|
|
#1 (ссылка) |
|
Crow indian
Регистрация: 21.02.2009
Возраст: 40
Сообщений: 29,983
Поблагодарил: 398 раз(а)
Поблагодарили 5986 раз(а)
Фотоальбомы:
2576 фото
Записей в дневнике: 698
Репутация: 126089
|
Тема: [12-2023] Тяговый привод инновационного подвижного составаТяговый привод инновационного подвижного состава А.Е. КАРПОВ, заведующий лабораторией «Системы управления транспортными средствами», Е.В. НИКОЛАЕВ, доцент кафедры «Тяговый подвижной состав», Д.Н. ШЕВЧЕНКО, преподаватель кафедры «Тяговый подвижной состав», РОАТ РУТ (МИИТ) В современной мировой практике обязательными свойствами новой железнодорожной техники становятся высокие экономичность и технологичность, надежность и долговечность, безлюдные (малолюдные) технологии. Важнейшим качеством транспортных средств нового поколения является динамичность. Новые качества возможно получить только применяя концептуальные, принципиально новые конструктивно-технические решения, основанные на самых передовых инновационных научных разработках. В статье расскажем о том, на каких принципах создается тяговый привод инновационного тягового подвижного состава (ТПС) за рубежом. Как известно, величину вращающего момента любой электрической машины, как правило, определяет ее внутренний объем. Для того чтобы в имеющийся конструктивный объем в рамках ходовой части рельсового экипажа вписать асинхронный тяговый двигатель, который при отсутствии тягового редуктора способен развивать многократно увеличенный крутящий момент (в нашем случае — до пятикратной величины), необходимо оснащать его большим количеством полюсов. Однако это резко снижает коэффициент мощности и КПД тягового двигателя, вследствие чего прямодействующий привод является практически оправданным только в случае использования электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов. Учитывая наличие достаточного пространства только вокруг оси колесной пары, оптимальной конструкцией представляется классический синхронный тяговый двигатель на постоянных магнитах с радиальным распределением магнитного потока и с обмотками трехфазного тока. Самые современные инновационные решения в этой области представляют собой замену очень сложной системы тягового привода предыдущего поколения простым безредукторным прямодействующим приводом трехфазного тока на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов. Так, ротор инновационного двигателя Syntegra установлен непосредственно на оси колесной пары и состоит из листового роторного пакета и постоянного магнита (материал — неодим-сталь-бор). Принципиальным новшеством в рамках перехода на интегрированный прямодействующий привод является совмещение корпусов букс колесной пары с корпусом тягового двигателя, в котором размещаются обмотки статора. Концепция тягового привода нового поколения Syntegra основана на бесконтактной идентификации положения ротора для регулирования работы привода. При такой технологии регулирования оцениваются исключительно измерительные сигналы фазовых токов и напряжения промежуточного контура. В результате использования регулирования по положению ротора принципиально упрощается электродинамическое служебное торможение до остановки по сравнению с асинхронными приводами [1,2, 3]. Современный подвижной состав должен быть более экономичным и привлекательным для владельцев железнодорожного подвижного состава. Экономичность подвижного состава определяют не только капитальные вложения в его создание, но и общие затраты жизненного цикла. Более высокая привлекательность для владельцев железнодорожного подвижного состава должна достигаться приемлемыми тарифами и высокой скоростью движения поездов. Новый тяговый привод должен иметь компоненты уменьшенного объема и пониженной массы, при этом обеспечивающий увеличение максимальной скорости и ускорения при разгоне. Он должен быть малошумным, экологичным, дешевым, удобным в обслуживании. Помимо надежности и готовности к эксплуатации, большое значение имеют эксплуатационные расходы. Для их снижения необходимо, чтобы компоненты при малой массе имели высокую степень интеграции, обеспечивали низкий уровень потерь энергии, требовали минимального объема работ по техническому обслуживанию и ремонту. Таким образом, при разработке нового тягового привода должны использоваться новые пути и нетрадиционные решения. Новые возможности в этой области связаны с использованием специальных синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов [6]. Если обратиться к новейшей истории развития транспортных средств, то легко прослеживаются предпосылки для применения постоянных магнитов в электрических машинах, которые были созданы еще в 1970-х