Меню

Конструкция тэд постоянного тока

Устройство электровоза (Часть 1)

Опубликовано 10.06.2020 · Обновлено 04.02.2021

А вообще, зададимся вопросом, что такое электровоз? Тепловоз мы с вами в предыдущих моих статьях немножко изучили, теперь пришло время познакомиться с электровозом, этим славным представителем семьи локомотивов.

» data-medium-file=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/159784-300×200.jpg» data-large-file=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/159784-1024×683.jpg» width=»1024″ height=»683″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/12/159784-1024×683.jpg» alt=»Электровоз ВЛ10″ data-srcset=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/159784-1024×683.jpg 1024w, https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/159784-300×200.jpg 300w, https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/159784-768×512.jpg 768w, https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/159784.jpg 1200w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px»/> Электровоз ВЛ10

Что такое электровоз и как он работает

Электровоз – очень мощная машина и эту мощность можно повышать существенно, чего не скажешь про тепловоз. Практически все железные дороги нашей страны уже электрифицированы, поэтому электровоз является главным в семье локомотивов. Итак, электровоз — это локомотив, который работает, используя электрический ток, получая его от контактной сети, через контактный провод, поэтому требует для своей работы большой инфраструктуры: контактная сеть, тяговые подстанции и т.д., но он хорошо выигрывает в мощности, скорости и является более экономичным в своей эксплуатации. На наших железных дорогах применяется для питания электровозов две системы тока: постоянный и переменный. Напряжение в контактной сети постоянного тока составляет — 3000 Вольт, а в контактной сети переменного тока – 25000 Вольт.

Контактная сеть ЖД

Контактная сеть

Исходя из этого на железных дорогах эксплуатируются электровозы двух родов тока: постоянного и переменного, есть и представители, совмещающие в своей конструкции обе системы, так называемые, электровозы двойного питания, про них я ниже расскажу. Давайте рассмотрим, что общего в конструкциях электровозов.

Тяговые электродвигатели

Немного освежим в памяти основы электротехники. Если в магнитное поле мы поместим какой-нибудь проводник (рамку) и начнем ее вращать, то в этой самой рамке будет возникать электрический ток, таким образом мы получаем генератор. А если по этой рамке пропустить ток, то получится электродвигатель. Из законов физики известно, что вокруг проводника с током создается магнитное поле – теперь эти оба магнитных потока складываются и вращают рамку с током. В этом и заключается принцип работы всех электродвигателей.

Принципиальная модель электродвигателя постоянного тока

Более подробно это выглядит так: все тяговые электродвигатели (ТЭД) электровозов сложные электрические машины, постоянными магнитами наша промышленность просто не сможет снабдить все электромашины, поэтому магнитный поток, необходимый для вращения якоря, создается в проводниках, путем пропуска по ним электрического тока, это называется – обмотка возбуждения и располагается она в остове электродвигателя по всей его окружности. Эта обмотка включает в себя главные полюса, добавочные полюса и компенсационную обмотку. Якорь тягового электродвигателя состоит из сердечника, коллектора и обмотки, которая укладывается в пазы сердечника. Величина тока в обмотке возбуждения и в обмотке якоря регулируется, соответственно обороты якоря и мощность электродвигателя.

  • Щёточно-коллекторный аппарат ТЭДЩёточно-коллекторный аппарат ТЭД
  • Колесно-моторный блок ТЭД и колесная пара электровоза

Существует режим реостатного и рекуперативного торможения, то есть, ток от якоря тягового электродвигателя (ТЭД) отключается и якорь вращается в магнитном поле обмотки возбуждения, а это уже генератор. В генераторах возникает сила, называемая противо ЭДС, эта сила всегда направлена против вращения якоря, и она довольно большая. Поэтому в режиме реостатного или рекуперативного торможения электровоз тормозит всеми своими ТЭД, без применения автоматических тормозов, что очень эффективно на затяжных спусках и обеспечивает плавность ведения грузовых и пассажирских поездов. Вот на эти ТЭД и работают все системы электровоза.

Практически на всех электровозах обоих систем тока применяются тяговые электродвигатели постоянного тока. Это коллекторные двигатели со щеточным аппаратом, по которому подается ток на якорь двигателя. Велись активные разработки по применению на электровозах асинхронных тяговых электродвигателей переменного тока, что значительно удешевит стоимость локомотива и уменьшит его вес, но возникали трудности с системами управления этими двигателями. В настоящее время эта проблема решена и уже эксплуатируется парк электровозов с асинхронными ТЭД.

