Ирина Эланс
Принцип работы электродвигателя
Введение.
Электрические машины постоянного тока получили наибольшее применение в качестве привода и тяговых двигателей. Они,имеют хорошие рабочие характеристики, обладают легкой возможностью регулирования скорости вращения в широких пределах, но по сравнению с двигателями переменного тока имеют и серьезные недостатки, такие как потребность в источнике постоянного тока, конструктивную сложность и более высокую стоимость, потребность в постоянном присмотре из-за наличия коллектора.
Двигатели с последовательным возбуждением применяются более широко, чем шунтовые. Двигатель последовательного возбуждения – основной тип тягового двигателя. Он имеет большой пусковой момент (пропорциональный квадрату силы тока). Двигатель автоматически приспосабливается к профилю пути, меняя соответственно скорость, что существенно для тягового двигателя..
Двигатели последовательного возбуждения широко применяются на пригородных и магистральных электрифицированных железных дорогах, в метро, в электрифицированном заводском и шахтном транспорте, в электрокарах и т. п.
Двигатели со смешанным возбуждением (с преобладанием последовательной обмотки) применяются в троллейбусах и на магистральных электрифицированных железных дорогах с рекуперативным торможением, то есть с отдачей энергии в сеть на спусках.
Двигатели с параллельным возбуждением применяются взамен асинхронных и синхронных там, где требуется плавное регулирование оборотов в широких пределах, например в мощных прокатных станах, в текстильной промышленности и т. д.
Электромашиностроительные заводы выпускают много типов машин постоянного тока с большим диапазоном по мощности, напряжению и скорости вращения, в открытом, защищенном, закрытом и взрывобезопасном исполнении.
Принцип работы
При прохождении тока по проводнику, расположенному в
магнитном поле, возникает сила электромагнитного
взаимодействия, стремящаяся перемещать
проводник в направлении, перпендикулярном
проводнику и магнитным силовым линиям.
Проводники обмотки якоря в определенном
порядке присоединены к коллекторным
пластинам. На внешней поверхности коллектора
установлены щетки положительной (+) и
отрицательной (-) полярностей, которые
при включении двигателя соединяют коллектор
с источником тока. Таким образом, через
коллектор и щетки получает питание током
обмотка якоря двигателя. Коллектор обеспечивает
такое распределение тока в обмотке якоря,
при котором ток в проводниках, находящийся
в любое мгновение времени под полюсами
одной полярности, имеет одно направление,
а в проводниках, находящихся под полюсами
другой полярности, - противоположное.
питание от одного Катушки возбуждения
и обмотка якоря могут получать питание
от разных источников тока, т. е тяговый
двигатель будет иметь независимое возбуждение.
Обмотка якоря и катушки возбуждения могут
быть соединены параллельно и получать питание от одного и того же источника
тока, т.е тяговый двигатель будет иметь
параллельное возбуждение. Сложным
требованием эксплуатации наиболее полно
удовлетворяют двигатели с последовательным
возбуждением их применяют на электровозах.
Существует несколько видов электрических
двигателей. Прежде всего, по роду тока
их разделяют на двигатели постоянного и, переменного тока.
Двигатели постоянного тока могут иметь
различный способ возбуждения: независимое,
смешанное или последовательное. Свойства
этих двигателей различны. Двигатели с
независимым возбуждением, или, как их
иногда называют, шунтовые, при изменении
нагрузки на валу в широких пределах мало
изменяют свою скорость вращения. Поэтому
их применяют в тех случаях, когда важно,
чтобы рабочая скорость механизма оставалась
примерно постоянной.
Двигатели с последовательным возбуждением
характеризуются тем, что скорость их
вращения в большой степени определяется
нагрузкой на валу. При небольших нагрузках скорость
вращения двигателя велика, а при возрастании
нагрузки она в значительной степени понижается.
Эксплуатация таких двигателей без нагрузки
запрещена, так как при этом скорость вращения
может возрасти до такой величины, при
которой возможно механическое повреждение
двигателя.
Характеристики двигателей
смешанного возбуждения имеют среднее
значение между двигателей с независимым
и последовательным возбуждением.
Основные формулы.
Преобразованная мощность;
Электрический момент;
М=С
Уравнение электрического и мезанического состояния;
Где;
ï-суммарное сопротивление обмоток включенных в цепь якоря.
2 - падение напряжения на щетках .
- индуктивная цепь якоря.
U- напряжение на зажимах цепи якоря.
Уравнение равновесия напряжения двигателя;
U=
Уравнение равновесия на валу двигателя.
