Зарубежный опыт создания эпс - асинхронные тяговые двигатели. Бесколлекторные тяговые двигатели

Пособие содержит общие сведения о конструкции асинхронных электрических машин, о назначении их составных частей, рассмотрено устройство конкретной модели тягового электродвигателя. Рассматривается состав комплекта силового электрооборудования, назначение составных частей, их работа и взаимодействие.

Для правильного восприятия изложенного материала необходимо иметь представление об общих принципах управления силовым оборудованием и управления поездом с помощью САУ «Витязь» и по резервному каналу управления (в данном учебном пособии не рассматриваются). Изучению материала будут способствовать знания основ электротехники, в т.ч. и переменного тока, а так же принципов построения электрических цепей в системе трехфазного переменного тока. Для этого автор рекомендует изучить соответствующие разделы электротехники, используя учебную литературу или материал, изложенный в приложениях.

Двигатель подвержен различным внешним воздействиям, таким как пыль, песок, крошечные камни, части линии электропередачи, вода, соль или снег. Он также подвергается вибрациям в вертикальном, горизонтальном и осевом направлениях. Основной упор в его разработке заключался в значительном снижении уровня шума двигателя. Это было достигнуто, когда соответствующая конструкция уменьшила уровень звуковой мощности на 10-15 децибел.

На ранней стадии проекта трехмерная рабочая система уже смогла подготовить детали для покупки деталей с большим сроком поставки. Это значительно улучшает дизайн продукта и его производство. По сравнению с предыдущей системой, улучшенная функциональность и общие эксплуатационные расходы. Мы не должны забывать о значительной популярности в школах в Чешской Республике, - добавляет Мартин Влчек.

При подготовке была использована литература и техническая документация, перечень которой приведен в конце пособия.

Автор выражает благодарность всем специалистам, так или иначе принявшим участие в подготовке материала. Особую благодарность выражаю Данилову Н.Н.- заместителю начальника технического отдела ЗАО ЗРЭПС, оказавшему неоценимую помощь при подготовке третьей главы.

Компания, после завершения отрасли и финансовой реструктуризации, лучше ориентирована на сектор и является стабильной фирмой, имеющей прочную позицию на внутреннем и внешнем рынках. Его портфель продуктов включает в основном трамваи, пригородные поезда, локомотивы, вагоны метро, ​​троллейбусы или компоненты подвижного состава. Он успешно поставляет свою продукцию в ряд отечественных и зарубежных городов.

Йиржи Шиманек, Пардубицкий университет, Транспортный факультет Яна Пернера. Отдел электротехники, электроники и оборудования безопасности на транспорте. В первой части статьи представлены принципы управления обратной связью синхронного двигателя с постоянными магнитами, особенно в отношении применения в тяговом приводе подвижного состава. Во второй части представлено описание специального экспериментального рабочего места с приводом на колесо для синхронного двигателя с постоянными магнитами, который устанавливается на факультете транспортной инженерии Университета Пардубице.

Настоящее учебное пособие предназначено, прежде всего, для работников, обучающихся профессии машиниста в Учебно-производственном центре метрополитена, но может быть полезно для работников электродепо, желающих повысить уровень знаний в области тягового электропривода.

Преподаватель УПЦ

московского метрополитена

Данилов Е.Б.

Статья содержит результаты испытаний на этом экспериментальном рабочем месте с разработанной и внедренной структурой управления. Синхронный двигатель с постоянными магнитами является относительно новым приводом в области тяги. Использование этого типа двигателя для привода транспортных средств стало возможным благодаря улучшению свойств постоянных магнитов специальных сплавов с магнитной индукцией около 1 Тл.

Двигатели с внутренним ротором, где ротор вращается внутри статора, двигатели с внешним ротором, где ротор с магнитами окружает статор. Двигатели с внешним ротором используются в колесных приводах дорожных транспортных средств или приводов некоторых трамваев. В этих случаях конструкция двигателя встроена в конструкцию колес.