Тележки

Итак, общее в электровозах – тяговые электродвигатели постоянного тока, которые устанавливаются в тележках. Тележка представляет собой рамную конструкцию, на раме которой и крепятся ТЭД. Существует два вида подвески ТЭД: опорно-осевая и опорно-рамная.

Тележка электровоза 2ЭС6 Синара

Тележка электровоза 2ЭС6 Синара

Опорно-осевая подвеска ТЭД

В первом случае ось колесной пары закрепляется в пазах двигателя и закрывается крышками, в которых находится смазочный материал: косы из специального материала, смазывающиеся маслом (польстер). Вся эта конструкция называется – моторно-осевой подшипник. На концах оси колесной пары (с одной или с обоих сторон) напрессованы тяговые шестерни, которые входят в зацепление с шестернями, расположенными на якоре электродвигателя. Этот тяговый редуктор закрывается кожухом. Другой конец тягового электродвигателя закрепляется за балку на раме тележки.

Опорно-рамная подвеска ТЭД

Во втором случае, ТЭД крепится к раме тележки, а ось колесной пары с напрессованной на ней тяговой шестерней закреплена с шестерней ТЭД в специальном редукторе, эта схема не требует установки моторно-осевых подшипников и постоянного контроля за уровнем смазки в них.

опроно-рамное подвешивание тяговых электродвигателей

Как передается тяговое усилие от колесных пар к автосцепкам?

На концах осей колесных пар расположены буксовые узлы. На всех современных электровозах применяются бесчелюстные (поводковые) буксы. Ведь вращающий момент и тяговое усилие от ТЭД и соответственно колесной пары необходимо передать на раму электровоза, а через нее на весь состав. Поэтому тележки имеют, так называемые, приливы, именно к этим приливам через резинометаллические поводки и закреплены буксы. Сами тележки установлены на шкворнях на раме кузова и могут свободно перемещаться в соответствии с профилем пути. Таким образом все необходимые тяговые усилия передаются на раму кузова, на ней с обоих сторон установлены автоматические сцепки, которые соединяются с автосцепками вагонов и вперед, поехали!

На тележках устанавливаются гидравлические гасители колебаний, пружины и рессоры. Тележки могут быть трехосными, двухосными и даже четырехосными, но в настоящее время все отечественные электровозы имеют двухосные тележки и в зависимости от конструкции, электровоз может опираться на две или три двухосные тележки (ВЛ85 ,ВЛ65, ЭП1).

Оборудование электровоза

Электровозы обоих систем имеют, как правило, унифицированный кузов, в котором размещено все оборудование. Пассажирские электровозы имеют свои особенности по конструкции кузова.

Токоприемник

На крышах электровозов располагаются токоприемники – это трубчатая конструкция, на самом верху которой закрепляется, через каретку, полоз токоприемника, в полозе устанавливаются угольные или угольно-керамические вставки, которые и скользят по контактному проводу, передавая ток на токоприемник и далее на силовые цепи.

  • токоприемник пантограф электровоза
  • пантограф токоприемник электровоза

Могут применятся и другие материалы, вместо угольных вставок. На токоприемниках электровозов постоянного тока устанавливается, как правило, два полоза, для улучшения токосъема. Токоприемник поднимается при подаче воздуха из цепей управления в пневматический цилиндр, преодолевая усилие возвратных пружин. При опускании токоприемника воздух из цилиндра выходит в атмосферу и возвратные пружины опускают токоприемник на крышу. Неисправный токоприемник может быть отключен от силовой цепи ручным разъединителем.

Вспомогательные машины

Надо отметить, что воздух для любого электровоза – это очень важный элемент в его работе. Без воздуха не поднимешь токоприемник, не подключишь силовые контакты и т.д. На всех электровозах существуют вспомогательные компрессоры, которые могут накачать давление в цепях управления до величины, необходимой для поднятия токоприемника.

Электровозы обоих систем тока имеют электрические мотор-вентиляторы для охлаждения ТЭД и других устройств, мотор-компрессоры для накачивания воздуха в главные резервуары локомотива, а оттуда во все системы электровоза и автоматические тормоза поезда.

Машинное отделение электровоза

Машинное отделение электровоза

Все электровозы управляются через контроллеры (разных конструкций) из кабины машиниста и оснащены всем необходимым оборудованием для ведения поезда (прожекторы, краны машиниста-усл. №395 и усл. №254, КВ и УКВ радиостанции, буферные фонари, санузлы и т.д.). На крышах электровозов, помимо упомянутых выше токоприемников, располагаются жалюзи вентиляторов, антенны, изоляторы, шунты, токопроводящие шины и другое оборудование. На пассажирских электровозах установлены системы отопления пассажирских вагонов (3000 В).