Где;
J
Преобразовываем формулы в следующий вид.
e=cфв ω
Назначение тягового двигателя ТЛ-2К.
На электровозе
ВЛ10 установлены восемь тяговых электродвигателей
типа ТЛ2К. Тяговый электродвигатель постоянного
тока ТЛ2К предназначен для преобразования
электрической энергии, получаемой из
контактной сети, в механическую. Вращающий
момент с вала якоря электродвигателя
передается на колесную пару через двустороннюю
одноступенчатую цилиндрическую косозубую
передачу. При такой передаче подшипники
двигателя не получают добавочных нагрузок
по аксиальному направлению. Подвеска
электродвигателя опорно-осевая. Электродвигатель
с одной стороны опирается моторно-осевыми
подшипниками на ось колесной пары электровоза,
а с другой на раму тележки через шарнирную
подвеску и резиновые шайбы. Система вентиляции
независимая, с подачей вентилирующего
воздуха сверху в коллекторную камеру
и выбросом сверху с противоположной стороны
вдоль оси двигателя. Электрические машины
обладают свойством обратимости, заключающимся
в том, что одна и та же машина может работать
как двигатель и как генератор. Благодаря
этому тяговые электродвигатели используют
не только для тяги, но и для электрического
торможения поездов. При таком торможении
тяговые двигатели переводят в генераторный
режим, а вырабатываемую ими электрическую
энергию отдают в контактную сеть.
Такое торможение называется рекуперативное
.
Устройство ТЛ-2К.
Тяговый двигатель ТЛ-2К состоит из остова, якоря, щеточного аппарата и подшипниковых щитов . Остов двигателя представляет собой отливку из стали марки 25Л цилиндрической формы и служит одновременно магнитопроводом. К нему крепятся шесть главных и шесть дополнительных полюсов, поворотная траверса с шестью щеткодержателями и щиты с роликовыми подшипниками, в которых вращается якорь двигателя. С наружной поверхности остов имеет два прилива для крепления букс моторно-осевых подшипников, прилив и съемный кронштейн для подвески двигателя, предохранительные приливы и приливы с отверстиями для транспортировки. Со стороны коллектора имеются три люка, предназначенные для осмотра щеточного аппарата и коллектора. Люки герметично закрываются крышками. Крышка верхнего коллекторного люка укреплена на остове специальным пружинным замком, крышка нижнего одним болтом М20 и специальным болтом с цилиндрической пружиной и крышка второго нижнего люка четырьмя болтами М12. Для подачи воздуха имеется вентиляционный люк. Выход вентилирующего воздуха осуществлен со
стороны, ротивоположной коллектору, через специальный кожух на остове.
Выводы из двигателя выполнены кабелем
марки ПМУ-4000 сечением 120 мм2. Кабели защищены
брезентовыми чехлами с комбинированной
пропиткой. На кабелях имеются ярлычки
из полихлорвиниловых трубок с обозначениями
Я, ЯЯ, К и КК. Выводные кабели Я и ЯЯ соединены
с обмотками: якоря, дополнительных полюсов
и с компенсационной , а выводные кабели
К и КК соединены обмотками катушек
главных полюсов.
Сердечники
главных полюсов собраны из листовой электротехнической
стали толщиной 0,5 мм, скреплены заклепками
и укреплены на остове четырьмя болтами
М24 каждый. Между сердечником главного
полюса и остовом имеется одна стальная
прокладка толщиной 0,5 мм. Катушка главного
полюса, имеющая 19 витков, намотана на
ребро из мягкой ленточной меди МГМ
и изогнута по радиусу для обеспечения
прилегания к внутренней поверхности
остова. Корпусная изоляция состоит из
восьми слоев стекломикаленты марки ЛМК-ТТ
0,13*30 мм и одного слоя стеклоленты толщиной
0,2 мм, уложенных с перекрытием в половину
ширины ленты. Межвитковая изоляция выполнена
из бумаги асбестовой в два ряда слоя толщиной
0,2 мм и пропитана лаком К-58. Для улучшения
рабочих характеристик двигателя применена
компенсационная обмотка, расположенная
в пазах, проштампованных в наконечниках
главных полюсов, и соединенная с обмоткой
якоря последовательно. Компенсационная
обмотка состоит из шести катушек, намотанных
из мягкой прямоугольной медной проволоки
МГМ и имеет 10 витков. В каждом пазу расположено
по два стержня. Корпусная изоляция состоит
из 9 слоев микаленты и одного слоя стеклоленты,
уложенных с перекрытием в половину ширины
ленты.
Витковая изоляция имеет
один слой микаленты толщиной
0,1 мм, уложенной с перекрытием в половину ширины
ленты. Крепление компенсационной обмотки
в пазах клиньями из текстолита марки
Б.