Асинхронный тяговый электропривод на вагонах метрополитена. Учебное пособие.

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Общие сведения о работе асинхронной трехфазной

электрической машины и ее конструкции. . . . . . . . . . . . .

Принцип управления обратной связью синхронного момента машины

Это преимущество особенно заметно в низкопоточном подвижном составе. Это, в основном, более сложная и дорогостоящая конструкция и более проблематичное решение аварийных ситуаций из-за неспособности машины обесточиваться. Выходное напряжение инвертора формируется с помощью широтно-импульсной модуляции.

Синхронная машина с постоянными магнитами с линейной структурой регулирования чаще всего используется в управляемых приводах в транспортной технике. На рис. 1 представлена ​​диаграмма замещения статора, из которой показана фазовая диаграмма, которая показывает ситуацию в режиме полного магнитного потока. Ситуация, которая очевидна на рисунках 1 и 2, была достигнута за счет структуры так называемой векторной регуляции и показывает аналогию с машиной постоянного тока, в которой якорный ток также перпендикулярен магнитному потоку возбуждения, а внутренний крутящий момент пропорционален анкерному потоку.

Конструкция и принцип действия асинхронных

электрических машин. . . . . . . . . . . . . . . … . . . . . . . . . . . .

Образование вращающего электромагнитного

момента в асинхронной электрической машине. . . . . . .

Устройство асинхронного тягового двигателя.

Математическое описание чередующихся электрических машин и применение их управляющих структур характеризуется использованием преобразованных систем координат, в которых представлены токи, напряжения и магнитные потоки. Этот угол должен измеряться датчиком углового вращения. Многие исследовательские работы теперь также посвящены возможностям бессенсорной оценки угла ротора. Поэтому крутящий момент определяется только размером тока статора. Условием является поддержание перпендикулярности пространственного вектора тока статора к магнитному потоку.

Технические данные. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Основные параметры двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Статор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ротор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

В этом режиме уже невозможно поддерживать перпендикулярное положение магнитного потока и тока статора. Импульсные свойства синхронного двигателя в режиме возбуждения могут быть выведены из общей зависимости момента к моменту, которая может быть изменена из уравнения математической модели в виде.

Из соотношения видно, что если машина имеет магнитно-симметричный ротор, то мгновенное отношение будет одинаковым в режиме полного магнитного потока, как в режиме возбуждения. Фазовая диаграмма электродвигателя-статора для режима возбуждения приведена на фиг. При увеличении частоты выходного напряжения первой гармоники при постоянной частотной широтно-импульсной модуляции стабильное состояние установившихся величин также будет увеличиваться и колебаться. Способ ослабления дизайна и использование поля является выгодным в том, что без каких-либо дискретных переходов плавно соединенных с контролем при полном магнитном потоке и сохраняет выходное напряжение инвертора к указанному, в этом случае наиболее подходящих, то есть предельное значение.

Подшипниковые щиты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Вентиляция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Датчик частоты вращения ротора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Тяговый привод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Используемый метод возбуждения работает по принципу регулирования амплитуды пропорционального напряжения, которое вводится в отдельных фазах на вход модуля широтно-импульсной модуляции. Поэтому целью является сохранение постоянного пропорционального значения векторного вектора напряжения статора, которое формируется инвертором.

Регулирование мгновенных значений токов в фазах статора

В случае постоянного входного напряжения инвертора постоянная амплитуда и эффективное значение напряжения статора статора являются постоянными. Для первоначальной проверки свойств тягового двигателя на экспериментальном рабочем месте была собрана и реализована простая управляющая структура, обеспечивающая контроль крутящего момента в соответствии с фазовой диаграммой на фиг. 2 путем управления мгновенными значениями токов в фазах статора. Генерация заданного значения синхронизируется с положением ротора так, что амплитуда тока в этой фазе происходит, когда ротор перпендикулярен оси этой фазовой обмотки.