Какие бывают электровозы

Грузовые электровозы работают обычно в двухсекционном или трехсекционном исполнении, могут соединяться и два двухсекционных электровоза. Все межсекционные соединения производятся кабелями (жоксами), электровозы управляются с одного пульта, это называется – по системе многих единиц.

электровоз 2ЭВ120

» data-medium-file=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/1-208-300×201.jpg» data-large-file=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/1-208-1024×685.jpg» width=»1024″ height=»685″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/12/1-208-1024×685.jpg» alt=»электровоз эп1″ data-id=»3429″ data-full-url=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/12/1-208.jpg» data-link=»https://dvizhenie24.ru/railway/ep1-pervyj-serijnyj-elektrovoz-v-rossii/attachment/1-208/» data-srcset=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/1-208-1024×685.jpg 1024w, https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/1-208-300×201.jpg 300w, https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/1-208-768×514.jpg 768w, https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/1-208.jpg 1200w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px»/>

  • В настоящее время строятся электровозы в трехсекционном и четырехсекционном исполнении, с возможностью прохода во все секции при движении, промежуточные секции уже не имеют кабин управления и называются – бустерными. Вот в целом и сходства электровозов двух систем тока. А различия рассмотрим в следующих статьях: электровозы постоянного тока, переменного тока, двойного питания.

    Источник

    Устройство тягового двигателя

    Все тяговые двигатели постоянного тока имеют в основном одинаковое устройство. Двигатель состоит из остова 1 (рис. 40, а), четырех главных и четырех добавочных полюсов, якоря 8, подшипниковых щитов 4, 10, щеточного аппарата 5, вентилятора 9.

    Остов двигателя. Он выполнен из электромагнитной стали, имеет цилиндрическую форму и служит магнитопроводом. Для жесткого крепления к поперечной балке рамы тележки на остове предусмотрены три прилива-кронштейна и два предохранительных ребра (см. рис. 26).

    В остове имеются отверстия для крепления главных и добавочных полюсов, вентиляционные и коллекторные люки. Из остова двигателя выходят шесть кабелей: Я и ЯЯ, К и КК, Н и НН(рис. 41). Торцовые части остова закрыты подшипниковыми щитами. На остове укреплена паспортная табличка с указанием завода-изготовителя, заводского номера, массы, тока, частоты вращения, мощности и напряжения.

    Продольные разрезы тягового двигателя <а) и его якоря (б)

    Главные полюсы. Они предназначены для создания основного Магнитного потока Главный полюс состоит из сердечника 7 (см. рис. 40, а) и катушки 6. Катушки всех главных полюсов соединены последовательно и составляют обмотку возбуждения. Сердечник набран из листов электротехнической стали толщиной 1,5 мм для Уменьшения вихревых токов. Перед сборкой листы прокрашивают изоляционным лаком, сжимают прессом и скрепляют заклепками. Часть сердечника, обращенная к якорю, выполнена более широкой и называется полюсным наконечником. Эта часть служит для

    Читайте также:  Реактивная составляющая из сети тока

    Я и ЯЯ — начало и конец обмотки якоря; Н и НН — начало и конец обмотки подмагничивания; К и КК — начало и конец обмотки возбуждения поддержания катушки, а также для лучшего распределения магнитного потока в воздушном зазоре.

    В тяговых двигателях ДК-108А, установленных на вагонах Е (по сравнению с ДК-104 на вагонах Д), увеличен зазор между якорем и главными полюсами, что, с одной стороны, дало возможность увеличить скорость в ходовых режимах на 26 %, а с другой стороны, уменьшилась эффективность электрического торможения (медленное возбуждение двигателей в генераторном режиме из-за недостаточного магнитного потока). Для увеличения эффективности электрического торможения в катушках главных полюсов кроме двух основных обмоток, создающих основной магнитный поток в тяговом и тормозном режимах, имеется третья — подмагничиваю-щая, которая создает дополнительный магнитный поток при работе двигателя только в генераторном режиме. Подмагничиваю-щая обмотка включена параллельно двум основным и получает питание от высоковольтной цепи через автоматический выключатель, предохранитель и контактор ТШ (см. рис. 110). Изоляция катушек главных полюсов кремнийорганическая.

    Главный полюс крепится к остову двумя болтами, которые ввертывают в квадратный стержень, расположенный в теле сердечника.

