Двигател за тяга — електрически мотор за железопътни и промишлени приложения

Вижте също: Електромобил и Електрически двигател

Двигател за тяга се отнася за вид електрически двигател. Тяговият двигател се използва за създаване на въртящ момент на машина. Обикновено той се променя в праволинейно движение.

Тяговите двигатели се използват в железопътни превозни средства с електрическо задвижване, като например електрически мотриси и електрически локомотиви. Те се използват и в електрически превозни средства, като например електрически млекопревозвачи, асансьори и конвейери. Превозни средства с електрически предавателни системи, като дизелово-електрически локомотиви, електрически хибридни превозни средства и електрически превозни средства, захранвани от батерии.

Какво представлява тяговият двигател

Двигател за тяга е специално проектиран електрически двигател, чието основно предназначение е да осигури въртящ момент и мощност за придвижване на машини или превозни средства. В железопътния и промишления контекст този въртящ момент обикновено се трансформира в праволинейно движение чрез колела, ремъци, зъбни предавки или барабани.

Основни типове тягови двигатели

DC двигатели (серийни или с индуктор): традиционно използвани заради високия стартов въртящ момент и лесното управление на скоростта; съдържат четки и колектор.
AC асинхронни (индукционни) двигатели: широко разпространени в съвременните локомотиви и мотриси заради здравината, простотата и добра съвместимост с мощна електроника за управление.
Синхронни двигатели (включително с постоянни магнити): осигуряват висока ефективност и прецизно управление на въртящия момент; все по-често използвани при съвременни трейнсови и индустриални приложения.
Специализирани конструкции: беззъбни (gearless) мотори за метрополитенни влакове, двигатели с външно или водно охлаждане за високи натоварвания и др.

Приложения

Железопътен транспорт: локомотиви, електрически мотриси, трамваи, метростанции — основна роля в тяга и регенеративно спиране.
Индустриални системи: конвейери, кранове, лебедки, въжени линии и асансьори (асансьори), където е нужно точно управление на скоростта и голям стартов/продължителен момент.
Електрически превозни средства: батерийни и хибридни системи, дизелово-електрически локомотиви (дизелово-електрически), транспортни средства за специални приложения (например електрически млекопревозвачи).

Характеристики и изисквания

Номинална мощност и въртящ момент: задават се спрямо масата и търсеното ускорение на превозното средство или натоварването в промишлените приложения (единици: kW, Nm).
Криви момент-скорост: тяговите двигатели често осигуряват висок стартов момент и след това работят в режим на постоянен момент или постоянна мощност в различни участъци на скоростта.
Дежурни режими: непрекъснат, краткотраен и спирачен режим — всеки изисква оценка на температурни ограничения и охлаждане.
Термични ограничения и охлаждане: въздушно охлаждане, принудително въздушно охлаждане или водно охлаждане при големи мощности.
Механично закрепване: носещи конструкции — осово окачен/носово окачен/пълно окачен мотор (особено при железопътни приложения за намаляване на масата и вибрациите).
Защита и изолация: класове на изолация, IP степен за прахо- и влагозащита, устойчивост на вибрации и удари.

Системи за управление и спиране

Електроника за захранване: преобразуватели (инвертори), тиристорни или IGBT-базирани преобразуватели, DC choppers — осигуряват контрол на скоростта и въртящия момент.
Управление на въртящия момент: векторно управление (FOC), директно управление на въртящия момент (DTC) и управление чрез постоянен въртящ момент/поле-слабяване за разширен работен диапазон.
Регенеративно спиране: обратно подаване на енергия в мрежата или рекуперация в батериите — важно за енергийна ефективност на железопътния транспорт и електрическите превозни средства.
Контрол на сцеплението (wheel-slip): системи за наблюдение и регулиране на момента, за да се предотврати приплъзване на колелата при ниско сцепление.

Монтаж, охлаждане и поддръжка

Монтажната конфигурация влияе върху предаването на вибрации и масата върху окачването; в железопътните приложения важно е правилно балансиране и изолация.
Охлаждането се проектира според продължителността на натоварването; при претоварване или лошо охлаждане следват термични повреди и ускорено стареене на изолацията.
Поддръжка: при DC двигатели — смяна и проверка на четки и колектор; при всички видове — проверка на лагери, електрически връзки, състояние на обмотките и изолация.
Мониторинг: вибрационен анализ, температурни датчици, измерване на токове и напрежения за ранно откриване на неизправности.

Предимства и ограничения

Предимства: висока ефективност (особено при синхронни и модерни асинхронни конструкции), възможност за регенерация, добро динамично поведение и надеждност при правилна поддръжка.
Ограничения: необходимост от мощна електроника за управление, термични ограничения при продължителни високи натоварвания, при някои конструкции — по-голяма маса и нужда от сложни монтажни решения.

Стандарти и проектиране

Проектирането на тягови двигатели и свързаните им системи следва отраслови стандарти за безопасност, електромагнитна съвместимост, изолация и надеждност. Изборът на тип и параметри се базира на спецификации като маса на превозното средство, търсено ускорение, профил на трасето и режим на експлоатация.

Съвременните тенденции включват по-широка употреба на синхронни двигатели с постоянни магнити за по-висока плътност на мощността, усъвършенствани системи за управление за оптимизация на разхода на енергия и интегрирани решения за диагностика и превантивна поддръжка.

Транспортни приложения

Железопътна линия

Железниците първи използват двигатели за постоянен ток. Тези двигатели обикновено работят с напрежение около 600 волта. Бяха разработени мощни полупроводници за управление на превключването на променливотоковите двигатели. Те направиха асинхронните двигатели с променлив ток по-добър избор. Асинхронният двигател не се нуждае от контакти вътре в двигателя. Тези променливотокови двигатели са по-прости и по-надеждни от старите постояннотокови двигатели. Асинхронните двигатели за променлив ток са известни като асинхронни тягови двигатели.

