблочном исполнении;

· с монолитной изоляцией;

· с немонолитной изоляцией.

В первом случае катушку вместе с главным полюсом заливают компаундом и сушат в печах.

Во втором случае катушку после компаунда сушат отдельно. В немонолитном исполнении катушку пропитывают термопластичным компаундом.

Для улучшения крепления катушки между ней и полюсом вставляют волнообразную прокладку, которая сжимает катушку. Крепление главных полюсов к остову осуществляется болтами с пружинными шайбами (рис. 2.10).

Добавочные полюсы

Добавочные полюсы устанавливаются между главными полюсами и служат для улучшения условий коммутации.

В современных тяговых двигателях пульсирующего тока сердечники выполняют набором из листов электротехнической стали.

Для двигателей постоянного тока сердечники выполняют цельными из стального проката. Иногда между остовом и сердечником добавочного полюса делают диамагнитную прокладку.

Катушка добавочных полюсов наматывается на узкое ребро. Изоляция витков и катушки в целом аналогична изоляции катушки главных полюсов. Внешний вид добавочного полюса показан на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Дополнительный полюс тягового двигателя

3. Электротехнические материалы,
используемые в тяговых двигателях высокоскоростного транспорта

Проводниковые материалы

В качестве проводникового материала используют, как правило, медь. Для изготовления обмоток применяют проволоку, ленту и медные шины.

Используют следующие типы проводов:

· для класса нагревостойкости В и F

· для класса нагревостойкости Н

Цифры 1, 2, 3 соответствуют толщине изоляции 0,23; 0,3; 8,35.

Для изготовления коллекторов используется медь с присадкой серебра или кадмия. Это обеспечивает качество коммутации за счет образующейся пленки.

Магнитные материалы

Как уже ранее говорилось, магнитопроводы изготавливают из стального литья, электротехнической и листовой стали.

Электротехническая сталь марок 2212, 2213, 2214.

Характеристики этих сталей – толщина 0,5 мм, при индукции 1,5 Тл. и частоте перемагничивания 50 Гц потери составляют:

· сталь 2212 – £ 5 Вт/кг;

· сталь 2213 – £ 4,5 Вт/кг.

Обычно до или после штамповки сталь покрывают электроизоляционными материалами.

Электрическая изоляция

Уже говорилось о трех классах изоляции В, Н, F – эти классы разделены по нагревостойкости (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Электрические потери

,

где – сопротивление всех обмоток двигателя; – падение напряжения в щёточных контактах (обычно 2…3 В).

Магнитные потери возникают при перемагничивании сердечника якоря. Их определяют по удельным потерям в зубцах и теле якоря:

,

где – коэффициент магнитных потерь в стали якоря.

Это эмпирический коэффициент, учитывающий увеличение потерь в стали из-за неидеальности шихтовки, наклепа при штамповке и добавочных потерь холостого хода

,

где – удельные потери в электротехнической стали при индукции 1,5 Т_Л и частоте 50 Гц (Вт/кг); – масса стали ярма якоря; – масса стали зубцового слоя якоря; – удельные магнитные потери в ярме якоря; – удельные магнитные потери в зубцовом слое якоря.

Масса ярма (или тела) якоря определяется по формуле

,

где – высота паза якоря; – диаметр отверстия под втулку, на которую набирается сердечник якоря, м; – количество вентиляционных каналов; – диаметр вентиляционных каналов, м.; – коэффициент заполнения пакета якоря сталью; – длина якоря; = 7850 кг/м³ – плотность.

Аналогично определяется масса зубцового слоя

,

где Z – число зубцов якоря; – ширина паза якоря, м.

Удельные потери в ярме якоря могут быть определены по формуле

и в зубцах

,

где – частота перемагничивания якоря,

;

где р – число пар полюсов; n – частота вращения.

Механические потери в двигателе зависят от следующих факторов:

· потерь на трение в якорных подшипниках;

· потерь на трение щеток о коллектор;

· потерь на трение о воздух и вентиляцию при самовентиляции.

Потери на трение в якорных подшипниках качения составляют примерно 0,2 % от часовой мощности тягового двигателя

, КВт.