Контейнер тягового инвертора КТИ. . . . . . . . . . . . . . . . .

Работа тягового привода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Приложения

Что такое переменный ток и чем он отличается от тока постоянного. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Таким образом, постоянный угол 90 ° поддерживается положением пространственного вектора тока статора через положение ротора. Структура регулирования тока в фазах статора была дополнена коррекцией индуцированного напряжения и показана на рис. Описанная структура была испытана при частотной широтно-импульсной модуляции 5 кГц до максимальной частоты напряжения статора и тока 130 Гц, то есть чуть более половины номинальной частоты двигателя. На этой частоте регулирующая структура обладала относительно хорошими свойствами, но на более высоких скоростях регуляторы тока уже не могли реагировать достаточно быстро на быстрые изменения заданных значений фазных токов, и наблюдалось чрезмерное увеличение контрольных отклонений.

Трехфазный переменный ток. . . . . . . . . . .

Вращающееся магнитное поле.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Использованная литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Введение

Использование электрических машин переменного тока в качестве тяговых электродвигателей на железнодорожном транспорте длительное время задерживалось из-за сложностей снабжения электроподвижного состава трехфазным переменным током. Однако, развитие электротехнической промышленности, в частности совершенствования силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорной схемотехники привело к созданию преобразователей тока и напряжения мощностью достаточной, чтобы обеспечить питанием тяговые электродвигатели. Особую роль в этом сыграла разработка транзисторов большой мощности.

Из-за ограниченного диапазона скоростей, используя этот метод, и из-за более сложного связывания этой структуры с алгоритмом уклонения, это. Метод отслеживания тягового привода отлично подходит. Однако эксперименты с этой структурой предоставили важные знания, которые были использованы при разработке и реализации окончательной структуры.

В исследовательских целях Транспортный факультет Яна Пернера из Пардубицкого университета долгое время предоставлял специальное тестовое условие с тридцатичетвертным синхронным двигателем с постоянными магнитами 58 кВт, 238 Гц, 650 мин -1. В этом испытательном состоянии сконструирован узел ведущего колеса, конструкция которого проистекает из концепции возможного привода низкопольного трамвая. Частичный двигатель с приводом от двигателя выбирается через параллельный шаровой шарнир. При номинальной частоте вращения двигателя круговая скорость колеса составляет 86 км ч -1.

В сравнении с коллекторными двигателями постоянного тока асинхронные двигатели обладают рядом преимуществ.

Впервые в отечественном массовом производстве применение асинхронных двигателей в качестве тяговых было применено на вагонах метрополитена моделей 81-740/741 и на части вагонов модели 81-720/721, а в дальнейшем на вагонах модели 81-760/761. Отечественной промышленностью налажен выпуск асинхронных электродвигателей для вагонов метрополитена. В настоящее время вагоны могут комплектоваться двигателями:

Двигатель хранится в тихих блоках, чтобы он мог качаться горизонтально. Колесо установлено на поворотном рычаге, прижатом пневматическим цилиндром к колесу против часовой стрелки, который соединен с асинхронной машиной нагрузки, имитирующей рельс. Цилиндр подвергается воздействию давления в диапазоне от 4 до 50 кН.

Для проведения исследования необходимо было дополнить этот трамвай необходимой электроникой питания и управления, а также сверхмощной машиной для испытания привода и предлагаемого рулевого управления, по крайней мере, до номинальной нагрузки. Асинхронный двигатель использовался в качестве погрузчика и подключался к валу испытательного колеса с помощью упругой муфты. В этом случае установлен датчик крутящего момента. В качестве погрузчика используется 10-контактный асинхронный электродвигатель, 55 кВт, 589 об / мин.

