Что такое коммутация тягового двигателя

Коммутация коллекторных машин — Исследование коммутации тяговых двигателей на электровозах

Содержание материала

• Коммутация коллекторных машин
• Сопротивление щеточного
• Уравнения контура
• Последние стадии процесса
• Стабильность циклов
• Однообразие падения U
• Приборы электромагнитные
• Фотоэлектрические приборы
• Определение искрения с ИИ-1
• Проверка индикатора искрения
• Исследования контура машин
• Искусственные аппараты
• Результаты опытных кривых
• Токораспределение в щеточном
• Метод Карасева и Суворова
• Другие методы исследования
• Причины искрения щеток
• Определение коммутирующей
• Сопоставление вольт-амперных
• Машины электровозов
• Коммутация тяговых двигателей
• Наладка добавочных полюсов
• Экспериментальная проверка
• Торцовые коллекторы
• Аналогии вибраций щеток

Что такое коммутация тягового двигателя

Первые|Начало внедрения|Реконструкция тяги|Новые решения|Литература|Страница автора

ОТ АВТОРА

Данная работа не является пособием по теории, проектированию, расчету или динамике тягового привода локомотивов и моторвагонного подвижного состава. Ее — дополнить существующую литературу по тяговым приводам, показав логику выбора проектировщиками того или иного решения, в зависимости от имеющихся знаний для проектирования, располагаемой технологической базы для производства подвижного состава и возможностей смежных отраслей, в процессе развития технологии и изменения требований, предъявляемых к конструкции подвижного состава.
Под «тяговым приводом» в данной работе понимается преимущественно электрический тяговый привод. Это сделано прежде всего потому, что тяговые приводы локомотивов с гидравлической или механической передачами конструируются в основном из тех же самых элементов, что и электрический тяговый привод. Кроме того, локомотивы с гидро- и механической передачей составляют небольшую часть производимого в настоящее время ассортимента локомотивов, и, более того, электрический привод в последнее время расширяет сферу применения на дизель-поездах.

1. ПЕРВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИВОДА

В разделе:

На паровых локомотивах тяговый привод в общем случае не требовался, поскольку движущиеся колеса были одновременно частью теплового двигателя — паровой машины. Промежуточная механическая передача при паровой тяге применялась либо на экспериментальных конструкциях, не получавших развитие, либо на специальных конструкциях (узкоколейные паровозы, бустерные машины на тендере и т.п.), при этом передача считалась нежелательным, вынужденным элементом конструкции.
Только при появлении подвижного состава новых видов тяги — электрической, дизельной (турбинной, моторной) тяговый привод, как отдельное устройство, не относящийся к первичному двигателю, превратился из нежелательного решения в необходимое и создающее дополнительные преимущества.

Первые попытки создать передачу крутящего момента от тягового электродвигателя к колесам приводили к результатам, мало похожим на современные конструкции. Этот период поисков можно назвать предысторией, потому что в это время еще не удалось создать решения, удовлетворявшие всем требованиям производства и эксплуатационников. С более поздними конструкциями их роднит лишь то, что уже на этом этапе тяговые приводы разделились на опорно-осевые, в которых тяговый двигатель полностью или частично непосредственно опирался на ось и тем самым относился к необрессоренным массам, и опорно-рамные, в которых двигатель опирался на раму кузова или тележки и, таким образом, относился к обрессоренным массам.

Исторически самый первый демонстрационный локомотив Сименса в 1879 г. содержал все элементы привода — тяговый двигатель и зубчатые передачи. Привод с зубчатой передачей был использован и на трамвае Пироцкого в 1880 году. Однако первые тепловозы и электровозы приходилось изготовлять на заводах, ранее занимавшихся производством паровых локомотивов, и в распоряжении конструкторов имелось лишь то технологическое оборудование, которое использовалось для производства паровозов. В частности, это порождало трудности с изготовлением зубчатых колес, требуемых для передачи момента от электродвигателя к колесной паре и обеспечения надежности и долговечности такой передачи. Не удивительно, что конструкторы вначале пытались вообще отказаться от какой-либо передачи или максимально использовать «паровозные» решения.

