Тяговые электродвигатели (ТЭД) служат для преобразования электрической энергии в механическую, передаваемую затем с помощью специальных устройств на колесные пары локомотива.
Классификация ТЭД. Тяговые двигатели локомотивов классифицируют по ряду признаков, а именно: по способу питания, конструктивному исполнению, типу привода колесных пар и роду тока.
По способу питания электрической энергией ТЭД локомотивов различают: от тягового генератора (на тепловозах), от контактного провода или от тяговых аккумуляторных батарей (на электроподвижном составе).
Каждый ТЭД локомотива может осуществлять механический привод одной оси — индивидуальный привод, нескольких осей — групповой привод. Наибольшее применение на локомотивах с электрическим приводом колесных пар стран мира получил индивидуальный привод. Однако в ряде стран, например, во Франции серийно строились тепловозы и электровозы с групповым приводом колесных пар. В нашей стране в середине 70-х годов прошлого века на Людиновском тепловозостроительном заводе (ныне ОАО "Людиновотепловоз") также был построен опытный тепловоз ТЭМ12 мощностью 880 кВт (1200 л.с.), который имел групповой привод колесных пар. На четырехосном тепловозе ТЭМ12 были установлены два ТЭД типа ЭД-121, по одному на тележку. Якори обоих двигателей ЭД-121 были соединены между собой и с колесными парами тепловоза посредством карданных валов и осевых редукторов по схеме, похожей на тяговый привод колесных пар тепловоза ТГМ6 с гидропередачей.
В зависимости от рода тока, подводимого к двигателю, различают тяговые электродвигатели постоянного тока (ТЭД) и переменного тока (ТАД) (асинхронные и вентильные). Асинхронные ТАД получили наибольшее распространение на локомотивах и применены на опытных тепловозах с передачей переменного тока ВМЭ1, ТЭ120, ТЭМ21 и 2ТЭ25А.
Вентильные (синхронные) ТАД переменного тока по принципу действия подобны коллекторным машинам постоянного тока. Вместо коллектора на них используется система силовых управляемых вентилей (полупроводников) преобразовательной установки, которые служат для преобразования тока (как коллектор) и управления режимами работы ТАД и локомотива в целом. Вентильные ТАД применены на электровозах переменного тока ВЛ80В, ЭП200 и других.
Принцип работы двигателей постоянного тока. Как уже отмечалось ранее, все электрические машины постоянного тока обладают свойствами обратимости и без особого изменения конструкции могут работать в генераторном или двигательном режиме. Поэтому, если сравнить устройство простейшего генератора и электродвигателя, то можно найти много общего.
Устройство простейшего электродвигателя показано на . 1. Магнитное поле с магнитным потоком Ф создается постоянными магнитами разной полярности С и Ю. В магнитном поле Ф находится металлическая рамка 1. Если к рамке 1, состоящей из двух проводников, с помощью щеток 3, 4 и двух полуколец 2 подвести электрическую энергию постоянного тока I, например, от аккумуляторной батареи АБ, то на каждый проводник с током в соответствии с законом Ампера будет действовать электромеханическая сила F, стремящаяся вытолкнуть их из магнитного поля.
Направление действия этой силы F и движения проводника с током определяются правилом левой руки, в соответствии с которым на проводник, находящийся под полюсом Ю, действует сила F (влево), а на проводник под полюсом С — сила F с противоположным направлением действия. Эти две силы F создают так называемый электромагнитный момент М, под действием которого рамка будет вращаться по часовой стрелке и обеспечивать привод какого-либо устройства, например, колесной пары локомотива.
Как уже отмечалось ранее, в реальных конструкциях тяговых электрических машин постоянного тока для создания магнитного потока Ф вместо постоянных магнитов применяют специальные катушки (обмотки) возбуждения, изготовленные из медного провода или шинной меди, которые размещают на стальных сердечниках полюсов. Функции рамки с током в ТЭД выполняет якорь с обмоткой, витки которой соединяют с коллектором.
На преодоление каких же сил сопротивления при работе ТЭД расходуются тысячи киловатт электрической энергии, поступающей с зажимов тягового генератора или выпрямительной установки локомотива?
В связи с тем, что проводники рамки (якоря) будут пересекать магнитные силовые линии магнитного потока Ф, согласно закону электромагнитной индукции (закону Фарадея) в проводниках рамки будет индуктироваться (наводиться) э.д.с. самоиндукции Е. Она прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, частоте вращения рамки (якоря) n и некой магнитной постоянной (коэффициенту) се, т.е. Е = се∙n∙Ф. При вращении витка 1 с помощью полуколец 2 обеспечивается переключение направления тока в проводниках таким образом, что электромагнитные силы F, приложенные к верхнему и нижнему (см. . 56) проводникам рамки, будут сохранять свои направления действия, чем, в итоге, и обеспечивается постоянство направления вращения якоря ТЭД (величин М и n).
56. Схема устройства простейшего электродвигателя постоянного тока: 1 — рамка (виток); 2 — контактные кольца; 3 — щетки; С, Ю — постоянные магниты; АБ — аккумуляторная батарея; ТП — тяговый привод
Напряжение Uтэд, подводимое к двигателю, создает ток I в рамке (обмотке якоря), а величина э.д.с. самоиндукции Е препятствует протеканию тока, так как в соответствии с правилом правой руки направлена навстречу подводимому напряжению. Другими словами, одним из условий работы электрической машины в двигательном режиме является выполнение следующего требования: подводимое к ТЭД напряжение Uтэд должно всегда превосходить величину э.д.с. самоиндукции Е. То есть необходимо соблюдение неравенства Uтэд > Е, или Uтэд = Е +ΔU, где ΔU — потери напряжения в обмотках электродвигателя сопротивлением Rя, которые в соответствии с законом Ома равны ΔU = I∙Rя.