годах, когда появились магнитные материалы на базе сплавов железа, неодима и бора (FeNdB). Магниты на их основе имеют устойчивые характеристики в широком температурном диапазоне и приемлемую стоимость, могут серийно изготавливаться промышленностью. В последнее время достигнуты значительные успехи в разработке тяговых двигателей с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 1). Это, как правило, жидкостно охлаждаемые двигатели с внешним ротором. Впервые в качестве тяговых двигателей они были использованы на автобусах с дизель-электрическим приводом и троллейбусах. Новый двигатель может иметь небольшие размеры при высокой мощности, поэтому он особенно удобен для использования в таких приводах, где двигатель монтируется на ступице колеса. Вращающий момент и мощность жидкостно охлаждаемого двигателя с возбуждением от постоянных магнитов в 4 — 10 раз выше, чем у обычной электрической машины таких же размеров. Появление мощных полупроводниковых приборов, рассчитанных на большие токовые нагрузки и высокую частоту переключения (например, биполярных транзисторов с изолированным затвором, IGBT), создало условия для разработки тягового двигателя на постоянных магнитах, имеющего большое число пар полюсов. Новые магнитные материалы и транзисторы IGBT позволили приступить к работам по созданию мощного тягового двигателя, возбуждаемого постоянными магнитами. Первые теоретические исследования показали значительные преимущества такого тягового привода по сравнению с широко применяемым трехфазным асинхронным:
Охлаждающая жидкость в этих двигателях, имеющих наружный ротор, проходит через внутренний осевой канал статора, обеспечивая эффективное охлаждение всего двигателя. Привод от ступичного двигателя не требует редуктора. Он используется в электровагонах с пониженным уровнем пола в Хемнице, Дуйсбурге, Хельсинки и Сиднее. При разработке тягового двигателя на постоянных магнитах с большим числом пар полюсов определились две разные концепции:
В машине с поперечным потоком нет явно выраженных полюсных магнитов, несущих обмотку. Здесь статорные обмотки расположены концентрично оси вращения ротора, а магнитный поток замыкается поперечно направлению вращения ротора. Машины на постоянных магнитах могут также различаться типом ротора:
Внешние роторы секций имеют исполнение, обеспечивающее оптимальный вращающий момент, статоры расположены внутри. Каждый ротор имеет корпус из пластмассы, армированной стекловолокном, в нишах которого магниты закреплены на клее таким образом, что образуют кольцевой магнитный поток. Всего по окружности ротора размещено 56 высокоэнергетичных магнитов из сплава FeNdB. Дополнительно магниты закреплены бандажами, изготовленными из композитов, содержащих углеродное волокно. Благодаря этому в области бандажей не образуются вихревые токи. ![]() Смонтированный на роторе вентилятор служит для обеспечения циркуляции воздуха внутри двигателя. Секции ротора вращаются на роликовом подшипнике, неподвижное наружное кольцо которого связано со станиной статора. Вращающий момент передается от ротора на ось колесной пары с помощью муфты. Магнитно-активная часть статора выполнена из обычной электротехнической стали и снабжена пазами специальной формы. Обмотка, состоящая из 24 катушек, погружена в масло, т.е. имеет непосредственное масляное охлаждение. Лобовые части обмоток имеют особую форму, обеспечивающую оптимальную отдачу тепловых потерь масляной ванне. Статор уплотнен бандажами. Пары расположенных друг против друга катушек обмотки включаются параллельно, образуя группы. Три расположенные рядом группы образуют секцию обмотки. Каждая такая секция получает питание от отдельного преобразователя на силовых транзисторах IGBT. Корпус двигателя образован, в основном, станиной статора, кожухом и элементами подвески к раме тележки. К вводам, расположенным на корпусе, подключаются как силовые провода, так и провода цепей управления. Кроме того, в нижней части корпуса расположены подводы для охлаждающего масла. С помощью системы из двух плоских кольцевых обмоток, источника питания, расположенного в корпусе тягового преобразователя, и блока оценки информации, образующих си-нус-косинусный вращающийся трансформатор, обеспечивается бесконтактное регулирование положения полюсов, необходимое для коммутирования двигателя. Система контроля температуры защищает двигатель от тяжелых повреждений и гибко реагирует на временные подъемы температуры [19]. В рамках проекта разработки двигателя с поперечным магнитным полем к настоящему времени изготовлен опытный образец, проходящий испытания и лабораторные исследования. Двигатель с поперечным полем является