ТАД 280М 4У2 производства АЭК «Динамо»;

ДАТЭ–170 4У2 производства « ООО Электротяжмаш-Привод» г. Лысьва;

ТАДВМ-280 4У2 производства ОАО «НИПТИЭМ» г. Владимир;

ДАТМ-2У2 производства «ОАО Псковский электромашинострои-

тельный завод»;

ДТА 170 У2 АО «Рижский электромашиностроительный завод»;

ТА 280 4МУ2 производства «ОАО ELDIN» (Ярославский электро-

Общий вид рабочего места показан на рис. Принципиальная схема силовой части рабочей станции показана на рисунке. Общая цепь постоянного тока дополняется тормозным блоком с тормозным резистором. В связи с тем, что в устойчивом состоянии происходит обратная рекуперация между звеном постоянного тока между двумя машинами, тормозная схема применяется только в некоторых переходных или аварийных состояниях. Конфигурация силовой цепи и ее ключевых компонентов показана на рисунке 8, рис. 9 и рис.

Результаты экспериментов с разработанными и внедренными регуляторными структурами

Позиционирование резольвера двигателя показано на фиг. Для структуры тока статора используется частота 5 кГц. На рисунке 11 показаны формы тока в фазе, фактическое значение тока в фазе, входное напряжение на широтно-импульсном модуле и рассчитанное индуцированное напряжение при скачке тока на 5-40% при 76, 5 об / мин. Из осциллограмм коэффициенты, вытекающие из диаграммы на диаграмме на рисунке, очевидны.

машиностроительный завод).

Питание электродвигатели получают от преобразователей в составе КАТП-1 или КАТП-2 производства «ОАО Метровагонмаш».

Первые комплекты асинхронного привода на вагонах метрополитена были иностранного производства «HITACHI» и «ALSTOM».

Существенно повысить силу тяги и скорость движения невозможно, не увеличив мощность тяговых двигателей электровозов. Но дальнейшее повышение их мощности осуществлять все трудней и трудней. Этому препятствуют прежде всего размеры тягового двигателя: длина его ограничена расстоянием между бандажами колесных пар, диаметр - расстоянием между осью колесной пары и валом двигателя - централью Ц (см. рис. 3) . До сих пор при наличии жестких габаритных ограничений размеров двигателей мощность их повышали, применяя более теплостойкие изоляционные материалы, усиливая охлаждение, увеличивая число пар полюсов, применяя компенсационную обмотку, выбирая оптимальное напряжение для тяговых двигателей электровозов переменного тока.

Явление переходного процесса, вызванное ступенчатым изменением требуемого значения крутящего момента, вызывает, согласно фиг. 11 и 12, систему для вибрации. Однако в случае реального тягового привода эта вспышка не возникает, потому что изменения заданных значений контролируемых величин всегда вводятся после наклонов. На этом рисунке показаны коэффициенты для такого переходного явления.

Во время этого измерения требуемый крутящий момент изменяется от 50% до -50%, т.е. переход от режима двигателя к режиму генератора. Очевидно, что когда желаемое значение изменяется после рампы, схема управления не вибрирует. На рисунке 14 показаны детали холостого хода двигателя холостого хода с заданным крутящим моментом 10%. Это значение снова увеличивается после рампы.

С повышением мощности двигателей все напряженнее работает коллекторно-щеточный узел. Его состоянием в значительной мере определяется продолжительность работы электровоза между осмотрами и ремонтами. Повышение мощности коллекторных тяговых двигателей не способствует увеличению их надежности и к. п. д. Поэтому вполне понятно стремление создать мощный бесколлекторный тяговый двигатель.

Электровозы с асинхронными тяговыми двигателями. На протяжении всей истории создания и совершенствования электровозов не раз пытались использовать на них самый простой и дешевый асинхронный двигатель. До недавнего времени этого не удавалось сделать, так как частоту его вращения можно экономично регулировать только изменением частоты питающего тока. Применяемые ранее с этой целью электромашинные преобразователи были тяжелыми и громоздкими. Появление тиристоров открыло путь для создания легкого и надежного преобразователя частоты.