    Добавочные полюсы. Они предназначены для создания дополнительного магнитного потока, который улучшает коммутацию и уменьшает реакцию якоря в зоне между главными полюсами. По размерам они меньше главных полюсов и расположены между ними. Добавочный полюс состоит из сердечника и катушки.

    Сердечник выполнен монолитным, так как вихревые токи в его наконечнике не возникают из-за небольшой индукции под добавочным полюсом. Крепится сердечник к остову двумя болтами. Между остовом и сердечником для меньшего рассеяния магнитного потока установлена диамагнитная латунная прокладка.

    Катушки добавочных полюсов соединены последовательно одна с другой и с обмоткой якоря.

    Якорь. Машина постоянного тока имеет якорь (рис. 42), состоящий из сердечника 4, обмотки, коллектора 7 и вала 1. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали 2 толщиной 0,5 мм.

    Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при пересечении якорем магнитного поля, листы изолируют один от другого лаком. В каждом листе имеется отверстие со шпоночной канавкой для насадки на вал, вентиляционные отверстия и пазы для укладки обмотки якоря 6. В верхней части пазы имеют форму ласточкиного хвоста. Листы насаживают на вал и фиксируют шпонкой. Собранные листы прессуются между двумя нажимными шайбами 3 и 5.

    Обмотка якоря 20 (см. рис. 40, б) состоит из секций, которые укладывают в пазы сердечника 18 и пропитывают асфальтовым и бакелитовым лаками. Чтобы обмотка не выпадала из пазов, в пазовую часть забивают текстолитовые клинья 17, а переднюю и заднюю части обмотки укрепляют проволочными бандажами 19, которые после намотки пропаивают оловом.

    Назначение коллектора 12 машины постоянного тока в различных режимах работы неодинаково. Так, в генераторном режиме коллектор служит для преобразования переменной электродвижущей силы (э.д.с.), индуцируемой в обмотке якоря, в постоянную э.д.с. на щетках генератора, в двигательном — для изменения направления тока в проводниках обмотки якоря, чтобы якорь двигателя вращался в какую-либо определенную сторону.

    Сердечник якоря (а) и якорь в процессе сборки (б)

    Коллектор состоит из втулки, коллекторных медных пластин 14, нажимного конуса. Коллекторные пластины изолированы друг от друга миканитовыми пластинами, от втулки и нажимного конуса — изоляционными манжетами 13. Рабочую часть коллектора, имеющую контакт со щетками, протачивают на станке и шлифуют. Чтобы при работе щетки не касались миканитовых пластин, коллектор подвергают «продорожке». При этом миканитовые пластины становятся ниже коллекторных примерно на 1 мм. Со стороны сердечника в коллекторных пластинах предусмотрены выступы 15 с проре зью для впаивания проводников обмотки якоря. Коллекторные пластины имеют клинообразное сечение, а для удобства крепления — форму «ласточкин хвост». Коллектор насаживают на вал якоря прессовой посадкой и фиксируют шпонкой.

    Вал якоря 21 имеет разные посадочные диаметры. Кроме якоря и коллектора, на вал напрессована стальная втулка вентилятора Внутренние кольца подшипников и подшипниковые втулки насажены на вал в горячем состоянии.

    Подшипниковые щиты. В щитах 4, 10 (си. рис. 40, а) установлены шариковые или роликовые подшипники — надежные и не требующие большого ухода. Со стороны коллектора стоит упорный подшипник 3; его наружное кольцо упирается в прилив подшипникового щита. Со стороны тяговой передачи установлен свободный подшипник 11, который позволяет валу якоря удлиняться при нагреве Для подшипников применяют густую консистентную смазку. Чтобы смазка при работе двигателей не выбрасывалась из смазочных камер, предусмотрено гидравлическое (лабиринтное) уплотнение Вязкая смазка, попав в небольшой зазор между канавками-лабиринтами, проточенными в щите, и втулкой, насаженной на вал, под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам лабиринта, где самой смазкой создаются гидравлические перегородки.

    Подшипниковые щиты крепят к обеим сторонам остова.

    Щеточный аппарат. Для соединения коллектора двигателя с силовой цепью вагона используют электрографитные щетки марки ЭГ-2А, которые обладают хорошими коммутирующими свойствами, высокой механической прочностью и способны выдерживать большие перегрузки. Щетки представляют собой прямоугольные призмы размером 16 х 32 х 40 мм. Рабочую поверхность щеток пришлифовывают к коллектору для обеспечения надежного контакта.

