Тяговый электрический привод


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




В.В. БИРЮКОВ, Е.Г. ПОРСЕВ





ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия










НОВОСИБИРСК

2013

УДК 621.333(075.8)
      Б 649

Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В.Н. Аносов д-р техн. наук, профессор В.П. Горелое




        Бирюков В.В.

Б 649 Тяговый электрический привод : учеб. пособие / В.В. Бирюков, Е.Г. Порсев. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2013. - 314 с.

          ISBN 978-5-7782-2263-2

          Излагаются общие вопросы теории тягового электропривода для электротранспорта. Анализируются физические свойства механической части подвижного состава электротранспорта, электрической части, включая электродвигатели, преобразователи электрической энергии и источники энергии для движения транспортных средств и их характеристики при совместной работе. Рассматриваются общие свойства разомкнутых электромеханических систем с комбинированной нагрузкой и вопросы регулирования их основных характеристик. Значительное внимание уделяется энергетике тяговых электроприводов и энергосбережению. Основные теоретические положения учебного пособия иллюстрируются примерами электрических схем и графическими характеристиками.
          Предназначено для студентов специальности «Электрический транспорт», а также для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и исследованием тяговых электроприводов транспортных средств.




УДК 621.333(075.8)



ISBN 978-5-7782-2263-2

                    © Бирюков В.В., Порсев Е.Г., 2013
                    © Новосибирский государственный технический университет, 2013

            ПРЕДИСЛОВИЕ


   В 1834 г. русский электротехник Б.С. Якоби, работавший в Германии и России, создал свой первый электродвигатель мощностью 15 Вт и сконструировал на его основе в 1838 г. в Санкт-Петербурге бот, курсировавший по реке Неве. Этот бот можно считать первой попыткой применения тягового электропривода на транспортном средстве. Судно приводилось в движение от 40 электродвигателей, объединенных по 20 штук на двух вертикальных валах и вращающих гребные винты. Источником энергии для них была батарея гальванических элементов, размещенная в боте. Однако малая энергоемкость гальванической батареи не могла обеспечить широкого применения лодки с электроприводом.
   В 1879 г. немецкий инженер В. Сименс построил первую электрическую железную дорогу для Берлинской промышленной выставки. Небольшой вагон с электродвигателем служил локомотивом для состава из трех тележек, на которых могли разместиться 18 пассажиров. Электрическая энергия подводилась по отдельному контактному рельсу, а обратным проводом являлись рельсы, по которым двигался поезд. В 1880 г. в США Т. Эдисон провел опыты по применению электрической тяги на участке железной дороги в штате Нью-Йорк, где он испытывал прототип электровоза. Первой в мире железной дорогой с электрическим подвижным составом стала линия Балтимор - Огайо в США, движение на ней было открыто в 1895 г.
   Создание и промышленный выпуск тяговых электрических машин, приспособленных к работе на транспорте в широком диапазоне температур при воздействии вибраций, пыли, влаги, позволили электрифицировать железные дороги в начале XX в. С 1902 г. на заводах Германии был налажен выпуск электровозов с конструкционной скоростью 110 км/ч, в 1903 г. на железной дороге прошел испытания первый железнодорожный электрический моторный вагон фирмы «Сименс».

3

   Практически одновременно с созданием электровозов в разных странах начали появляться и тепловозы. Изобретенный в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем двигатель внутреннего сгорания с впрыском и воспламенением топлива в разогретом при сжатии в цилиндре воздухе (двигатель стал называться «дизелем») был использован при создании автономных локомотивов с электрической тягой. Для запуска дизеля использовался электрический генератор, от которого получали энергию тяговые двигатели.
   В 1880 г. Ф.А. Пироцкий осуществил пуск электрического трамвая в Санкт-Петербурге. В качестве трамвайного вагона использовали вагон конной железной дороги, к раме которого был подвешен электродвигатель, вращавший ведущие колеса через зубчатую передачу.
   С 1883 г. линия трамвая длиной 9,6 км действовала в Портуме (Ирландия). В 1884 г. было открыто движение электрических трамваев в Англии и Германии. Первый электрический трамвай в Российской империи был пущен в Киеве в 1892 г., затем в 1894 г. - в Казани, в 1896 г. -в Нижнем Новгороде, в 1897 г. - в Екатеринославле и Курске, в 1898 г. - в Орле и Севастополе, в 1899 г. - в Москве и других городах.
   Поэтому можно считать, что зарождение периода электрической тяги относится к концу XIX в. На электрическую тягу начали переводить трамваи и метрополитены, появились первые троллейбусы и электропоезда. Один из первых трамвайных вагонов с питанием от контактного провода внешне мало отличался от конки и имел всего 12 посадочных мест, приводился в движение одним тяговым электродвигателем (ТЭД) мощностью 4,5 л. с. (3,3 кВт) с ременной передачей вращающего момента на движущие колеса (колесную пару) и управлялся силовым контроллером, установленным на площадке.
   В 1882 г. в Германии на пригородной линии Берлин - Шпандау появился первый опытный образец безрельсового экипажа с электрическим двигателем, получающим питание от контактных проводов, -прообраз троллейбуса. Долгое время троллейбус не имел широкого распространения, что было связано главным образом с недостатками токосъема через токосъемные каретки и сменивший их позднее роликовый штанговый токоприемник. Развитие троллейбусов началось в Англии и Чехословакии после изобретения троллейбусных токосъемных штанг с роликовым, а позднее со скользящим контактом, обеспечивших более высокую надежность токосъема при достаточно высоких скоростях движения.