Преди средата на 20-ти век един голям двигател често се е използвал за задвижване на няколко колела чрез шарнири. Това е същият начин, по който парните локомотиви са въртели задвижващите си колела. Сега обичайната практика е да се използва един тягов двигател за задвижване на всяка ос чрез зъбно колело.

Обикновено тяговият двигател се монтира между рамата на колелото и задвижващата ос. Това се нарича "окачен на носа тягов двигател". Проблемът при това монтиране е, че част от теглото на двигателя е върху оста. Това води до по-бързо износване на релсовия път и рамата. Електрическите локомотиви "Bi-Polar", построени от General Electric за Milwaukee Road, са с директно задвижване на двигателите. Въртящият се вал на двигателя беше и ос за колелата.

Двигателят за постоянен ток се състои от две части: въртяща се котва и неподвижна полева намотка. Намотките на полето, наричани още статор, заобикалят котвата. Намотките на полето се състоят от плътно навити намотки от проводник в корпуса на двигателя. Котвата, наричана още ротор, е друг набор от намотки от проводник, навити около централния вал. Котвата е свързана с намотките на полето чрез четки. Четките са пружинни контакти, притискащи комутатора. Комутаторът изпраща електричеството в кръгова схема към намотките на котвата. При последователно навит двигател котвата и намотките на полето са свързани последователно. Последователно навитият двигател за постоянен ток има ниско електрическо съпротивление. Когато към двигателя се подаде напрежение, то създава силно магнитно поле в него. Това създава голям въртящ момент, така че е подходящ за стартиране на влак. Ако към двигателя се изпрати по-голям ток от необходимия, въртящият момент ще е твърде голям и колелата ще се завъртят. Ако към двигателя се изпрати твърде голям ток, той може да се повреди. Резисторите се използват за ограничаване на тока при стартиране на двигателя.

Когато двигателят за постоянен ток започне да се върти, магнитните полета в него започват да се съединяват. Те създават вътрешно напрежение. Тази електромагнитна сила (ЕМС) действа срещу напрежението, изпращано към двигателя. ЕМП контролира потока на тока в двигателя. Когато двигателят се ускорява, ЕМП намалява. В двигателя протича по-малко ток и той създава по-малък въртящ момент. Двигателят ще спре да увеличава скоростта си, когато въртящият момент съвпадне (е равен на) със съпротивлението на влака. За да се ускори влакът, към двигателя трябва да се изпрати по-голямо напрежение. Един или повече резистори се премахват, за да се увеличи напрежението. Това ще увеличи тока. Въртящият момент ще се увеличи, както и скоростта на влака. Когато във веригата не са оставени никакви резистори, пълното мрежово напрежение се подава директно към двигателя.

При електрическите влакове първоначално машинистът е трябвало да контролира скоростта, като променя съпротивлението ръчно. До 1914 г. се използва автоматично ускорение. Това се постига чрез ускоряващо реле във веригата на двигателя. Често то се е наричало реле за врязване. Релето наблюдавало спадането на тока и контролирало съпротивлението. Всичко, което водачът е трябвало да направи, е да избере ниска, средна или пълна скорост. Тези скорости се наричат шунтови, серийни и паралелни от начина на свързване на двигателите.

Пътни превозни средства

Вижте също: Хибридно електрическо превозно средство и Електрическо превозно средство

Традиционно пътните превозни средства (автомобили, автобуси и камиони) използват дизелови или бензинови двигатели с трансмисия. През втората половина на 20-ти век започват да се разработват превозни средства с електрически предавателни системи. Тези превозни средства имат източник на електроенергия от батерии или горивни клетки. Те могат да се задвижват и от двигатели с вътрешно горене.

Предимство на използването на електрически двигатели е, че някои видове могат да генерират енергия. Те действат като динамо при спиране. Това спомага за подобряване на ефективността на автомобила.

Охлаждане

Поради високите нива на мощност, използвани от тяговите двигатели, те отделят много топлина. Обикновено те се нуждаят от охлаждане, често с принудително подаване на въздух.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява тяговият двигател?

О: Тяговият двигател е вид електродвигател, който се използва за създаване на въртящ момент на машина и преобразуването му в праволинейно движение.

В: В кои видове железопътни превозни средства с електрическо задвижване се използват тягови двигатели?

О: Тяговите двигатели се използват в електрическите мотриси и електрическите локомотиви.

В: Освен в железопътните превозни средства, къде другаде се използват тягови двигатели?

О: Тяговите двигатели се използват и в електрически превозни средства, като например млеководи, асансьори и конвейери.

В: В кои видове превозни средства се използват електрически предавателни системи и следователно се използват и тягови двигатели?

О: Превозните средства с електрически предавателни системи, като например дизелово-електрически локомотиви, електрически хибридни превозни средства и електрически превозни средства, захранвани от батерии, използват тягови двигатели.

В: Какво е предназначението на тяговия двигател?

О: Целта на тяговия двигател е да генерира въртящ момент на машината и да го преобразува в праволинейно движение.

В: Електрическите превозни средства ли са единственият вид превозни средства, които използват тягови двигатели?

О: Не, дизелово-електрическите локомотиви и електрическите хибридни превозни средства също използват тягови двигатели в своите системи за електрическо предаване.

В: Можете ли да посочите някои примери за електрически превозни средства, които използват тягови двигатели?

О: Електрическите плавателни съдове за мляко, както и електрическите превозни средства, захранвани от батерии, използват тягови двигатели.