Устройство асинхронного тягового двигателя, как отмечалось, несложно. Он имеет неподвижный статор и вращающийся ротор (рис. 126). Различают асинхронные двигатели с короткозамк-нутым ротором и с фазовым ротором. В качестве тяговых используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Сердечник такого ротора, как и статора, собирают из листов электротехнической стали. Обмотка ротора состоит из медных стержней, расположенных в пазах сердечника и замкнутых с торцов кольцами. Обмотка представляет собой так называемое «беличье колесо». В пазах статора уложены три обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 120°. Эти обмотки обычно соединяют «звездой» (рис. 126, а) . При включении обмоток в трехфазную цепь по каждой из них проходит переменный ток и создается три переменных магнитных потока. Потоки, складываясь, образуют результирующий поток, вращающийся с частотой 3000 об/мин при одной паре полюсов на каждую фазу. Вращающийся магнитный поток статора двигателя, пересекая обмотку ротора, наводит в ней э. д. с. Под действием э. д. с. в обмотке ротора проходит ток, создающий собственный магнитный поток. Магнитные потоки статора и ротора взаимодействуют, в результате чего ротор начинает вращаться.

Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного потока статора, иначе силовые линии не пересекали бы обмотку ротора. Разность этих частот вращения называется скольжением. Увеличивая число пар полюсов, можно получить другие частоты вращения магнитного потока: 1500, 1000, 750 об/мин и т. д. Частота вращения ротора будет несколько меньше этих значений.

Обычно скольжение составляет 1 - 3% синхронной частоты. Следовательно, если изменять частоту питающего напряжения в широких пределах и тем самым синхронную частоту, вместе с ней будет изменяться и частота вращения ротора. Но, помимо частоты, необходимо регулировать и напряжение, подводимое к асинхронному двигателю, для того, чтобы получить тяговую характеристику, примерно такую, как при использовании двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.

Регулирование напряжения осуществляется, как и на отечественных электровозах переменного тока, переключением вторичной обмотки тягового трансформатора с помощью главного контроллера ГК (рис. 127) ступенями. Затем в выпрямительной установке В напряжение выпрямляется и подается на инвертор И. В выпрямителе осуществляется плавное регулирование напряжения, подводимого к инвертору И.

Открывая и закрывая тиристоры инвертора в определенной последовательности, получают трехфазное напряжение, которое подводится к обмотке статора асинхронного двигателя АД. Напомним, что к обычным асинхронным двигателям подводится переменное трехфазное напряжение, а следовательно, и ток, изменяющийся синусоидально. При этом каждая фаза питающего напряжения сдвинута относительно другой на 120° эл., как показано на рис. 128. Для наглядности изменение напряжения каждой фазы показано на отдельных осях. При формировании трехфазного напряжения на электровозе с асинхронными двигателями тиристоры инвертора создают напряжение ступенчатой формы в каждой фазе. Частота напряжения, подводимого к асинхронному двигателю, регулируется изменением частоты переключения этих тиристоров.

В инверторе предусмотрено специальное устройство, надежно восстанавливающее управляющие свойства тиристоров при срыве инвертирования. Реверсирование тяговых двигателей осуществляют, переключая цепи управления тиристоров инвертора, так как для изменения направления вращения асинхронного двигателя достаточно поменять местами любые две подводимые фазы питающего напряжения.

На основе разработок научно-исследовательских и учебных институтов на Новочеркасском электровозостроительном заводе построен электровоз переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями ВЛ80а на базе электровоза ВЛ80К. Мощность каждого тягового двигателя составляет 1200 кВт, т. е. в 1,5 раза больше, чем коллекторного двигателя электровоза ВЛ80К. Один из вариантов (12-осный, мощность часового режима 11400 кВт) электровоза с асинхронными тяговыми двигателями получил обозначение ВЛ86. Он разработан в содружестве с финской фирмой «Стрёмберг».

