Электродвигатель трамвая коэффициент полезного действия которого

Электрическими двигателями переменного или постоянного тока комплектуются приводы станков, насосов и вентиляторов, а также других механизмов, используемых на предприятиях тяжелой и легкой промышленности. Рентабельность производства напрямую зависит от себестоимости продукции, на которую в большой степени влияет эффективность эксплуатации оборудования, поэтому КПД и мощность электродвигателя являются основными параметрами, на основании которых выполняется подбор привода.

Определение КПД электродвигателя

Принцип работы любой электрической машины основан на преобразовании энергии тока, протекающего по обмоткам статора и создающего магнитное поле, во вращение ротора. Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя определяется соотношением вырабатываемой им механической мощности на валу (p2) к полной мощности, потребляемой из сети (p1) и выражается в процентах:

η=p2/p1*100%

Исходя из формулы, следует, что чем ближе этот параметр к единице, тем выше будет эффективность использования оборудования.

Факторы, влияющие на величину КПД

Коэффициент полезного действия никогда не может быть равным единице, так как существуют неизбежные потери, снижающие полезную мощность. Они делятся на три группы:

• электрические;
• магнитные;
• механические.

Электрические потери зависят от степени нагрузки двигателя и являются следствием нагрева обмоток статора, вызванного работой тока по преодолению электрического сопротивления проводников, из которых они выполнены. Поэтому максимальный КПД электродвигателя достигается, когда нагрузка на двигатель составляет 75% от максимальной расчетной величины.

Магнитные потери происходят из-за неизбежного перемагничивания активного железа статора и ротора, а также возникновения в нем вихревых токов.

Третья группа обусловлена наличием трения в подшипниках, на которых вращается вал, а также сопротивлением, оказываемым воздухом крыльчатке вентилятора и самому ротору (якорю). Из-за наличия щеточно-коллекторного узла КПД электродвигателя постоянного тока несколько ниже коэффициента полезного действия машин с короткозамкнутым ротором. Это также относится к асинхронным электродвигателям с фазным ротором из-за дополнительного трения щеток об контактные кольца.

Способы повысить КПД двигателя

Следует помнить, что реальный коэффициент полезного действия может несколько отличатся от паспортных величин, указанных на шильдике двигателя. Чтобы выполнить расчет КПД электродвигателя в реальных условиях эксплуатации, необходимо учитывать неравномерность распределения питающего напряжения в фазах. В зависимости от величины асимметрии падение полезной мощности может достигать 5-7%.

Увеличение КПД электрической машины возможно только за счет снижения потерь и контроля качества силовой сети.

Механические потери можно уменьшить благодаря более качественным подшипникам, установки крыльчатки вентилятора, выполненной из современных материалов для уменьшения сопротивлению воздуху. Нагрев обмоток можно уменьшить благодаря использованию обмоточных проводов, выполненных из очищенной меди, имеющих меньшее сопротивление.

Снизить потери на перемагничивание активного железа и минимизировать влияние вихревых токов можно используя для набора сердечника необходимо использовать качественную электромагнитную сталь с надежной изоляцией. Кроме того, ведутся работы по разработке наилучшей геометрии зубцов статора, благодаря которым будет увеличена концентрация магнитного поля.

В реальности КПД асинхронного электродвигателя можно несколько увеличить за счет использования частотного преобразователя, позволяющего оптимизировать расход электроэнергии. Следует помнить, что эффективность эксплуатации двигателя с КПД 98% сильно упадет, если его использовать для приведения в движения механизма, имеющего более низкий коэффициент полезного действия.

Тяговые электродвигатели трамвая

К тяговым электродвигателям предъявляются высокие требования. Они должны устойчиво переносить мороз, жару, быть защищенными от попадания пыли и влаги, выдерживать перегрузки, вызванные частыми пусками, ездой при переполненном вагоне и на подъеме, колебаниями напряжения в сети.