4

   Появление электрической тяги коренным образом расширило и перспективы развития метрополитенов. Перевод их с паровой тяги на электрическую значительно улучшил санитарное состояние станций и туннелей, позволил повысить скорость движения поездов и увеличить глубину залегания туннелей, так как электрическая тяга исключает необходимость усиленной вентиляции. В свою очередь, глубокая закладка туннелей обеспечила возможность наиболее удобной трассировки линий метрополитенов независимо от уличной сети. Первый отечественный метрополитен был открыт в Москве в 1935 г.[1].
   Перечисленные виды транспорта, использующего для реализации движения электрические машины, наиболее развиты и широко распространены во многих странах мира, но далеко не полностью отражают картину применения тягового привода для перевозки пассажиров и грузов как в быту, так и на производстве. Не претендуя на полное описание сферы применения тягового электропривода на транспортных средствах, перечислим наиболее распространенные из них. Так, например, при транспортировке полезных ископаемых на открытых горных разработках широко используются большегрузные самосвалы и автопоезда грузоподъемностью 25...180 тонн с мотор-колесным тяговым электрическим приводом [2,3]. При добыче полезных ископаемых закрытым способом (на рудниках) широко применяются электровозы и лифтовые подъемники с электроприводом.
   На магистральном железнодорожном транспорте широко применяются для пассажирских и грузовых перевозок электропоезда, электровозы, а также теплоэлектрический подвижной состав - тепловозы [4].
   На промышленных предприятиях нередко можно встретить транспортные средства с электроприводом, которые используются для перемещения грузов. К ним относятся, прежде всего: электрокары, электропогрузчики, электроштабелеры и т. д. Грузы в пределах цехов нередко доставляются при помощи конвейеров, кран-балок, козловых кранов и лебедок, приводимых в движение электрическими машинами.
   Электрический привод используется и в таких транспортных средствах, как канатные дороги, фуникулеры, эскалаторы, движущиеся тротуары.
   Для перевозки пассажиров на внутригородских и междугородных линиях используются электромобили, электробусы, дуобусы и т. д. [5].

5

   Следует отметить и такой «экзотический» вид транспорта с электроприводом, как монорельсовый, который был использован для перевозок пассажиров еще в 1901 г. в г. Вупперталь. В настоящее время широкого распространения он не получил.
   В последнее время возрос интерес к гибридным силовым установкам в автомобилестроении, где объединяются тепловой и электрический двигатели, работающие на одну тяговую передачу.
   Описание будет неполным, если не упомянуть водные виды транспорта (как надводные так и подводные), на которых нередко в качестве приводных моторов гребных винтов также используются электродвигатели.
   Несмотря на большое разнообразие транспортных средств с электроприводом, их все объединяет одно - тяговая электрическая машина, алгоритм управления которой имеет много схожего, если не тождественен, для различных видов транспорта.
   Тяговый электрический привод (ТЭП) - один из основных элементов подвижного состава, использующего для движения электрическую энергию. Несмотря на то что история его развития насчитывает почти 200 лет, в настоящее время отсутствуют издания, в которых в концентрированном виде излагалась общая теория тягового привода для транспортных средств, в то время как по отдельным видам транспорта, таким, например, как электромобиль, теплоэлектрический подвижной состав, подвижной состав городского электрического транспорта и некоторым другим, подобные издания существуют. Многие российские ученые внесли вклад в развитие общей теории электрической тяги и тягового электропривода; в частности, это В.Е. Розенфельд, Е.В. Чеботарев, Н.Н. Сидоров, Н.А. Болдов, А.Д. Степанов, И.С. Ефремов, В.Д. Тулупов, В.А. Пречисский, Г.В. Косарев, Н.П. Исаев, А.И. Яковлев, Н.А. Погарский, Ю.М. Андреев, А.Б. Мин-длин, А.П. Пролыгин и другие.
   Издание настоящего пособия - это первая попытка устранить пробел в области описания теории тягового электропривода применительно к различным видам транспорта.
   Пособие скомпоновано следующим образом: главы с первой по девятую посвящены теории, а для ее усвоения и применения на практике в десятой главе приведены примеры решения конкретных задач по расчету параметров всех элементов тягового электрического привода.