электрической машиной относительно новой концепции. Его основное отличие от синхронной машины на постоянных магнитах заключается в ином расположении обмотки, что при заданном монтажном пространстве дает широкие возможности оптимизации двигателя в отношении массы и вращающего момента. Обеспечивая большой вращающий момент при небольших размерах, такой двигатель в наибольшей мере подходит для реализации безредукторного тягового привода. На рис. 3 представлены основные элементы конструкции статора и ротора. Эта машина, как и рассмотренная синхронная, состоит из двух секций, каждая из которых имеет собственную магнитную цепь. Эти цепи сконструированы таким образом, что позволяют во всех режимах стабилизировать момент вращения. Ротор выполнен пассивным, благодаря чему достигается его высокая механическая прочность. Он набран из пакетов круглых листов электротехнической стали толщиной 0,2 мм с пазами, расположенными в соответствии с полюсным делением. Все листы каждого пакета имеют в определенном месте разрез. Это необходимо для того, чтобы в железе ротора не возникали вихревые токи, обусловленные колебаниями магнитного потока. Дополнительно между пакетами проложена изолирующая пленка. Пакеты железа закрепляются на дисках ротора, изготовленных из пластика, армированного стекловолокном, и дополнительно стягиваются шпильками. Три диска ротора соединены с полым валом двигателя с помощью стальных крепежных колец, имеющих мелкие зубцы на внутренней поверхности. Когда крепежное кольцо насаживается на полый вал, зубцы входят в соответствующие пазы на поверхности этого вала. В статоре кольцевая обмотка изнутри и снаружи охватывается магнитопроводом, образованным чередующимися стержнями из постоянных магнитов и ярмами из мягкого железа. Конструкция катушек обмотки и магнитопровода позволяет реализовать необычно большое число пар полюсов, равное 45. При этом образуемое ими магнитное поле имеет поперечное направление потока. В ярмах сердечников происходит наложение потоков постоянных магнитов и поля, наводимого током в обмотке. Этот суммарный поток замыкается через зубцы магнитопровода ротора. Если обмотка питается переменным током, который синхронизирован с частотой вращения ротора, тогда в каждый момент времени половина постоянных магнитов статора создает усилие, воздействующее на ротор. Таким образом, двигатель получает момент вращения. Наружная и внутренняя части магнитопровода в статоре соединены между собой керамическим кольцом двутаврового сечения. В нем имеются каналы охлаждения и размещены обе секции обмотки, отдающие тепловые потери охлаждающей жидкости, которая представляет собой смесь воды с гликолем. Использование керамики исключает возможность возникновения электрических потерь, вызываемых вихревыми токами, и обеспечивает относительно высокую теплопроводность. Кроме того, керамика выполняет функции электрического изолятора. Корпус двигателя состоит из пяти частей, причем та его часть, под которой расположены элементы магнитопровода, имеет ребра, которые увеличивают жесткость конструкции и одновременно улучшают условия охлаждения. По бокам корпуса имеются каналы охлаждения, для которого здесь также используется смесь воды с гликолем. Примыкание к зоне ротора выполнено с применением лабиринтного уплотнения. На корпусе имеются точки крепления двигателя к раме тележки, воспринимающей реакцию вращающего момента. Подшипники качения в двигателе электрически изолированы благодаря использованию шариков из керамики. Полый вал двигателя выполнен из алюминия. Преобразователь на силовых транзисторах IGBT, разработанный в рамках проекта, питает двигатель напряжением переменного тока, которое можно повышать до 1,8 кВ. Частота тока также регулируется, при этом ее максимальная величина составляет 1380 Гц [18]. По сравнению с трехфазными асинхронными тяговыми двигателями машины, возбуждаемые постоянными магнитами, имеют ряд принципиальных особенностей. Вращающееся поле статора в такой машине должно быть точно синхронизировано с частотой вращения ротора и зависит от его положения. В связи с этим для каждой машины необходимы система, с высокой точностью определяющая положение ротора, и отдельный преобразователь. В машине на постоянных магнитах поле возбуждения отключить невозможно, поэтому внутрь нее всегда могут попадать магнитные загрязнители, например металлическая пыль от тормозных колодок. В связи с этим одним из обязательных условий применения таких машин является их герметичное исполнение. Из-за старения материала поле постоянных магнитов может ослабевать, в результате чего уменьшается вращающий момент, развиваемый двигателем. В связи с этим следует выбирать такой магнитный материал, который в течение срока службы машины остается стабильным. Поскольку большое число пар полюсов обусловливает достаточно высокую основную частоту тока катушек, кривая которого к тому же имеет прямоугольную форму, возникает большое число гармоник широкого спектра частот. Взаимодействуя с собственными частотами элементов машины, эти гармоники могут стать причиной возникновения значительного шума. Кроме того, обусловленные ими электромагнитные воздействия не должны превышать допусков, установленных на железных дорогах. Машина с активным ротором, т.