Электровозы с вентильными синхронными двигателями. В качестве бесколлекторных тяговых двигателей на электровозе можно использовать и синхронные двигатели со статическими (вентильными) преобразователями - так называемые вентильные двигатели.

Поясним принцип работы вентильного двигателя. На его статоре расположена трехфазная обмотка, а на роторе - обмотка возбуждения постоянного тока (рис. 129). Начало и конец обмотки возбуждения соединены с двумя кольцами, электрически изолированными одно от другого. Фазные обмотки статора соединены в «звезду»; начала их подключены к преобразователю - инвертору И (или источнику постоянного тока). Инвертор И питается от выпрямителя В, подключенного к вторичной обмотке тягового трансформатора. Если, например, в какой-либо момент времени открыты тиристоры К5 и У85 инвертора, ток от выпрямителя В пройдет через тиристор У81, обмотки статора 1 и 2, тиристор Ув5, обмотку возбуждения ОВ и возвратится в выпрямитель. При указанном стрелками направлении тока в обмотках 1, 2 и обмотке возбуждения результирующий магнитный поток статора, взаимодействуя с потоком обмотки возбуждения, создаст вращающий момент, и ротор повернется по часовой стрелке. Переключая в определенном порядке выводы статорной обмотки, можно обеспечить непрерывное вращение ротора.

Таким образом, по принципу действия вентильный двигатель подобен машине постоянного тока, у которой коллектор заменен системой силовых управляемых вентилей инверторной установки. В отличие от двигателя постоянного тока вентильный двигатель имеет только три коммутируемых вывода при трехфазной обмотке вместо нескольких сотен коллекторных пластин. Кроме того, обмотка возбуждения в вентильном двигателе стала подвижной, а якорь - неподвижным. Вентильная коммутация тока в обмотках допускает значительное напряжение между выводами - до нескольких тысяч вольт. Напомним, что обычный механический коллектор удовлетворительно работает при напряжении между коллекторными пластинами не более 30-32 В (максимальное допустимое 37-42 В). Переключение выводов статорной обмотки в необходимой очередности и соответственно изменение положения ротора осуществляет система управления, имеющая специальный датчик положения ротора.

Вентильный двигатель является многофазной машиной, обмотка якоря которой питается от преобразователя, управляемого синхронно с вращением ротора, снабженного обмоткой возбуждения. Таким образом, вентильный двигатель состоит из электрической машины, вентильного преобразователя и связывающей их системы управления.

Новочеркасским электровозостроительным заводом первоначально был построен опытный образец восьмиосного грузового электровоза ВЛ80В с вентильными тяговыми двигателями. После испытания его была выпущена небольшая партия подобных электровозов для эксплуатационных испытаний. Электровозы оборудованы системой автоматического управления, действующей в режимах тяги и электрического торможения. На электровозе применено независимое возбуждение вентильных двигателей от выпрямителей-возбудителей, изменяющих ток возбуждения пропорционально току обмотки якоря двигателя. Ротор двигателя имеет шесть полюсов, ток к обмотке возбуждения подводится через два кольца и щетки.

Частота вращения двигателя регулируется изменением подводимого напряжения. Напряжение вторичной обмотки, а следовательно, и выпрямителя регулируется примерно так же, как и на электровозах переменного тока с коллекторными двигателями. Исключено только встречное включение регулируемой и нерегулируемой обмоток трансформатора и несколько повышено их напряжение. После того как к двигателям будет подведено номинальное напряжение, дальнейшее увеличение скорости осуществляется регулированием магнитного потока возбуждения.

На опытных электровозах ВЛ80 схема выпрямления и преобразования тока несколько отличается от изображенной на рис. 129. На рис. 129 показаны отдельно выпрямитель В и инвертор Я, т. е. приведена так называемая схема с явным звеном постоянного тока. На электровозе ВЛ808 выпрямитель и инвертор совмещены.

Поделиться: