Технические науки / 4.Транспорт

к.т.н. Хадеев Р.

Гос. НИИИ ВМ МО РФ

СИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ КАК ТЯГОВЫЕ

Двигатели, которые могут быть использованы в качестве тяговых на электровозе, а также на трамвае, троллейбусе или на электроприводном автомобиле, должны удовлетворять двум основным требованиям. Они должны допускать возможность изменения в широких пределах скорости вращения. Это позволяет изменять скорость движения. Также необходимо иметь возможность изменять в широком диапазоне силу тяги, т. е. вращающий момент, развиваемый двигателем. Двигатели должны обеспечивать большую силу тяги во время старта, при разгоне, при преодолении крутых подъемов и снижать ее при более легких условиях движения. А также они должны быть экономичными. Наиболее экономичным обычно считается синхронный электродвигатель. Но он не имеет крутящего момента при пуске. Он имеет постоянные обороты, при попытке изменить которые, останавливается. В мире до сих пор не прекращаются попытки его применения, как тягового. Синхронный электродвигатель экономичнее асинхронного примерно на десять процентов. Относительно коллекторного на четверть. Это очень много, а если учесть перспективность электротранспорта, то это очень важно. Кроме этого у синхронного электродвигателя есть и иные положительные качества. Основным достоинством синхронного электродвигателя является возможность получения оптимального режима по реактивной энергии, который осуществляется путем автоматического регулирования тока возбуждения. Синхронный двигатель может работать, не потребляя и не отдавая реактивной энергии в сеть, при коэффициенте мощности равном единице. В этих условиях работающий синхронный двигатель нагружает сеть только активным током. Обмотка статора синхронного двигателя рассчитывается только на активный ток. У асинхронного двигателя из-за рассогласования активной и реактивной составляющих, эта обмотка рассчитывается на активный и реактивный токи. При одинаковой мощности габариты синхронного двигателя меньше, а его к.п.д. выше, чем у асинхронного. Синхронные электродвигатели менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные. Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, а критический момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения. Синхронные электродвигатели имеют высокую перегрузочную способность, которая может быть увеличена за счет повышения тока возбуждения, например, при резком повышении нагрузки на валу двигателя. Применение синхронного электродвигателя, как тягового в электротранспорте возможно в электромеханическом устройстве, схема которого показана на рисунке, позволяющем в автоматическом режиме, в зависимости от потребной величины, изменять обороты и крутящий момент выходного вала. При этом обороты рабочего ротора электродвигателя остаются постоянными. Пусковой крутящий момент такого двигателя при конструировании может быть выбран многократно большим, чем на крейсерских режимах работы и автоматически изменяться в широких пределах. Поэтому такой привод может по всем параметрам, а в первую очередь по условиям пуска, с успехом заменить коллекторный электродвигатель, являясь, при этом, на двадцать пять процентов более экономичным. На схеме показано такое электромеханическое устройство:

Электродвигатель с вертикальным расположением вала с двумя роторами. Первый ротор электродвигателя 2 индуктивно связан со статором 1. Он установлен на водиле 3, которое свободно вращается на валу 6. На водиле свободно установлены пары сателлитов 4 и 5, жёстко соединённые между собой, вращаются вокруг двух центральных колёс 7 и 8 разного диаметра. Центральное колесо 7 соединено с выходным валом 6. Центральное колесо 8 свободно вращается на валу 6 и соединено со вторым ротором. А также центральное колесо 8 соединено с обгонной муфтой 9, ответная часть которой соединена с корпусом. Первый ротор электродвигателя подключен к входу планетарного, несимметричного дифференциала, один его выход соединён с выходным валом, а второй выход, связан со вторым ротором 10, который индуктивно связан также с ротором электродвигателя 2. Второй ротор, при вращении первого ротора 2 относительно него, вырабатывает электроэнергию, а возникающая при этом противодействующая сила, увлекает второй ротор вслед за первым, стремится уменьшить их взаимное скольжение, так, как это происходит в электроиндукционных муфтах. Это частично блокирует дифференциал, заставляя разгоняться выходной вал электродвигателя. Управляя величиной нагрузки в цепи ротора 10, можно управлять силой, блокирующей дифференциал, изменяя темп разгона и обороты ведомого вала. Второй ротор 10 также соединён с обгонной муфтой, которая ответной частью соединена с корпусом. Обгонная муфта препятствует вращению второго ротора 10 в сторону, обратную направлению вращения первого ротора 2. При пуске электродвигателя, если есть нагрузка на выходном валу, ротор 10 стремится вращаться в сторону, противоположную направлению вращения ротора 2 электродвигателя, так как они связаны дифференциальной связью. Но обгонная муфта препятствует этому, ротор 10 останавливается и дифференциал работает как редуктор с большим передаточным отношением, многократно увеличивая крутящий момент на выходном валу. С ростом оборотов обгонная муфта выходит из соединения с корпусом, крутящий момент на выходном валу уменьшается до величины крутящего момента ротора электродвигателя. При увеличении крутящего момента на выходном валу он затормаживается, а ротор 10 через дифференциальную связь стремится начать вращение в обратную сторону, обгонная муфта входит в соединение с корпусом, предотвращая вращение ротора 10 в обратном направлении, общее передаточное отношение механизма увеличивается. Крутящий момент на выходном валу увеличивается. Пусковой крутящий момент на выходном валу такого электродвигателя зависит от выбора соотношения параметров дифференциала и вполне может быть при пуске на порядок и даже на два порядка больше крутящего момента на его роторе. У такого электромеханического устройства, в зависимости от потребных, в очень широких пределах, автоматически регулируются обороты и крутящий момент на выходном валу, при постоянных оборотах рабочего ротора электродвигателя.