е. несущим постоянные магниты, имеет свои дополнительные особенности. С одной стороны, такой двигатель способен переходить в режим электрического реостатного торможения при отключенном тяговом преобразователе, что позволяет причислить его к электрическим машинам, обеспечивающим надежное торможение. С другой стороны, пропорциональность частоты вращения постоянных магнитов ротора индуцируемой электромагнитной силе означает, что при снижении уровня напряжения промежуточного звена до определенной величины задаваемые значения частоты вращения и, соответственно, скорости движения поезда не могут быть достигнуты. В связи с этим режим напряжения промежуточного звена должен надежно контролироваться, а в процессе регулирования двигателя по возможности чаще должны использоваться возможности ослабления поля. При отключенном тяговом преобразователе активный ротор возбуждает в железе статора вихревые токи, величина которых зависит от частоты вращения двигателя, работающего в режиме холостого хода, т.е. когда поезд движется на выбеге. Возникающие при этом тепловые потери должны отводиться системой охлаждения во избежание термических повреждений двигателя. При коротком замыкании в обмотках статора также возможны термические повреждения, так как даже при отключенном тяговом преобразователе подпитка короткозамкнутой обмотки током продолжается в результате вращения магнитов ротора. Таким образом, для машины с активным ротором необходим надежный отвод тепловых потерь в режиме короткого замыкания. Синхронный двигатель на постоянных магнитах обладает следующими преимуществами:
Важным эксплуатационным аспектом является вращение активного ротора при отключенном тяговом преобразователе, требующее надежных мер защиты от термических перегрузок, вызываемых вихревыми токами и короткими замыканиями в обмотке [5]. Для поездов AC Train разработана система привода, основной целью которой являлось снижение как общей, так и начальной стоимости и обеспечение 13-летнего срока службы без обслуживания. По результатам исследований была определена длительная номинальная выходная мощность, равная 160 кВт, и часовая номинальная выходная мощность, равная 200 кВт. Полностью закрытая система естественного воздушного охлаждения исключает необходимость в обслуживании, включая нагнетание воздуха. Конструкция предусматривает замену колеса таким же образом, как и раньше. Из соображений воздействия на ходовые характеристики и рельсовый путь была применена внутренняя упругая опора ротора. Вал ротора выполнен полым, а упругий элемент размещается между ротором и колесной осью, располагаясь внутри оси ротора, в результате чего ось ротора имеет упругую опору. ![]() На рис. 4 показана конструкция упругой опоры, а на рис. 5 — установка на AC Train [13]. В процессе концептуального проектирования инновационной серии поездов Е231 выяснилось, что требуется крутящий момент, примерно в девять раз больший, чем у тяговых двигателей распространенной серии МТ73. Для того чтобы можно было установить тяговый электродвигатель, оборудованный полностью закрытой системой воздушного охлаждения в ограниченном пространстве, было важно разработать более компактную конструкцию при одновременном улучшении его охлаждения. При разработке ученые и конструкторы использовали следующие решения, позволяющие установку такого двигателя внутри тележки:
Также стоит отметить что перспективным является применение природного газа в двигателях. Газ нашел широкое применение в народном хозяйстве - в газовых плитах и варочных поверхностях (источник), в газовых горелках и др. Библиография 1. Назаров О. Нужен новый двигатель // Гудок. 2008.14 мая. С. 6. URL: https://www.gudok.ru/newspaper/?ID=719928. 2. Концепция развития энергосберегающих электромеханических систем: монография / А.С. Космодамианский [и др.]. Орел: Госуниверситет — УНПК, 2014.244 с. 3. Карпов А.Е., Обухов В.П., А.С. Космодамианский [и др.]. Конструкции непосредственного тягового привода для подвижного состава нового поколения // М.: РУТ. 2023. № 8. 4. Механическая часть подвижного состава: учебник / И.