Сердечники дополнительных полюсов выполнены
из толстолистового проката или поковки
и укреплены на остове тремя болтами М20
каждый. Для уменьшения насыщения добавочного
полюса между остовом и сердечником дополнительных
полюсов предусмотрены латунные прокладки
толщиной 7 мм. Катушки дополнительных
полюсов намотаны на ребро из медной проволоки
и имеют
10 витков каждая. Корпусная и покровная
изоляция этих катушек аналогична изоляции
катушек главного полюса. Межвитковая
изоляция состоит из асбестовых прокладок
толщиной 0,5 мм, пропитанных лаком К-58.
Щеточный аппарат
тягового электродвигателя состоит из
траверсы разрезного типа с поворотным
механизмом, шести кронштейнов и шести
щеткодержателей. Траверса стальная, отливка
швеллерного сечения имеет по наружному
ободу зубчатый венец, входящий в зацепление
с шестерней поворотного механизма. В
остове фиксирована и застопорена траверса
щеточного аппарата болтом фиксатора,
установленным на наружной стенке верхнего
коллекторного люка, и прижата к подшипниковому
щиту двумя болтами стопорного устройства:
одно – внизу остова, второе – со стороны
подвески. Электрическое соединение кронштейнов
траверсы между собой выполнено кабелями
ПС-4000 . Кронштейны щеткодержателя разъемные
(из двух половин) закреплены болтами М20
на двух изоляционных пальцах, установленных
на траверсе. Изоляционные пальцы представляют
собой стальные шпильки, опрессованные
прессмассой АГ-4, сверху на них насажены
фарфоровые изоляторы. Щеткодержатель
имеет две цилиндрические пружины, работающие
на растяжение. Пружины закреплены одним
концом на оси, вставленной в отверстие
корпуса щеткодержателя, другим на оси
нажимного пальца с помощью регулирующего
винта, которым регулируют натяжение пружины.
Кинематика нажимного механизма выбрана
так, что в рабочем диапазоне обеспечивает
практически постоянное нажатие на щетку.
Кроме того, при максимально допустимом
износе щетки давление нажимного пальца
на нее автоматически прекращается. Это
позволяет предотвратить повреждение
рабочей поверхности коллектора шунтами
сработанных щеток. В окна щеткодержателя
вставлены две разрезные щетки марки ЭГ-61
с резиновыми амортизаторами. Крепление
щеткодержателей к кронштейну осуществлено
шпилькой и гайкой.
Для более надежного крепления и для
регулировки положения щеткодержателя
относительно рабочей поверхности по
высоте коллектора на корпусе щеткодержателя
и кронштейна предусмотрена гребенка.
Якорь двигателя состоит из коллектора
обмотки, вложенной в пазы сердечника,
набранного в пакет из лакированных листов
электротехнической стали марки Э-22 толщиной,
0,5 мм, стальной втулки, задней и передней
нажимных шайб, вала катушек и 25 секционных
уравнителей, концы которых впаяны в петушки
коллектора. В сердечнике имеется один
ряд аксиальных отверстий для прохода
вентилирующего воздуха. Передняя нажимная
шайба одновременно служит корпусом коллектора.
Все детали якоря собраны на общей втулке
коробчатой формы, напрессованной на вал
якоря, что обеспечивает его замены. Катушка
имеет 14 отдельных проводников, расположенных
по высоте в два ряда, и по семи проводников
в ряду, они изготовлены из ленточной меди
размером 0,9?8,0 мм марки МГМ и изолированы
одним слоем с перекрытием в половину
ширины микаленты ЛФЧ-ББ толщиной 0,075 мм.
Корпусная изоляция пазовой части катушки
состоит из шести слоев стеклослюдянитовой
ленты ЛСК-110тт 0,11х20 мм, одного слоя ленты
электроизоляционного фторопласта толщиной
0,03 мм и одного слоя стеклоленты толщиной
0,1 мм, уложенных с перекрытием
в половину ширины ленты.
Уравнители секционные
Вся изоляция уложена с
перекрытием половины ширины
ленты. В пазовой части обмотка якоря крепится текстолитовыми
клиньями, а в лобовой части – стеклобандажом.
Коллектор тягового двигателя с диаметром
рабочей поверхности 660 мм состоит из 525
медных пластин, изолированных друг от
друга миканитовыми прокладками.От нажимного
конуса и корпуса коллектор изолирован
миканитовыми манжетами и цилиндром. Обмотка
якоря имеет следующие данные: число пазов
– 75, шаг по пазам – 1 – 13, число коллекторных
пластин – 525, шаг по коллектору – 1 – 2,
шаг уравнителей по коллектору – 1 – 176.