В первых опорно-осевых приводах безредукторные схемы встречаются так же часто, как и схемы с зубчатой передачей. Опорно-осевой привод без использования редуктора во многих изданиях называют «системы Герлесс», хотя на самом деле «Герлесс» (Gearless) означает лишь то, что в приводе нет зубчатой передачи.

1.1.1. Безредукторный привод с цельным двигателем на оси.
Такой привод были использованы в 1890 году для двигателей электровоза Лондонского метро. При мощности двигателя всего 50 л.с. габариты двигателей получались очень большими из-за низкой скорости вращения. Очень массивные катушки полюсов располагались с одной стороны, и в этом месте двигатель связывался тягой с рамой локомотива. Якорные подшипники для облегчения конструкции располагались не на цельном подшипниковом щите, а на двух консольных кронштейнах. Недостатком конструкции являлась большая неподрессоренная масса и ограниченные возможности увеличивать мощность двигателя при заданном диаметре колеса, что вызывало высокое воздействие на путь и усиление вибраций от поездов, воздействующих на сооружения вблизи путей метро. С другой стороны, в асимметричной компоновке двигателя уже можно видеть некоторые задатки классическкой опорно-осевой схемы привода.

Более удачными были непосредственные приводы первых американских магистральных электровозов. В 1893 году фирма Дженерал Электрик построила небольшие промышленные локомотивы с двумя ведущими осями и непосредственным приводом.

Тяговые двигатели представляли собой двухполюсные машины с вертикально расположенными полюсами.

В 1895 году фирма Дженерал Электрик строит более мощные машины для линии Балтимор — Огайо (см. рис из Scientific American—August 10, 1895). Двигатели имели шесть полюсов и разъемный шестигранный статор и опирались на раму через траверсу и полуэллиптические пружины. Каждый двигатель развивал мощность уже 360 л.с., что позволяло обеспечить пассажирским поездам скорость 56 км/час. Однако дальнейшего развития этот привод также не получил.

1.1.2. Привода с раздельным якорем и остовом.
Стремление снизить необрессоренную массу и одновременно сохранить низкое расположение центра тяжести локомотива (что не позволяли описываемые далее параллельно-кривошипные привода) привела конструктора «Дженерал Электрик» А. Батчелдера к идее разделить тяговый двигатель и разместить якорь двигателя непосредственно на движущей оси, а полюсы поставить на рамных креплениях, как показано на рисунке. При этом колесная пара перемещалась вертикально, вдоль полюсов.

Локомотивы с таким приводом были построены для линии Нью-Йорк Централ в 1904 году. В 1913 году аналогичный привод планировалось применить в разработанном на Коломенском заводе проекте тепловоза Ф. Мейнеке.

Конструкция получалась очень простой и содержала минимум изнашивающихся частей. Но эта простота создавала и ряд серьезных минусов. Во-первых, использование активных материалов двигателя оказывалось плохим из-за малого числа оборотов якоря, наличия всего двух полюсов и необходимости делать зазор между якорем и полюсами слишком большим. Во-вторых, колебания полюсов относительно якоря из-за неровностей пути нарушало коммутацию, т.к. при этом якорь перемещался относительно магнитного потока, менялся воздушный зазор и возникали удары щеток о коллектор. В-третьих, хотя на оси сидел только якорь, но из-за плохого использования активных материалов он все равно получался настолько большим и тяжелым, что его масса вызывала чрезмерное воздействие на путь. Наконец, привод было неудобно ремонтировать, т.к. для снятия якоря двигателя нало было распрессовывать колесную пару. В итоге локомотивы с таким приводом вышли из употребления, а для конструкторов на долгие годы стало непреложным правилом, что при любой передаче якорь и магнитная система тягового двигателя должны быть связаны в одну систему, не допускающую перемещения их друг относительно друга.

1.1.3. Первые опорно-осевые привода классической схемы.
Трехточечное подвещивание тягового двигателя с зубчатой тяговой передачей было изобретено в 80-х годах прошлого века Франком Спрагом (Frank J. Sprague) и в 1887 году было впервые применено на трамваях, отчего в технической литературе его иногда называют трамвайным подвешиванием.