Вторые из перечисленных потери зависят от силы трения щеток о коллектор, а так же от скорости вращения и могут быть определены

,

где – коэффициент трения щеток о коллектор; – общая площадь щеток; – давление щеток на коллектор.

Тогда потери могут быть определены, как

,

где – линейная скорость коллектора.

Это потери при часовом режиме.

В случае изменения режима, а так же при построении характеристик кпд, потери в подшипниках и от трения щеток о коллектор будут определятся, по формуле

,

где n, – частоты вращения в заданном и часовом режимах.

В случае самовентиляции возникают дополнительные потери, вызванные сопротивлением воздуха

,

где Q – расход воздуха м³/с; Н – напор кг·с/м²; – кпд вентилятора.

К добавочным потерям обычно относят потери, связанные с вихревыми токами в меди обмотки якоря. Вызваны они, как правило, искажением магнитного поля реакции якоря.

Есть несколько способов определения добавочных потерь. Самый простой из них, это определение потерь в процентном отношении от магнитных потерь по диаграмме (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Зависимость отношения добавочных потерь от магнитных

Таким образом, имея потери в двигателе, можно определить, кпд отнесенный к валу двигателя как

.

Если машина в генераторном режиме,

,

кпд отнесенный к ободам движущей колесной пары

,

где – кпд зубчатой передачи. Обычно определяется по диаграмме в функции от мощности.

Таким образом определяются зависимости, описывающие электромеханические и электротяговые характеристики. Вид этих характеристик приведен на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Общий вид электромеханических и электротяговых характеристик электродвигателя

Осталось определить тяговую характеристику, т. е. зависимость

При заданной скорости движения силу тяги можно определить, используя уравнения мощности, реализуемой на ободе колеса

,

так как то,

.

5. Принципы регулирования режимов работы
тяговых двигателей

В условиях эксплуатации необходимо непрерывно менять режимы работы двигателя, поддерживая ток и силу тяги в допустимых или в необходимых пределах. Это же можно сказать и о скорости.

Для того чтобы было наглядно видно, какие из параметров тягового двигателя можно регулировать, запишем ещё раз формулу для расчета скорости

.

Из этого уравнения видно, что регулировать скорость можно изменением напряжения на коллекторе, изменением тока и магнитного потока.

Допустим, что формула записана для одного значения скорости и напряжения тогда если напряжение стало , то характеристику скоростную можно пересчитать по формуле

.

На электровозах переменного тока применяют либо ступенчатое регулирование напряжения за счет секционирования обмотки трансформатора (ВЛ80к), либо плавное регулирование – с использованием тиристорных регуляторов (ВЛ80р, ВЛ85).

На электровозах постоянного тока обычно используют два способа регулирования напряжения: это переключение числа последовательно включенных двигателей, т. е. изменение так называемой группировки двигателей (С, СП, П), либо включение в цепь двигателей пусковых реостатов и за счет падения напряжения на них, снижение напряжения на тяговых двигателях.

При этом напряжение на двигателе можно определить как

,

где – напряжение контактной сети; – число последовательно включенных двигателей в сети; m – число параллельных двигателей; – сопротивление пускового реостата.

Тогда скорость при включении сопротивления будет определяться, как

.

Как уже отмечалось, можно регулировать скорость и с помощью изменения магнитного потока, достигается это несколькими способами:

1) секционированием катушек главных полюсов;

2) изменением тока возбуждения (при независимом возбуждении);

3) шунтированием обмотки возбуждения резистором.

Первый способ очень дорог и не удобен, так как для его реализации требуется усложнение конструкции машины. Второй способ не может быть реализован у двигателей последовательного возбуждения.

Третий способ самый распространенный. Обмотка возбуждения шунтируется резистором и индуктивным шунтом, включенным с ним последовательно. Шунт ставят для защиты двигателей от резких бросков напряжения. Его наличие позволяет относительно плавно изменяться току в двигателе при бросках напряжения.

Степень регулирования оценивается коэффициентом возбуждения :

,

где – ток в обмотке при ослабленном и полном возбуждении.

Для получения скоростных характеристик при ослабленном возбуждении обычно используют метод, основанный на примерном равенстве магнитных потоков при одинаковой скорости движения в случае полного и ослабленного возбуждения (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Скоростные характеристики при ослаблении поля

Получение зависимости силы тяги от тока при ослабленном возбуждении (рис. 5.2) основано на том, что при токах и магнитные потоки приблизительно равны

.

Степень ослабления поля зависит от допустимого межламельного напряжения. У машин с компенсационной обмоткой .

Рис. 5.2. Электротяговые характеристики при ослаблении поля

Регулировочные свойства машины принято оценивать коэффициентом регулируемости

,

где = 1,6…2 – коэффициент насыщения.

6. Коммутация тяговых двигателей
постоянного тока

Самовентилирующиеся машины

У самовентилирующихся машин различают два типа вентиляции:

1) вытяжную;

2) нагнетательную.

При вытяжной вентиляции вентилятор устанавливается со стороны, обратной коллектору, и воздух засасывается через сетку или фильтр в околоколлекторное пространство, а далее протекает между полосами, по каналам якоря и выходит с противоположной стороны.

При нагнетательной вентиляции воздух засасывается со стороны передачи и затем продувается сквозь двигатель. Достоинство – меньше шума. Несколько слов необходимо сказать о конструкции вентиляторов.

Якорные вентиляторы выполняют практически всегда с прямыми радиальными лопатками. Это объясняется тем, что тяговые двигатели эксплуатации реверсируют, а подача воздуха должна оставаться постоянной. У вспомогательных машин применяют наряду с прямыми лопатками и изогнутые. По конструкции венца различают вентиляторы:

1) c открытыми радиальными лопатками;

2) воздухо-направляющими кольцами;

3) двухкамерные литые вентиляторы с консольными лопатками;

4) двухкамерные сварные вентиляторы с центральным несущим диском;

5) литые вентиляторы с удлиненными лопатками.

На рис. 7.4. приведены вентиляторы двух видов (первого и последнего).

Рис. 7.4. Конструкция якорных вентиляторов:
а – с открытыми радиальными лопатками;
б – с удлиненными лопатками

Все модификации вентиляторов направлены на улучшение аэродинамических свойств и на усиление конструкции. В этом плане хорошими показателями отличается последняя конструкция. Общее число лопаток вентиляторов от 11 до 25 шт.

Независимая вентиляция

Наиболее подробно остановимся на этом типе вентиляции. Поскольку он применяется практически на всех современных тепловозах и электровозах. При независимой вентиляции воздух забирается из атмосферы и нагнетается по воздухопроводам в тяговую машину, поэтому при независимой вентиляции используют исключительно нагнетательную вентиляцию. По числу тяговых двигателей обслуживаемых одним вентилятором различают:

1) групповую систему независимой вентиляции;

2) индивидуальную систему независимой вентиляции.

Для равномерного распределения объема охлаждающего воздуха используют специальные заслонки, выравнивания ими сопротивление воздуховодов. При индивидуальной системе вентиляции каждый двигатель обдувается своим вентилятором, а при групповой – на несколько двигателей один вентилятор.

Наиболее широкое распространение на ЭПС получила система разомкнутого цикла вентилирования. В этой системе воздух после тягового двигателя выбрасывается в атмосферу. Существует система полузамкнутого вентилирования, при которой часть воздуха используется неоднократно. Это помогает сохранить изоляцию защищая её от пыли, влаги и засоленности. Схема полузамкнутой вентиляции изображена на рис. 7.5.

В разомкнутом цикле нет перемешивания свежего воздуха с прошедшим через двигатель, но в остальном все так же.

Как видно из рисунка воздух поступает со стороны коллекторной камеры. Это сделано по следующим причинам:

1) удобнее подключать воздуховод;

2) обеспечивается прохождение относительно большого количества воздуха внутри якоря;

3) достигается более низкая температура петушков коллектора и его поверхности;

4) обеспечивается более интенсивное дутье в камере коллектора, благодаря чему исключается скопление ионизированного воздуха и облегчается коммутация тягового двигателя.

Асинхронные двигатели

Физический процесс образования намагничи