Якорные подшипники двигателя тяжелой
серии с цилиндрическими роликами типа
8Н2428М обеспечивают разбег якоря в пределах
6,3 – 8,1 мм. Наружные кольца подшипников
запрессованы в щиты подшипников, а внутренние
кольца напрессованы на вал якоря. Подшипниковые
камеры для предотвращения воздействия
внешней среды и утечки смазки имеют уплотнения.
Подшипниковые щиты запрессованы в остов
и прикреплены к нему каждый восемью болтами
М24 с пружинными шайбами. Моторно-осевые
подшипники состоят из латунных вкладышей,
залитых по внутренней поверхности баббитом
Б16, и букс с постоянным уровнем смазки.
Буксы имеют окно для подачи смазки. Для
предотвращения поворота вкладышей предусмотрено
в буксе шпоночное соединение.
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СИЛОВЫХ ЦЕПЕЙ.
Принципиальные схемы тяговых силовых цепей электровозов выполняют разнесенным способом. Отдельные цепи на схеме располагают горизонтально одна под другой — они образуют параллельные строки. Силовые цепи различных электровозов отличаются одна от другой прежде всего числом тяговых двигателей, которых может быть 16, 12, 8, 6 или 4. Кроме того, на построении схемы сказывается наличие или отсутствие рекуперативного либо реостатного торможения, используемый способ перехода с одного соединения двигателей на другое, число ступеней ослабления возбуждения, способы защиты силовых цепей. Как же выглядит силовая схема электровоза? На рисунке показана несколько упрощенная схема электровоза ВЛ10 для 1-й позиции главной рукоятки контроллера машиниста. Элементы электрического оборудования, входящие в силовую схему, показаны условными графическими изображениями. Силовая схема имеет четыре горизонтальные строки. В верхних двух строках приведены элементы оборудования, относящиеся к 1-й секции кузова, в двух нижних — ко 2-й секции. Силовые цепи секций I и II подключены друг к другу межкузовными соединенениями.
Режимы работы тягового двигателя ТЛ-2К.
Тяговые двигатели ТЛ-2К, как впрочем и другие электрические машины постоянного тока работают в трёх основных режимах; это пуск, рабочий режим и торможение. Рассмотрим эти режимы.
Пуск двигатетя.
Пуск двигателя постоянного тока прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 — 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 — 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.
Пусковой реостат выполняется из провода или ленты с высоким удельным сопротивлением, разделенных на секции. Провода присоединяются к медным кнопочным или плоским контактам в местах перехода от одной секции к другой. По контактам перемещается медная щетка поворотного рычага реостата. Реостаты могут иметь и другое выполнение. Ток возбуждения при пуске двигателя с параллельным возбуждением устанавливается соответствующим нормальной работе, цепь возбуждения включается прямо на напряжение сети, чтобы не было уменьшения напряжения, обусловленного падением напряжения в реостате
Необходимость иметь нормальный ток возбуждения связана с тем, что при пуске двигатель должен развивать возможно больший допустимый момент Мэм, необходимый для обеспечения быстрого разгона. Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно — путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.
Рабочий режим
С увеличением частоты вращения якоря пусковой ток должен уменьшиться, что позволит уменьшить и пусковое сопротивление; для этого переводят рычаг реостата на второй, затем на третий контакт и т. д., пока он не окажется на рабочем контакте (рычаг реостата нельзя долго держать на промежуточных контактах, так как пусковые реостаты рассчитаны на непродолжительное время работы и задержка их в таком режиме приводит к перегреву и выходу из строя).
В рабочем режиме сопротивление пускового реостата должно быть полностью выведено, так как оно рассчитано на кратковременный режим работы и при длительном прохождении тока выйдет из строя.
Электрическое торможение двигателя
Электрическое торможение основано на создании в двигателе тормозного момента, по направлению противоположного вращающемуся моменту, а при отключении двигателя моменту инерции.
Применяются
три вида электрического торможения: динамическое,когда
энергия ТЭД гасится на пусковых сопративлениях.
Рекуперативное , когда энергия вырабатываемая
ТЭД отдаётся в контактную сеть. Торможение
противовключением выполняется переполюсовкой
двигателя.
Рассмотрим каждый вид отдельно
Электродинамическое торможение.