Несмотря на внешнюю несхожесть, по своей конструктивной схеме первый классический опорно-осевой привод был достаточно близок к современному. Особенно важным было то, что привод был сразу оснащен пружинной подвеской, которая амортизировала удары при прохождении неровностей пути и не передавала их на раму и одновременно компенсировала поперечные перемещения и перекосы ТЭД относительно рамы тележки (за счет деформации витков пружин). Мощность двигателей была по 7,5 л.с., что обеспечивало скорость трамвая 12 км/час.

2. Датчики положения и дополнительные устройства

В качестве датчика положения, необходимого для коммутации вентильного двигателя, могут быть использованы датчики Холла (цифровые или аналоговые), энкодер (цифровой, аналоговый или абсолютный) или резольвер.

Цифровые датчики Холла используются для наиболее распространенной – трапецеидальной коммутации вентильного двигателя. Цифровые датчики Холла могут быть выполнены также и на оптической шкале энкодера.Аналоговые датчики Холла используются для синусоидальной коммутации вентильного двигателя.

Энкодер имеет три дифференциальных канала – два канала А, В прямоугольных импульсов, сдвинутых на 90 электрических градусов, и нулевой импульс I (индекс). Резольвер представляет собой вращающийся трансформатор с обмоткой возбуждения и двумя выходными обмотками со сдвигом 90 электрических градусов.

Аналоговый энкодер имеет аналоговые sin/cos (1В между пиками peaktopeak) дифференциальные выходы.

Внешний интерполятор позволяет повысить исходное разрешение с коэффициентом умножения до 4096 .Абсолютный энкодер передает информацию по положению по синхронному последовательному интерфейсу (SSI или BiSS), протокол которого задается производителем энкодера. Одними из наиболее популярных протоколов являются Heidenhain EnDat, Tamagawa Smart Abs и Stegman Hiperface протоколы.

Кроме датчика положения дополнительно могут быть встроены: тахогенератор, термодатчик, тормоз или редуктор.

Тахогенератор применяется в случае использования вентильного двигателя в режиме регулирования/стабилизации скорости с высокой точностью.

Термодатчик для защиты обмоток от перегрева представляет собой несколько последовательно соединенных позисторов, т.е. терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient РТС).

Двигатели переменного тока и постоянного тока: в чем разница?

Без рубрики

Электродвигатели — это машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую. Хотя они доступны во многих вариантах, их можно разделить на две основные категории: двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока.

И двигатели переменного тока, и двигатели постоянного тока имеют одинаковую функцию; то есть преобразовывать электрическую энергию в механическую. Однако при выборе двигателя важно знать разницу между двигателями переменного и постоянного тока, поскольку каждый из них имеет разные требования к конструкции, питанию и управлению. В следующей статье обсуждаются различия между двумя типами двигателей, включая основные конструктивные и рабочие характеристики, преимущества и области применения. Купить электрический двигатель можно на сайте https://psnab.ru

Обзор двигателей переменного тока

Как следует из названия, двигатели переменного тока используют переменный ток (AC) для выработки механической энергии. Стандартная конструкция состоит из статора с обмоткой, встроенной по окружности, и свободно вращающейся металлической части (т. е. ротора) в центре.

Когда ток подается на обмотки статора в двигателе переменного тока, создается вращающееся магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует электрический ток внутри электропроводного ротора и, следовательно, образует второе вращающееся магнитное поле. Взаимодействие между первым магнитным полем и вторым магнитным полем заставляет вращаться ротор.

При выборе электродвигателя переменного тока для применения необходимо учитывать два критических фактора:

• Рабочая скорость (в оборотах в минуту): максимальная скорость, которую может достичь двигатель, рассчитывается по следующей формуле: (60 x частота сети переменного тока в Гц) ÷ количество полюсов двигателя
• Пусковой крутящий момент, создаваемый двигателем при запуске с нулевой скоростью.

Обзор двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока используют постоянный ток (DC) с постоянным напряжением для выработки механической энергии. Двигатели постоянного тока состоят из вращающейся обмотки якоря (т. е. Ротора) и статора возбуждения с обмотками, которые образуют набор неподвижных электромагнитов. Другой ключевой компонент двигателя постоянного тока — это коммутатор, прикрепленный к якорю.