Чем больше электрическая мощность генератора и, соответственно, подводимое к ТЭД напряжение Uтэд, тем быстрее вращаются якорь двигателя и колесные пары (при постоянстве сопротивления движению) и увеличивается величина э.д.с. самоиндукции Е, на преодоление которой и затрачивается напряжение. Значит, именно на преодоление э.д.с. самоиндукции Е и расходуются тысячи киловатт электрической энергии, вырабатываемой тяговым генератором тепловоза. В принципе, для ТЭД локомотива может быть справедливо и другое объяснение: мощность его тяговых двигателей, имеющих жесткую механическую связь с колесными парами, затрачивается на преодоление сил сопротивления движению поезда.
Сформулируем основные условия, при выполнении которых электрическая машина постоянного тока способна работать в двигательном режиме:
создание магнитного потока Ф постоянными магнитами или катушками возбуждения, питаемыми от источника постоянного тока;
подведение к якорю извне электрической энергии постоянного тока напряжением U, величина которого должна быть больше э.д.с. самоиндукции Е;
направления тока I и э.д.с. Е всегда противоположны;
совпадение по направлению величин электромагнитного момента М и частоты вращения якоря n.
В целом можно отметить, что отличия в принципах работы простейшего двигателя и генератора заключаются только во взаимном направлении э.д.с. Е, тока I, электромагнитного момента М и частоты вращения якоря n.
Особенности устройства ТЭД постоянного тока. По конструкции, характетикам и, что особенно важно, по условиям эксплуатации ТЭД тепловозов заметно отличаются от тяговых генераторов и электрических машин общего назначения.
ТЭД локомотивов работают в крайне неблагоприятных для электрических машин условиях, а именно: при движении тепловоза происходит увлажнение и загрязнение изоляции, а также электрических контактов из-за попадания внутрь двигателя воды, снега и пыли. Возникают высокие перегрузки и перепады температур обмоток, особенно в зимнее время, а также механическое воздействие (большие ударные нагрузки и вибрация) от неровностей пути и другие. Не случайно именно тяжелые условия эксплуатации и недостаточное качество ремонта ТЭД часто являются причинами отказов и порч тепловозов в пути следования.
Устройство ТЭД рассмотрим на примере двигателя прстоянного тока ЭД-118А, который применяется на серийных грузовых тепловозах 2М62У, 2ТЭ10В, ЗТЭ10М, 2ТЭ116 и других.
Основными узлами двигателя ЭД-118А являются (. 57) неподвижный остов 5, закрытый подшипниковыми щитами 1,12, и вращающийся якорь 9 с обмотками 8, соединенный с помощью тягового редуктора с колесной парой тепловоза. Внутри остова 5, поперечное сечение которого — неправильный восьмигранник, закреплены четыре главных 10 и четыре добавочных 17 полюсов. Сердечники главных полюсов 10 набраны из отдельных стальных листов толщиной 2 мм, на них размещаются обмотки возбуждения, изготовленные из шинной меди сечением 8×25мм2. Как и в конструкциях тяговых генераторов постоянного тока, главные полюсы с катушками предназначены для создания магнитного поля (потока) Ф возбуждения в ТЭД.
57. Тяговый электродвигатель ЭД-118А: 1 — передний подшипниковый щит; 2 — коллекторная пластина; 3 — нажимной конус; 4 — щеткодержатель со щетками; 5 — остов; 6 — корпус коллектора; 7 — передняя нажимная шайба; 8 — обмотка якоря; 9 — сердечник якоря; 10 — сердечник и катушка возбуждения главного корпуса; 11 —защитный козырек; 12 — задний подшипниковый щит; 13 — задняя нажимная шайба; 14 — вал якоря; 15 — моторно-осевой подшипник; 16 — крышка моторно-осевого подшипника; 17— добавочный полюс
Добавочные полюсы 17 изготавливают из толстостенного проката. Их назначение — улучшение условий коммутации ТЭД. Катушки добавочных полюсов выполнены также из шинной меди сечением 6×30 мм2.
Магнитная система двигателя ЭД-118А включает в себя остов 5, главные 10 и добавочные 17 полюса с обмотками.
Якорь двигателя состоит из сердечника 9, вала 14, обмотки 8 и коллектора 6. Сердечник 9 якоря для уменьшения действия вихревых токов набран из тонких листов (толщиной 0,5 мм) электротехнической стали, покрытых лаком. Вал 14 якоря опирается на два роликовых подшипника, запрессованных в ступицы переднего 1 и заднего 12 подшипниковых щитов. На один конец вала 14, который выведен из остова 5, со стороны подшипникового щита 12 напрессована шестерня тягового редуктора (на . 57 не показана).
Обмотка якоря 8 состоит из изолированных витков медного провода. Выводы петлевой обмотки якоря впаяны в петушки коллекторных пластин 2.
Двигатель ЭД-118А оборудован четырьмя щеткодержателями 4, в каждом из которых размещены три разрезных щетки.
Свойства и характеристики ТЭД постоянного тока. Свойства и характетики электродвигателей постоянного тока определяются, преимущественно, способом включения обмотки возбуждения по отношению к обмотке якоря.
В технике и на локомотивах нашли применение электродвигатели постоянного тока со следующими системами возбуждения:
- последовательным возбуждением;
- параллельным возбуждением;
- смешанным возбуждением;
- независимым (от постороннего источника электрической энергии).
тяговой электродвигатель питание ток