    Щетки устанавливают в обоймы, называемые щеткодержателями, и соединяют с ними гибкими медными шунтами: в каждом щеткодержателе по две щетки, число щеткодержателей — четыре. Нажим на щетку осуществляется пружиной, упирающейся одним концом через палец в щетку, другим — в щеткодержатель.

    Нажатие на щетку должно быть отрегулировано в строго определенных пределах, так как чрезмерный нажим вызывает быстрый износ щетки и нагрев коллектора, а недостаточный не обеспе чивает надежного контакта между щеткой и коллектором, вследствие чего возникает искрение под щеткой. Нажатие не должно превышать 25 Н (2,5 кгс) и быть менее 15 Н (1,5 кгс).

    Щеткодержатель укрепляют на кронштейне и с помощью двух шпилек, запрессованных в кронштейн, крепят непосредственно к под-, шипниковому щиту. Кронштейн от щеткодержателя и подшипникового шита изолируют фарфоровыми изоляторами. Для осмотра коллектора и щеткодержателей в остове двигателя имеются люки с крышками 2 (см. рис. 40), обеспечивающими достаточную защиту от проникновения воды и грязи.

    Вентилятор. В процессе работы необходимо охлаждать двигатель, так как с повышением температуры его обмоток снижается мощность двигателя.

    Вентилятор 9 состоит из стальной втулки и силуминовой крыльчатки, скрепленных восемью заклепками. Лопатки крыльчатки расположены радиально для выброса воздуха в одном направлении. Вентилятор вращается вместе с якорем двигателя, создавая в нем разрежение. Потоки воздуха засасываются внутрь двигателя через отверстия со стороны коллектора. Часть воздушного потока омывает якорь, главные и добавочные полюса, другая проходит внутри коллектора и якоря по вентиляционным каналам 16. Воздух выталкивается наружу со стороны вентилятора через люк остова.

    Контрольные вопросы 1. Перечислите основные элементы конструкции тягового двигателя.

    2. Каково назначение главных полюсов машины постоянного тока?

    3. Как устроен якорь тягового двигателя?

    4. Каково назначение добавочных полюсов?

    5. Для чего предназначен коллектор машины постоянного тока?

    6. Каково назначение щеточного аппарата?

    7. Каким образом осуществляется вентиляция тягового двигателя?

    Электропоезда метрополитена

    • Введение
    • Кузов вагона
    • Оборудование салона
    • Тележки. Рамы тележек
    • Колесные пары
    • Буксовые узлы
    • Рессорное подвешивание кузова
    • Тяговая передача и узел подвешивания редуктора
    • Карданная муфта
    • Узлы подвешивания тягового двигателя и бруса токоприемника
    • Тормозное оборудование
    • Автосцепка
    • Механическая часть. Узел подвешивания автосцепки
    • Пневматическая и электрическая части
    • Порядок сцепления и расцепления вагонов. Уход за автосцепкой
    • Тяговые двигатели. Мотор-компрессоры
    • Устройство тягового двигателя
    • Работа тягового двигателя
    • Пуск тягового двигателя
    • Регулирование частоты вращения якоря тягового двигателя и изменение направления его вращения
    • Электрическое торможение
    • Мотор-компрессоры
    • Уход за двигателями
    • Электрические аппараты и приборы
    • Токоприемники
    • Главный разъединитель
    • Заземляющие устройства
    • Главный предохранитель
    • Электропневматические вентили
    • Индивидуальные контакторы
    • Групповые контакторы
    • Реле управления и защиты
    • Выключатели
    • Регулятор давления
    • Резисторы, электрические печи и индуктивные шунты
    • Плавкие предохранители
    • Соединительные устройства
    • Измерительные приборы
    • Аккумуляторная батарея
    • Радиооборудование
    • Виды схем, принципы их построения
    • Условные графические и буквенные обозначения
    • Способы управления тяговыми двигателями
    • Перечень электрооборудования силовых цепей вагона Е
    • Силовые цепи вагона Е в тяговом режиме
    • Силовые цепи вагона Е в тормозном режиме
    • Перечень электрооборудования силовых цепей вагона ЕжЗ
    • Силовые цепи вагона ЕжЗ в тяговом режиме
    • Силовые цепи вагона ЕжЗ в тормозном режиме
    • Общие сведения о схеме цепей управления
    • Цепи управления вагона Е в тяговом режиме
    • Цепи управления вагона Е в тормозном режиме
    • Цепи управления вагона ЕжЗ в тяговом режиме
    • Цепи управления вагона ЕжЗ в тормозном режиме
    • Резервное управление поездом
    • Система АЛС — АРС. Контроль эффективности торможения и бдительности машиниста
    • Общие сведения о схеме вспомогательных цепей
    • Вспомогательные цепи высокого напряжения
    • Вспомогательные цепи низкого напряжения
    • Защита электрических цепей вагона
    • Цепи сигнализации неисправностей
    • Система планово-предупредительного ремонта
    • Причины производственного травматизма
    • Электротравматизм и его предупреждение
    • Правила безопасной работы с инструментами и приспособлениями
    • Правила безопасности при осмотре и ремонте вагонного оборудования