Когда ток течет через двигатель постоянного тока, внутри статора возбуждения и вокруг обмотки якоря создается магнитное поле. Взаимодействие между этими двумя магнитными полями создает электромагнитную силу, которая заставляет якорь вращаться. Коммутатор изменяет направление тока в якорь и тем самым позволяет ему продолжать вращение, пока ток течет через систему.

Двигатели постоянного тока могут использоваться для создания различных уровней скорости и крутящего момента. Регулировка уровней напряжения, подаваемого на якорь, или статического тока возбуждения изменяет выходную скорость.

Преимущества двигателей переменного тока перед двигателями постоянного тока

И двигатели переменного тока, и двигатели постоянного тока демонстрируют уникальные преимущества, которые делают их пригодными для различных применений. Ниже мы описываем преимущества, предлагаемые обоими типами двигателей.

К преимуществам двигателей переменного тока можно отнести:

• Более низкие требования к пусковой мощности
• Лучший контроль над начальным уровнем тока и ускорением
• Более широкие возможности настройки для различных требований к конфигурации и изменения требований к скорости и крутящему моменту
• Повышенная прочность и долговечность

К преимуществам двигателей постоянного тока можно отнести:

• Более простые требования к установке и обслуживанию
• Более высокая пусковая мощность и крутящий момент
• Более быстрое время отклика на пуск / остановку и ускорение
• Более широкий выбор для различных требований к напряжению

Применение двигателей переменного тока по сравнению с двигателями постоянного тока

Как указано выше, двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока подходят для различных применений. В промышленном секторе долговечность, гибкость и эффективность двигателей переменного тока делают их идеальными для использования в приложениях для широкого спектра устройств, включая бытовые приборы, компрессоры, конвейеры, вентиляторы и другое оборудование HVAC, насосы и транспортное оборудование. Более быстрое время отклика и более стабильные уровни крутящего момента и скорости, предлагаемые двигателями постоянного тока, делают их хорошо подходящими для использования в производственном и производственном оборудовании, лифтах, пылесосах и подъемно-транспортном оборудовании.

И двигатели переменного тока, и двигатели постоянного тока играют критически важную роль в производстве электроэнергии в широком спектре промышленных, коммерческих и жилых помещений. Поскольку оба типа двигателей обладают преимуществами и недостатками, важно понимать разницу между ними, чтобы выбрать подходящий для своего предприятия.

Управление двухфазными двигателями BLDC

Двухфазные двигатели немного сложнее в управлении. Якорь состоит из 4 катушек, а магнитное поле создается 4 парами постоянных магнитов. Катушки якоря сгруппированы попарно, поэтому двухфазные двигатели имеют больший крутящий момент, чем однофазные.

Двухфазные двигатели обычно используются в некритических низкоуровневых устройствах, таких как большие вентиляторы, поэтому там не требуются сложные контроллеры. В результате двухфазные двигатели мощнее и дешевле. Драйверы, такие как например LB1668M, могут использоваться для их управления.

1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
3. Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

• КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
• БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
• ЭП — электрический преобразователь
• ДПР — датчик положения ротора
• ВРД — вентильный реактивный двигатель
• АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
• АДФР — асинхронный двигатель с фазным ротором
• СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина — вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Как определить неисправность коммутатора в машине?

Выявить поломки у устройств нового типа несколько сложнее, чем у одноконтактных. Лучше отвезти машину в СТО. Признаки поломок таковы:

• мотор перестал запускаться, искры нет;
• двигатель постоянно глохнет;
• силовой агрегат работает неустойчиво.

Для проверки используют вольтметр — при включенном зажигании его стрелка должна располагаться посередине шкалы. Когда питание перестает поступать, она отклоняется в правую сторону. Если все происходит так, прибор находится в рабочем состоянии.

Если вольтметра нет, проверяют узел при помощи сигнальной лампочки. Один из проводов подсоединяется к массе, второй — к первой коммутаторной клемме. Если устройство рабочее, лампочка загорится.

Появление коммутатора — следствие эволюции системы зажигания. По мере её развития и возникли многоканальные устройства, которые сильно облегчают жизнь нынешним автовладельцам.