На трамвае применяют двигатели трех видов: последовательного возбуждения, с обмотками подмагничивания, смешанного возбуждения. В двигателях последовательного возбуждения меньшей частоте вращения соответствует больший потребляемый ток. Сила тяги прямо пропорциональна току. При трогании и начале разгона скорость мала, а сила тяги наибольшая. Двигатели с обмотками подмагничивания их главных полюсов быстрее переходят в режим электрического торможения, что дает более эффективное торможение электрическим тормозом даже при малой скорости. Двигатели смешанного возбуждения очень мало изменяют частоту вращения при изменении нагрузки. Поэтому вагон РВЗ-6 при постановке водителем рукоятки контроллера на одну из ходовых позиций будет следовать со скоростью, соответствующей данной позиции, и на горизонтальном участке пути, и на подъеме, и на спуске. Это особенно удобно при сложном профиле пути.

Устройство тяговых двигателей. Тяговый двигатель имеет неподвижный остов, на котором укреплены все части двигателя. Он служит одновременно магнитопроводом. Вращающаяся часть двигателя — якорь. На остове болтами или шпильками крепятся четыре главных и четыре добавочных полюса с обмотками, два или четыре кронштейна для крепления щеткодержателей, в которые вставляют угольные щетки, подшипниковые щиты с подшипниками. В настоящее время выпускаются тяговые двигатели с остовом цилиндрической формы.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Назначение главных полюсов — создание магнитного поля, необходимого для взаимодействия с ним проводников якоря, по которым протекает ток. Магнитное поле добавочных полюсов содействует ослаблению искрения щеток. Полюс имеет стальной сердечник, на который насажена обмотка в виде катушки из изолированного провода прямоугольного сечения. Для уменьшения вихревых токов сердечник главного полюса набирается из листовой стали, покрытой лаком. Сердечник добавочного полюса из литой стали, но он меньше по размерам и поэтому действие вихревых токов в нем незначительно. Для более плотного крепления катушек на полюсе и лучшей их изоляции применяют прокладки. В последнее время изготовляют монолитные полюсы, на которых катушки несъемные -они закреплены на полюсе современными электроизоляционными материалами.

Угольные щетки, имея скользящий контакт с коллектором, создают цепь от неподвижных проводников остова на обмотку 16 якоря. Щеткодержатель состоит из литого или штампованного корпуса, пружин и нажимных пальцев, передающих; усилие от пружин на угольную щетку-Щеткодержатель тяговых двигателей имеет также устройство для регулирования нажатия. Для лучшего токопрохождения корпус щеткодержателя соединен с угольной щеткой медным гибким шунтом.

Рис. 1. Схемы соединения двигателей:
а – последовательного возбуждения, б – смешанного возбуждения

Рис. 2. Устройство тягового двигателя ТЕ-022:
1 – остов, 2, 17. – катушки полюсов, 3 – вал якоря, 4 – вентиляционные отверстия, 5 —выводные провода, 6 – фланец карданного вала и тормозного барабана, 7, 24 – роликоподшипники, 8, 23 – подшипниковые щиты, 9 – якорь, 10 – бандаж, 11 – клинья, 12 – обмотка полюсов, 13 – болты, 14 — полюс, 15 – сердечник якоря, 16 – обмотка якоря, 18 – “петушки”, 19 – защитная сетка, 20 – миканитовый конус, 21 -“ласточкин хвост”, 22 – ламели коллектора, 25 – контактная поверхность коллектора, 26 – гибкие шунты, 27 – щеткодержатели, 28 – кронштейны щеткодержателей, 29 – угольные щетки, 30 – пружины щеткодержателей, 31 -нажимные пальцы, 32 – крышка коллекторного люка

Якорь состоит из сердечника, обмотки, коллектора и вала. Сердечник якоря из пластин листовой электротехнической стали, изолированных лаком, крепится на валу. В сердечнике предусмотрены вентиляционные отверстия для прохождения воздуха, охлаждающего якорь, пазы сердечника укладывается обмотка якоря, выполненная в виде секций, закрепленных клиньями. На некоторых типах якорей для крепления клиньев делают бандажи из стальной проволоки. Выступающие из торцов сердечника части секций покрывают тканью, поверх которой накладывают веревочный бандаж. Бандаж покрывают электроэмалью.

Коллектор служит для передачи тока от щетки к проводникам якоря. Он состоит из медных пластин, называемых ламелями, изолированных друг от друга и от сердечника миканитовыми гшастинами и конусами. Контактную поверхность коллектора протачивают на станке и шлифуют. Чтобы щетки при работе не касались миканита, изоляционные пластины делают ниже примерно на 1 мм, выполняя продорожку коллектора. В части, расположенной со стороны сердечника, ламели снабжены выступами — “петушками”, в которые впаивают концы проводников обмотки якоря. Внутренняя часть ламелей выполнена в форме “ласточкина хвоста”, что позволяет скреплять их при сборке коллектора. С торцов остова устанавливают подшипниковые щиты с роликовыми или шариковыми подшипниками. В подшипниках с густой смазкой вращается вал якоря.

Двигатели последовательного возбужения имеют четыре выводных провода, двигатели смешанного возбуждения с обмотками подмагничивания главных полюсов — шесть. Провода выводятся: два от обмотки последовательного возбуждения, два от обмотки якоря, соединенной последовательно с обмоткой добавочных полюсов, и два (в двигателях смешанного возбуждения или с подмагничиванием полюсов) от обмотки независимого возбуждения. Выводные провода подключают к зажимам вводных коробок, на которые подается ток от аппаратов высокого напряжения. Внутри остова провода соединяют обмотки катушек полюсов Друг с другом, а также со щеткодержателями.

Тяговый двигатель рассчитан на работу при определенном номинальном режиме, т. е. с определенными напряжением, током, частотой вращения и мощностью. При номинальном режиме двигатель работает в течение 10 ч без повышения температуры его частей сверх допустимой. Максимальным называется ток двигателя, который допускается в нем в течение 1 мин.

Вентиляция двигателей. При работе двигателя выделяется теплота. Чтобы двигатель не перегревался, его необходимо охлаждать. Двигатель с самовентиляцией охлаждается вентилятором, насаженным на вал якоря. При вращении вентилятора воздух из атмосферы проходит внутри остова и через вентиляционные каналы якоря, охлаждая двигатель. Двигатели с самовентиляцией охлаждаются лучше при большой скорости вагона, так как в этом случае быстрее вращаются вентиляторы. Двигатель же выделяет больше теплоты при большой нагрузке, а именно: в момент трогания с места, в начале разгона, при въезде на подъем, т. е. при малой скорости. В этих случаях охлаждение двигателя часто недостаточно. Поэтому некоторые типы вагонов (например, Т-3) имеют более сложную систему охлаждения — принудительную вентиляцию. В вагонах Т-3 два вентилятора на валу двигателя-генератора. Они засасывают воздух из атмосферы через жалюзи в левой стенке вагона и направляют по вентиляционным желобам. При этом воздушный ноток делится на два: один охлаждает тяговые двигатели, второй — пускотормозной реостат. При принудительной вентиляции может подаваться любое количество воздуха, необходимого для охлаждения двигателей независимо от режима их работы.

Электромеханическими характеристиками тягового двигателя называются зависимости частоты вращения п, вращающего момента М, коэффициента полезного действия от тока якоря. В некоторых случаях вместо частоты вращения удобнее брать скорость движения вагона г?, а вместо вращающего момента — силу тяги F. Чаще всего электромеханические характеристики тяговых двигателей представляют в виде графиков. В этом случае по горизонтальной оси откладывают значение тока, а по вертикальной — остальные величины в соответствующем масштабе. На рисунке представлены характеристики для полного возбуждения двигателей (Г1В) и для ослабленного (ОВ).

Физические процессы при работе электродвигателей. При работе тягового двигателя ток поступает в обмотки главных и добавочных полюсов и через щетки — в обмотку якоря. Ток, проходя по обмоткам главных полюсов, намагничивает полюсы, в результате чего образуется магнитное поле. Полярность полюсов чередуется: если первый полюс северный, то второй — южный, третий — северный, четвертый — южный. Ток проходит и по проводникам обмотки якоря. На проводник с током в магнитном поле действует выталкивающая сила. Пазы якоря содержат большое количество проводников. Действие магнитного поля значительно увеличивается благодаря сердечнику якоря. Сила, суммарно действующая на все проводники якоря, создает вращающий момент на валу якоря двигателя. Так как проводники якоря вращаются в магнитном поле, то в них наводятся электродвижущие силы (э.д.с.) вследствие электромагнитной индукции. Э.д.с. отдельных проводников, складываясь, создают э.д.с. на щетках двигателя, которая направлена (примените правило правой руки) противоположно приложенному напряжению.

Рис. 3. Электромеханические характеристики тяговых двигателей:
а – ДК-256Г, 6 – ДК-259Г, в I I,-022

Коммутация и искрение щеток. При работе электродвигателя магнитное поле создается не только полюсами двигателя, но и обмоткой якоря. В результате магнитное поле искажается: у одного края полюса усиливается, у другого — уменьшается. Изменение магнитного поля под действием тока якоря вызывает искрение под щетками, ухудшает коммутацию двигателя, т. е. процесс съема тока с коллектора электрической машины.

Ток поступает в проводники якоря через щетки и ламели коллектора. В проводниках якоря, замкнутых щетками, перекрывающими ламели (замкнутый контур), вследствие электромагнитной индукции образуется ток, который также ухудшает коммутацию. Кроме того, из-за большой индуктивности обмотки якоря при изменении направления тока в ее проводниках возникают также токи. Это тоже ухудшает коммутацию двигателей. Искрение под щетками усиливает их износ и приводит к повреждению контактной поверхности коллектора, что в свою очередь может привести к возникновению кругового огня и выходу из строя якоря двигателя. Чтобы уменьшить искрение на электродвигателях малой мощности, достаточно установить щетки,сдвинув их относительно геометрической нейтрали.

В тяговых двигателях для улучшения коммутации применяют добавочные полюсы. Магнитный поток, созданный добавочными полюсами, компенсирует магнитный поток, образованный якорем вблизи нейтрали. В проводниках не наводится э.д.с. и не возникает ток в цепи: проводник секции – конец проводника секции, припаянный к ламели, — ламель коллектора — щетка, перекрывающая ламели — соседняя ламель — начало проводника секции. При отсутствии этого тока искрения под щетками не возникает.

Работа тягового двигателя в режиме пуска. Пока вагон неподвижен, на щетках тяговых двигателей не возникает электродвижущей силы. Поскольку сопротивление обмоток тяговых двигателей гд мало (десятые доли Ом), Нельзя включать двигатели непосредственно в сеть на напряжение U, чтобы по силовой цепи не потек недопустимо большой ток. Для ограничения тока используют пусковые реостаты, которые подключают последовательно с двигателями.

Для увеличения скорости передвижения вагон следует разгонять возможно быстрее (т.е. время пуска должно быть минимальным), для чего Двигатели должны создавать наибольшую силу тяги. Сила тяги зависит от тока тягового двигателя. При пуске и разгоне вагона подбирают сопротивление пусковых реостатов, исходя из наибольшего допустимого для Двигателей тока. Если ток меньше, то время пуска будет большим, если ток окажется больше, то возможно буксование колес. Поэтому ток в течение всего времени пуска должен поддерживаться неизменным. Для этого пусковые реостаты должны иметь большое число ступеней, т. е. секций реостата, отключаемых по мере разгона. Если ступеней мало, то помимо увеличения времени пуска при отключении каждой ступени реостата значительно изменяется ток, что приводит к изменению силы тяги, и вагон получает толчок, который вызывает неприятные ощущения у пассажиров. Наиболее экономен режим пуска, при котором вагон быстро набирает полную скорость: меньше энергии расходуется на нагрев пусковых реостатов и меньше времени двигатели находятся подтоком.

Регулирование скорости. Скорость вагона регулируют двумя способами – изменяя напряжение или возбуждение двигателей. На вагонах с непосредственной системой управления снижают скорость при последовательном соединении тяговых двигателей (или групп двигателей). При этом полное напряжение сети делится между двигателями (или их группами), что уменьшает приложенное напряжение к каждому из двигателей. При параллельном соединении это напряжение в два раза больше и вагон развивает большую скорость.

Подключение реостатов последовательно с тяговыми двигателями также уменьшает напряжение, подводимое к двигателям. Реостаты используют обычно лишь на маневровой позиции, когда малы скорость движения вагона (2—5 км/ч) и потребляемый ток. Во-первых, реостаты не могут долго работать под током и, во-вторых, при этом неэкономно расходуется электроэнергия, нагревая реостаты.

Регулирование скорости поезда, изменяя возбужение, используют при косвенной системе управления. Чем больше возбуждение главных полюсов, тем меньше частота вращения двигателя, и наоборот, чем меньше их возбуждение, тем больше частота вращения и скорость движения вагона. Объясняется это следующим образом. Если при движении вагона уменьшить возбуждение главных полюсов, то нарушится соответствие полученной на якоре э.д.с. и приложенного напряжения (считаем, что напряжение контактной сети неизменно). Э.д.с. уменьшится, так как каждый проводник якоря станет пересекать меньше магнитных линий. Это вызовет увеличение тока в якорях двигателей. Значит, увеличится сила тяги и вагон разгонится до скорости, при которой э.д.с. на якорях двигателя будут соответствовать приложенному напряжению.

Изменять возбуждение можно двумя способами. На вагонах РВЗ-6 с помощью реостатов изменяют ток независимых обмоток. На вагонах Т-3, КТМ-5МЗ, JIM-68M подключают индуктивные шунты параллельно обмотке главных полюсов, при этом часть тока, протекающего по обмотке возбуждения, ответвляется в индуктивный шунт, уменьшая ток, а значит, и возбуждение главных полюсов.

Индуктивный шунт (а не реостат) устанавливают из-за большой индуктивности обмотки возбуждения тягового двигателя. В цепях с индуктивностью после случайного уменьшения или отключения тока (например, при отрыве токоприемника от контактного провода) он возрастает медленнее, чем в цепях без индуктивности. Если бы подключенная ветвь не имела индуктивности, то некоторое время почти весь ток шел к щеткам якорей двигателей, минуя обмотку возбуждения. Это привело бы к резкому возрастанию тока двигателя и срабатыванию токовой защиты, поскольку без тока в обмотке главных полюсов нет возбуждения и в проводниках якоря не наводится э.д.с. Если же каждая параллельная ветвь содержит индуктивность, то ток в обеих ветвях возрастает одинаково, не вызывая недопустимого увеличения тока в якорях.

Работа тягового двигателя в режиме электрического торможения. Для получения электрического торможения на трамвае используют свойство обратимости электрических машин. Различают реостатное и рекуперативное торможение. При реостатном торможении энергия передается в реостаты, а при рекуперативном она возвращается в контактную сеть.

В режиме электрического торможения ток в якоре двигателя меняет направление на противоположное по сравнению с тяговым режимом. Это меняет направление сил, действующих на проводники якоря: силы создают вращающий момент в направлении, противоположном вращению якоря. Чтобы перейти в режим торможения, тяговый двигатель последовательного возбуждения необходимо отключить от контактной сети и подключить так, чтобы сохранить направление тока в обмотках главных полюсов, а направление тока в якоре изм