    Электродинамический тормоз электровозов ЧС2 Т и ЧС200

    Рассмотрены устройство и работа основного электронного оборудования, применяемого в электродинамическом (реостатном) тормозе системы «Шкода». Применительно к электродинамическому тормозу электровозов ЧС2 Т и его модификации на скоростном электровозе ЧС200

    Источник

    Тяговый электродвигатель: назначение и применение

    Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрический ток и наоборот. Подавляющее большинство электрических устройств работают по простой схеме: под действием механической энергии вырабатывается электричество, которое в свою очередь вызывает движение станков, машин, механизмов, подвижного состава. В транспортной отрасли хорошо известен тяговый электродвигатель, приводящий в действие колесные пары вагонов. Использование их в режиме генератора дает возможность затормозить состав. Процесс торможения происходит за счет нагрузки, образующейся в процессе превращения механической энергии состава, находящегося в движении, в электрический ток.

    1. Появление и развитие тяговых устройств
    2. Коллекторный агрегат на постоянном токе
    3. Назначение и устройство станины
    4. Главные полюса
    5. Назначение и устройство добавочных полюсов
    6. Якорь и коллектор
    7. Тяговые электродвигатель асинхронного типа
    Читайте также:  Исследование однофазных цепей переменного тока пгупс

    Появление и развитие тяговых устройств

    В самом начале, когда электрический транспорт только начал использоваться, на всех видах подвижного состава устанавливались коллекторные тяговые электродвигатели. При этом передача энергии осуществлялась по самой простой схеме, поэтому агрегатами можно было легко управлять в любом рабочем режиме. Технические и механические характеристики полностью отвечали всем требованиям транспортной специфики.

    Тяговый электродвигатель: назначение и применение

    Тем не менее, в процессе эксплуатации тяговый электродвигатель постоянного тока обнаружил ряд недостатков. В первую очередь, это сам коллектор, оборудованный подвижными контактами – щетками, требующий регулярного технического обслуживания. Принимаемые меры по снижению искрения, повышению надежности коммутации, во многом усложнили устройство двигателя. В результате, его размеры заметно увеличились, а максимальная скорость вращения осталась на прежнем уровне.

    Постепенно развивалось направление силовой техники на основе быстродействующих полупроводников. Это позволило заменить реостатную систему, применяемую в коллекторных агрегатах, импульсной, отличающейся повышенной надежностью и экономичностью. В дальнейшем, в вагонных парах стал устанавливаться асинхронный тяговый двигатель в качестве приводного механизма.

    Основными проблемами, с которыми пришлось столкнуться при эксплуатации асинхронных двигателей, считаются сложные регулировки. Определенные трудности возникают при использовании электрического торможения, когда для этих целей служат моторы на основе короткозамкнутого ротора. В данный период идет разработка более современных тяговых приводов на основе синхронных агрегатов, в которых установлен ротор на постоянных магнитах.

    Поскольку на железнодорожном транспорте до сих пор широко используются именно коллекторные агрегаты, следует более подробно рассмотреть их общее устройство и порядок работы.

    Коллекторный агрегат на постоянном токе

    Любой коллекторный агрегат является своеобразной электрической машиной, которая в зависимости от своего предназначения выполняет функции генератора или электродвигателя. Отличительной чертой этих устройств считается соединение якорной обмотки с коллектором.

    Основным источником питания коллекторных движков служит постоянный ток. Сейчас уже выпускаются модификации многофункциональных агрегатов с невысокой мощностью, способных работать не только от постоянного, но и от переменного тока.

    Стандартный тяговый электродвигатель состоит из коллектора (1), щеток (2), сердечника ротора или якоря (3), сердечника главного полюса (4), обмотки возбуждения (5), станины (6). Кроме того, сюда же включены подшипниковый щит (7), вентилятор (8), якорная обмотка (9).