Например, при переходе работающего двигателя в режим динамического (реостатного) торможения машина отключается от сети и включается на специальное нагрузочное сопротивление — тормозной реостат Rт .Идея состоит в том, что электродвигатель из режима двигателя переходит работать в режим генератора. В обмотке якоря индуктируются ЭДС Е, а поскольку цепь электродвигателя замкнута на тормозной реостат Rт, то в ней появляется генераторный тормозной ток Iт.
Iт = E / (Rя + Rт)
Здесь следует отметить следующее. При рассматриваемом тормозном режиме направление вращения якоря сохраняется прежним. В этом случае необходимо переключить концы обмотки возбуждения, дабы при изменении направления тока с двигательного на генераторный машина не размагнитилась. Направления тока в обмотке возбуждения Iв и, следовательно, потока Ф сохранены прежними; при прежнем направлении вращения ЭДС Е также сохраняет свое направление, а ток якоря меняет свое направление.
По мере затормаживания число оборотов двигателя падает снижается величина ЭДС и тока якоря, а следовательно, уменьшается и тормозной момент. Тогда для поддержания величины тока якоря и тормозного момента необходимо тормозное сопротивление делать секционированным, и постепенно выводить одну секцию за другой по мере уменьшения скорости.
Рекуперативное торможение
Рекуперативное торможение основано
на переходе двигателя в генераторный
режим. Оно отличается от динамического
тем что электрическая энергия, преобразованная
при торможении из механической, не гасится
бесполезно в тормозном реостате нагревая
его а отдается обратно в сеть.
Чтобы двигатель последовательного возбуждения
стал работать генератором, отдающим энергию
в сеть, необходимо выполнить два условия:
во-первых, противо-ЭДС электродвигателя
Е, сохраняя свое направление, должна стать
по величине больше напряжения сети U,
т. е. Е > U(только тогда ток якоря изменит
свое направление и станет рекуперативным
генераторным током), во-вторых, при переходе
к торможению ток в обмотке возбуждения
не должен менять своего направления,
чтобы электродвигатель не размагнитился.
Для этих целей машина переводится на
независимое возбуждение Цепь обмотки
возбуждения содержит регулировочный
реостат Rвр и получает питание от специального
возбудительного агрегата постоянного
тока. Изменением величины сопротивления
Rвр регулируют ток обмотки возбуждения
Iв и, следовательно, величину магнитного
потока Ф. От величины потока Ф зависят
ЭДС Е рекуперирующего электродвигателя
и рекуперативный ток якоря Iрек = (Е - U) /Rя, а также величина тормозного электромагнитного
момента Мт = смIрекФ. Регулирования тока рекуперации
и, следовательно, интенсивности торможения
может производится весьма плавно и в
достаточно широком диапазоне.
Торможение противовключением
Технически это осуществляется так. Пусть электромашина работает двигателем Для осуществления торможения переключим концы обмотки якоря, подведя к ней напряжение U обратной полярности но сохраним неизменным направление тока в обмотке возбуждения Iв и, следовательно, неизменным направление магнитного потока Ф. Так как направление вращения якоря также остается пока прежним, то и ЭДС машины Е остается прежнего направления, оказываясь действующей согласованно с приложенным напряжением U. Величина тока в якоре машины теперь будет Iя = (E + U)/Rя, а направление этого тока будет обратным по сравнению с тем, которое он имел при работе машины до торможения. Изменение направления тока Iя при неизменном направлении магнитного потока Ф приводит к изменению направления момента электродвигателя М, который вместо движущегося становится тормозным.
Таким
образом, якорь двигателя затормаживается.
Во избежание чрезмерного возрастания
тока двигателя в начале торможения, когда
к нему приложено повышенное напряжение
Е + U, в его цепь включают ограничительное
добавочное сопротивление Rод, снижая этим ток до допустимой
величины.
Торможение
противовключением
Вывод.
В данной работе рассмотрели принцип действия, назначение, конструкцию тягового двигателя ТЛ-2к его применение, достоинства и недостатки, а также режимы его включения.
ТЛ-2к используется на Ж/Д транспорте в качестве тягового двигателя электровозов ВЛ-10, ВЛ-10у и ВЛ-11 всех разновидностей.
На ряду с его достоинствами и хорошими характеристиками у него также много недостатков, в частности сложность конструкции и необходимость применения постоянного тока. Также нужно признать что эти двигатели технически устарели, потому что на современных локомотивах устанавливаются синхронные двигатели, которые во многом превосходят ТЛ-2к, но как бы там не было они еще надёжно работают и достойны внимания.
Литература.
1. Электрические машины Ж/Д транспорта В.А. Винокуров Д.А. Попов.
2. Эксплуатация электровозов ВЛ-10, ВЛ-10у В.О. Кикнадзе.
3. Интернет.