6

   В первой главе описаны назначение, структура и основные элементы тягового электропривода, выявлены особенности условий работы и требования, предъявляемые к тяговым электроприводам. Предложена классификация тяговых электроприводов по ряду критериев.
   В главе 2 описаны назначение, структура и основные элементы механической части тягового электропривода, приведена классификация по конструкционным критериям. Предложены типовые кинематические схемы механической части, рассмотрены статические и динамические нагрузки тяговых электроприводов. Обоснованы расчетные схемы механической части тяговых электроприводов.
   В главе 3 описаны назначение, структура и основные элементы электрической части, приводится классификация по таким критериям, как тип электродвигателя и способ создания магнитного потока. Описаны тяговые электрические двигатели постоянного тока и переменного тока, их конструктивное исполнение, электромеханические характеристики и классические математические модели.
   В главе 4 описаны назначение и классификация преобразователей, а также предъявляемые к ним требования. Приведены типовые принципиальные электрические схемы силовой части преобразователей постоянно-постоянного тока, постоянно-переменного тока и переменнопостоянного тока.
   В главе 5 описаны назначение и классификация источников энергии, требования, предъявляемые к источникам. Приведены характеристики источников энергии «неограниченной мощности» - централизованного электроснабжения тяговых электроприводов и источников «ограниченной мощности» - автономных источников энергии.
   В главе 6 описаны структурные схемы тяговых электроприводов как разомкнутых электромеханических систем. Приведены теоретические положения об устойчивости статического режима работы, о демпфировании электроприводом упругих механических колебаний, о переходных процессах в электроприводах и методах их анализа.
   В главе 7 описаны режимы работы тяговых электроприводов подвижного состава электротранспорта, способы регулирования скорости движения транспортных средств и схемные решения силовых электрических цепей тягового привода с двигателями постоянного и переменного тока.
   В главе 8 описаны принципы управления режимами работы тяговых электродвигателей в электроприводах, приведена классификация способов управления.

7

    В главе 9 описаны баланс мощности и энергетические характеристики тягового электропривода. Приведены теоретические положения о потерях энергии в установившихся и переходных процессах, о нагревании и охлаждении электродвигателей, об определении мощности тягового электродвигателя подвижного состава. Рассмотрены вопросы работы тяговых электроприводов с комбинированными энергетическими установками.
    В главе 10 приводятся примеры расчетов основных параметров элементов тяговых электроприводов.
    Авторы выражают свою признательность рецензентам В.П. Горелову и В.Н. Аносову, сделавшим ценные замечания при подготовке пособия.

ГЛАВА 1


            СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА


        1.1. НАЗНАЧЕНИЕ, СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

   Как известно любое тело не может перемещаться в пространстве без приложения к нему усилия, например, от внешнего воздействия. Применительно к транспортным средствам само усилие независимо от его источника называется тяговым. Тяговое усилие может быть реализовано и внутри самого тела, если оно оснащено устройством для создания такого усилия. В том случае, когда для питания подобного устройства используется электрическая энергия, преобразуемая в нем в механическую, устройство называется тяговым электрическим двигателем. При этом тяговый электродвигатель может создавать как крутящий момент на своем валу, так и непосредственно тяговое усилие (линейный тяговый электродвигатель). Создаваемый на валу тягового электродвигателя крутящий момент необходимо преобразовать в тяговое усилие на колесе, для чего используется механическая передача. Совокупность перечисленных элементов образует электрический привод, а поскольку он предназначен для создания тягового усилия подвижного состава, его называют тяговый электрический привод.
   Таким образом, под тяговым электроприводом подразумевается совокупность элементов электрического и механического оборудования транспортного средства, предназначенная для управляемого преобразования энергии источника питания в энергию поступательного движения транспортного средства.
   В отличие от других видов электроприводов, например общепромышленного назначения, неотъемлемой частью тяговых стал источник питания, поскольку на некоторых видах подвижного состава он размещается непосредственно на его борту. Так как транспортное средство

9

осуществляет не только разгон, но и торможение, то привод должен обеспечивать и этот режим движения.
   Наличие в составе тягового электропривода электрической машины, которая, как известно, обладает свойством обратимости (т. е. может работать как двигатель, так и в качестве генератора), позволяет реализовать все режимы движения подвижного состава: пуск, движение с заданной скоростью, выбег, подтормаживание и торможение почти до полной остановки.
   В состав тягового электропривода входят (рис. 1.1 [6]): блок ИЭ -источник энергии; Пр - преобразователь; ЭМПр - электромеханический преобразователь (тяговый электродвигатель); МП - механическая передача; Дв - движитель (пневматическое колесо, колесная пара и т. д.); СУ - система управления.

Рис. 1.1. Структурная схема тягового электрического привода

    При исследовании происходящих в электроприводах (как общепромышленного назначения, так и тяговых) переходных процессов выясняется, что существует два рода таких процессов: электромагнитные и механические. Первые из них протекают в источнике энергии, преобразователе и электродвигателе. Вторые - в таких его элементах, как механическая передача и движитель, а также электродвигатель. При этом, учитывая, что постоянная времени электромагнитных процессов на порядки меньше, чем механических, можно чисто условно разделить привод на две части: электрическую и механическую. Поэтому при дальнейшем изучении тягового электропривода воспользуемся таким искусственным делением в целях более детального исследования каждой из составных частей.

10