    Все детали соединяются в несколько конструктивных элементов. Прежде всего, это магнитная система, под влиянием которой появляется магнитное поле, а также якорь с обмоткой, вращающийся с помощью подшипников. Коллектор и другие детали разъединяются между собой воздушной прослойкой.

    В агрегатах постоянного тока возникновение магнитного поля происходит с участием обмоток возбуждения. Они располагаются на полюсных сердечниках и подключены к постоянному току. Количество полюсов может быть разным, в зависимости от мощности двигателя и его использования в транспортной единице. Их число чаще всего находится в рамках от 2 до 12. Стандартная магнитная система представляет собой монолитную металлическую станину, в которой присутствуют съемные шихтованные сердечники. Чтобы понять, как взаимодействуют узлы и детали между собой, необходимо более подробно рассмотреть устройство каждого компонента.

    Назначение и устройство станины

    Каждый тяговый электродвигатель оборудуется станиной, используемой прежде всего в качестве магнитопровода, по которому осуществляется прохождение магнитных потоков основных и дополнительных полюсов. Еще она служит местом расположения и крепления полюсов и подшипниковой защиты.

    При наличии больших нагрузок станина обычно бывает отлита из стали или сварена из толстых электротехнических стальных листов. Благодаря такой конструкции создается требуемая механическая устойчивость и высокая магнитная проницаемость. Стенки обычно имеют толщину, обеспечивающую установленный уровень магнитной индукции, а ее размеры ориентированы на поперечное сечение главных полюсов и составляют не ниже 50% этого размера.

    На представленном рисунке отмечено расположение станины (1), относительно других деталей и компонентов – сердечника полюса (2), катушки обмотки возбуждения (3) и полюсного башмака (4). Между всеми элементами и якорем существует воздушная прослойка (5). Размеры диаметра изнутри станины рассчитываются так, чтобы в этом пространстве мог разместиться якорь, полюса главные и дополнительные и их обмотки.

    Тяговый электродвигатель локомотива может иметь стальную литую станину с уменьшенной массой и пониженным поперечным сечением, ориентированным на оси главных полюсов. Это дает возможность равномерно распределить магнитный поток, поступающий к станине от главного полюса.

    Частично станина, не выполняющая функции магнитопровода, образует коллекторное пространство с незначительной толщиной стенок, достаточной для обеспечения необходимой механической прочности. В некоторых конструкциях это место закрывается отдельными ребрами жесткости, прикрытыми тонким защитным кожухом.

    Главные полюса

    Тяговый электродвигатель, работающий на постоянном токе, включает в свою конструкцию обмотку возбуждения, где и появляется магнитодвижущая сила, создающая, в свою очередь, магнитное поле. В состав обмотки входят катушки, надеваемые на сердечники основных полюсов. На стороне сердечника, направленной к якорю, устанавливается полюсный наконечник, он же башмак. С его помощью осуществляется равномерное распределение магнитного потока по всей поверхности якоря. Перечисленные детали отмечены на предыдущем рисунке вместе со станиной.

    На практике довольно редко используется схема, включающая в себя полюсный сердечник и полюсный башмак. Как правило, они объединяются в единое целое и образуют главный полюс. За счет этого в сердечнике полюса наступает снижение вихревых потоков, вызываемых действием пульсаций магнитной индукции в наконечниках из-за зубчатой поверхности якоря.

    Для сборки полюса используются стальные лакированные листы, которые затем попадают под пресс высокого давления. Сквозь сердечник пропускаются болты или специальные заклепки, чтобы стянуть всю конструкцию. Их равномерное распределение позволяет успешно выдерживать упругость сжатых полос. Крепление полюсов к станине осуществляется с помощью болтов или шпилек.

    Назначение и устройство добавочных полюсов

    Каждый тяговый электродвигатель мощностью более 1 кВт оборудуется дополнительными полюсами, для того чтобы снизить количество искр, появляющихся на щетках. Их устройство очень простое, включающее в себя сердечник (1) и катушку (2), где использован медный проводник в изоляции. Его сечение рассчитывается по рабочему току двигателя, поскольку эта катушка и обмотка якоря последовательно подключаются друг к другу.

    Стальной сердечник изготавливается в виде монолитной конструкции, по причине отсутствия в нем вихревых токов, так как магнитная индукция имеет очень малую величину. Местом монтажа дополнительных полюсов определен промежуток между главными полюсами, а крепление к станине выполняется специальными болтами. Величина воздушной прослойки под ними существенно превышает зазор под главными полюсами. Его регулировка выполняется при помощи специальных пластин из материалов магнитного или немагнитного типа, а окончательная величина определяется, когда тяговый двигатель постоянного тока настраивается на коммутацию при достижении минимального количества искр.