В. Бирюков, А.Н. Савоськин, Г.П. Бурчак [и др.]. М.: Транспорт, 1992.440 с. 5. Повышение надежности экипажной части тепловозов: монография / А.И. Беляев, Б.Б. Бунин, С.М. Голубятников, Л.К. Добрынин. М.: Транспорт, 1984.248 с. 6. Измеров О.В., Михальченко Г.С. Классификация как инструмент синтеза механической части тяговых приводов железнодорожного подвижного состава // Мир транспорта и техноло гических машин. 2012. № 4 (39). С. 53 — 60. 7. Курбасов А.С. Повышение работоспособности тяговых электродвигателей. М.: Транспорт, 1977.223 с. 8. Тяговый привод локомотива. Антипин Д.Я., Воробьев В.И., Измеров О.В., Бондаренко Д.А., Пугачев А.А., Космодамианский А.С., Новиков В.Г. Заявка № 2015144926/11(069163). Дата подачи заявки 19.10.2015. (Положительное решение о выдаче патента на полезную модель). 9. Щербаков В.Г., Пахомин С.А., Коломейцев Л.Ф. Индукторный привод для электроподвижного состава //Локомотив. 2005. № 2. с. 36 — 37. 10. Рябов Е.С. Безредукторный тяговый привод на основе реактивного индукторного двигателя с аксиальным магнитным потоком для скоростного электроподвижного состава : дис.... канд. техн, наук: 05.22.09. Харьков, 2011.162 с. 11. Электрические машины в тяговом автономном электроприводе / Ю.М. Андреев, К.Г. Исаакян, А.Д. Машихин и др.; Под ред. А.П. Пролыгина. М., Энергия, 1979.240 с. 12. Neudorfer, Н. Glasers Annalen / Н. Neudorfer. — 2001. — № 6/7. — Р. 237 — 242. 13. Sakai, М. Japanese Railway Engineering / M. Sakai, К. Oda. — 1999. — № 143. — P. 12 — 15. 14. Klockow, T. ElektrischeBahnen / T. Klockow. — 2003. — № 3. — P. 107 — 112. 15. Endo, T. Railway Gazette International / T. Endo. — 2002. — № 4. — P. 201 — 203. 16. Andreas Steimel. Electric Traction — Motion Power and Energy Supply. Basics and Practical Experience. Taschenbuch, DIV deutscherlndustrieve, Erschienen: Dezember 2007,330 S. 17. Andreas Steimel. Power-Electronics Issues of Modern Electric Railway Systems. 10th International Conference on Development and Application Systems, Suceava, Romania, May 27 — 29,2010. 18. Direct-drive induction motor for railway traction applications / Vasile Hoanca, Toma Dordea, §tefanPaun et al. // Proc, of Romanian Academy, Series A. — Timisoara, 2011. — Vol. 12, № 3. — P. 239 — 248. 19. Josef Kolar. Design of a Wheelset Drive. Transactions on Electrical Engineering, Vol. 4 (2015), No. 1, p. 11 — 19. 20. Павлюков B.M., Смахтин B.A. Тяговый электродвигатель индукторного типа для безредукторного привода шахтных электровозов // Электровозостроение: сборник научных трудов. Новочеркасск: ВЭлНИИ, 1997. № 37. с. 29 — 34. 21. Моделирование сцепления колеса с рельсом / В.П. Тихомиров, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, Г.В. Багров, М.И. Борзенков, И.А. Бутрин. Орел, ОрелГТУ, 2007.127 с. 22. Фадеев С.В. Повышение экономичности электровозов переменного тока за счет применения новых электронных систем управления: автореферат дис.... канд. техн, наук: 05.09.03./ МГУПС. М., 2003.24 с. 23. СанПиН 2.2.4.3359-16. Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах. Введ. 01.01.2017. Отм. 01.03.2021. 24. Правила пожарной безопасности в Российской Федерации: ППБ 01-03. Введ. 30.06.2003. М.: Нела-Информ, 2003.135 с. 25. ГОСТ 12.1.004-91. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Пожарная безопасность. Общие требования, (с Изменением № 1). Введ. 01.07.1992. Изм. 01.09.2006. М.: Стандартинформ, 2006. 26. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей : утв. 2.12.1984. М.: Энергоатомиздат, 1986.424 с. 28. Ливицкий А.К., Сибаров Ю.Г. Охрана труда в локомотивном хозяйстве. М.: Транспорт, 1989.215 с. 29. Карякин Р.Н. Нормы устройства сетей заземления. М.: Энергосервис, 2002.239 с. |
|
|
Цитировать 12 |
| Поблагодарили: |
Данный пост получил благодарности от пользователей
|
|
|
||||
| Тема | Автор | Раздел | Ответов | Последнее сообщение |
| [04-2023] Стенд для испытания гидродемпферов тягового подвижного состава | Admin | xx2 | 0 | 23.12.2023 07:02 |
| [07-2023] Анализ перегрева букс тягового подвижного состава в эксплуатации | Admin | xx2 | 0 | 17.12.2023 18:54 |
| [03-2019] Тяговый и вспомогательный привод локомотивов с асинхронными двигателями | Admin | xx2 | 0 | 12.06.2019 10:31 |
| [03-2019] Усовершенствованный тяговый привод тепловозов с коллекторными двигателями | Admin | xx2 | 0 | 12.06.2019 09:43 |
| Тяговый привод подвижного состава | Admin | Wiki | 0 | 03.04.2012 17:21 |
| Ответить в этой теме Перейти в раздел этой темы |
| Возможно вас заинтересует информация по следующим меткам (темам): |
| , , , , , , , , , , , , , |
| Здесь присутствуют: 1 (пользователей: 0 , гостей: 1) | |
|
|