    Якорь и коллектор

    В состав якоря входит вал, сердечник, обмотки и коллектор. Конфигурация сердечника выполнена в форме цилиндра, а сам он изготовлен из тонких штампованных листов электротехнической стали. Для изоляции листов используется лак или бумага. В сжатом виде после сборки сердечник фиксируется нажимными шайбами. Благодаря устройству сердечника, удается компенсировать влияние вихревых токов и снизить в нем утечку электроэнергии. Охлаждение ТЭД выполняется за счет специальных каналов вентиляции, устроенных в сердечнике.

    Для якорных обмоток используется медный проводник круглого или прямоугольного сечения. Он закладывается в выемки сердечника и качественно изолируется от него. Вся обмотка делится на секции, концы каждой из них соединяются с коллектором путем пайки.

    В конструкцию каждого коллектора входит активная составляющая и система крепления. Изоляция медных коллекторных пластинок (7) выполняется с помощью специальных прокладок. Провода якорной обмотки припаиваются к выступу в конце элемента (5). Край пластин, расположенный снизу (6) после сборки зажимается с помощью двух нажимных колец (3). Эти кольца также изолируются, а сама изоляция утапливается на 1,5 мм внутрь скользящей поверхности коллектора.

    Тяговые электродвигатель асинхронного типа

    На железнодорожном транспорте асинхронный тяговый двигатель долгое время не мог использоваться из-за отсутствия в электроснабжении подвижного состава переменного трехфазного тока. Постепенно развивающееся электротехническое производство позволило создать и усовершенствовать электронику полупроводникового типа.

    Таким образом, были созданы преобразователи тока и напряжения, обладающие мощностью, достаточной, чтобы обеспечить энергией асинхронный тяговый двигатель. Ведущую роль в этом деле сыграли мощные транзисторы.

    Данные устройства оказались просты и надежны в эксплуатации. У них заметно снизились габаритные размеры и вес в сравнении с двигателями постоянного тока. Асинхронный тяговый двигатель не требует особого технического обслуживания, способен переходить в генераторный режим без специального переключения, а лишь под действием повышенной частоты вращения ротора. Подобная схема существенно упрощает использование системы электрического торможения.

    Генератор постоянного тока: устройство и принцип действия

    Принцип работы электродвигателя

    Устройство генератора: принцип работы

    Виды электродвигателей: устройство, принцип работы

    Источник

    

    Электрический двигатель постоянного тока

    Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

    Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

    Читайте также:  Пусковые токи натриевых ламп

    Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

    Устройство и описание ДПТ

    Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

    Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

    Схематическое изображение простейшего ДПТ

    1. Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
    2. Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
    3. Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
    4. Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

    Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

    Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

    Статор (индуктор)

    В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

    Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

    • с независимым возбуждением обмоток;
    • соединение параллельно обмоткам якоря;
    • варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
    • смешанное подсоединение.

    Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

    Схемы подключения обмоток статора

    Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

    У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

    Ротор (якорь)

    В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

    В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

    Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

    Ротор с тремя обмоткамиРисунок 3. Ротор с тремя обмотками Якорь со многими обмоткамиРисунок 4. Якорь со многими обмотками

    Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

    Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

    Схема электромотора с многообмоточным якорем

    Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

    Коллектор

    Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

    Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

    Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

    В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

    Принцип работы

    Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

    F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

    Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

    Принцип работы ДПТ

    Рис. 6. Принцип работы ДПТ

    Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

    Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

    Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

    Типы ДПТ

    Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

    Рассмотрим основные отличия.

    По наличию щеточно-коллекторного узла

    Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

    Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

    В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

    По виду конструкции магнитной системы статора

    В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

    О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

    Управление

    Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

    Механическая характеристика

    Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

    Примеры механических характеристик ДПТ

    Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

    Регулировочная характеристика

    Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

    Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

    Регулировочная характеристика ДПТ

    Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

    Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

    Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

    Области применения

    Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

    • бытовые и промышленные электроинструменты;
    • автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
    • трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

    Преимущества и недостатки

    К достоинствам относится:

    • Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
    • Легко регулируемая частота вращения;
    • хорошие пусковые характеристики;
    • компактные размеры.

    У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

    Недостатки:

    • ограниченный ресурс коллектора и щёток;
    • дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
    • ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
    • дороговизна в изготовлении якорей.

    По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

    Видео в дополнение к написанному



    Источник