ВВЕДЕНИЕ

В качестве тяговых двигателей в СССР н за рубежом применялись и применяются коллекторные машины постоянного или пульсирующего тока. Такие тяговые двигатели (ТД) обладают определенными положительными качествами. Одновременно они имеют и ряд серьезных недостатков. Эти недостатки заключаются в сравнительно невысокой надежности коллекторного узла и щеточного аппарата; ограниченной по условиям коммутации и механической прочности мощности в отведенных габаритах; высоких расходах на техническое обслуживание в условиях эксплуатации и ремонт; повышенной массе двигателя при сравнительно низких значениях вращающего момента, что ограничивает использование опорно-осевого подвешивания двигателя в условиях жесткого пути; повышенном расходе цветного металла и активных материалов; сравнительно невысокой реализации сцепного веса локомотива.

Устранение указанных недостатков, снятие ограничений по мощности, обеспечение предельно высокого использования сцепления колеса с рельсом могут быть достигнуты переходом на бесколлекториые, в частности асинхронные, тяговые двигатели (АТД).

Сравнительный анализ коллекторных и асинхронных тяговых двигателей для диапазона мощностей от 100 до 1500 кВт, выполненный фирмой ВВС (Швейцария), по ряду показателей позволил выявить следующее:

тангенциальная сила, отнесенная к единице площади поверхности ротора, для АТД в 1,5-2 раза больше, чем для коллекторных тяговых двигателей, и достигает 5 Н/см*;

мощность, отнесенная к единице площади поверхности ротора, для АТД в 2 раза больше и достигает 0,25-0,3 кВт/см*;

линейная скорость ротора АТД может достигать 80-90 м/с, что превышает допустимые значения линейной скорости для коллекторных машин;

при сохранении частоты вращения ротора АТД на уровне частоты вращения якоря коллекторного двигателя возможно увеличение момента АТД приблизительно на 50 %;

по удельной мощности АТД в 2-2,5 раза превосходит коллекторные тяговые двигатели, а его КПД на 1,5-2 % выше КПД коллекторных.

Эти показатели хорошо согласуются с данными, приведенными в табл. 1 для коллекторных и асинхронных тяговых двигателей конкретных типов.

Из данных табл. 1 следует, что АТД могут быть выполнены с мощностью в 1,5-2 раза выше, чем коллекторные двигатели, при одновременном снижении массы на 30-50 %. При этом значительно снижается расход цветного металла, изоляции и электротехнической стали.

Важным показателем эффективности внедрения асинхронного тягового привода является снижение расходов на содержание электровоза в условиях эксплуатации.

По данным фирмы ВВС в Рурском угольном бассейне в одних и тех же условиях находятся в эксплуатации электровозы Е-1200 с асинхронными и ЕА-1000 с коллекторными тяговыми двигателями. Общие затраты при эксплуатации электровозов ЕА-1000 на 100% больше затрат при эксплуатации электровозов Е-1200. По статистическим данным электровозы ЕА-1000 имели 0,9 отказа в месяц, а Е-1200 - только 0,4.

Большой практический интерес представляет вопрос использования сцепного веса локомотива и повышение его тяговых свойств. По данным фирмы ВВС электровоз Е-1200 при трогании поезда с места реализовывал силу тяги 355 кН на 27 % больше, чем электровоз ЕА-1000. Эго положение также убедительно подтверждается данными по расходу песка. В процессе эксплуатации электровоз ЕА-1000 расходовал 504 кг/(млн. т-км) песка, а электровоз Е-1200 - только 176 кг/(млн. т-км).

Аналогичные показатели были получены при тягово-энергетических испытаниях опытного электровоза с АТД ВЛ80®-751 отечественного производства, который одним двигателем при трогании поезда с места реализовывал силу тяги 105 кН.

Много противоречивых мнений высказывалось о распределении нагрузок между параллельно работающими АТД при расхождении диаметров бандажей колесных пар. Испытания опытных образцов электровозов ВЛ80"-338 и ВЛ800^а-751 отечественного производства показали, что при допустимой в эксплуатации разнице в диаметрах колес 10 мм расхождение в нагрузках не превышает 8-10 %, а при разнице 5-6 мм в диапазоне номинальных нагрузок - 4-6 %. Этот показатель не хуже соответствующего показателя серийных электровозов с коллекторными тяговыми двигателями.

Таблица 1

Повышение надежности асинхронных тяговых двигателей из-за устранения коллекторно-щеточного узла полностью определяется самой конструкцией асинхронной машины. Как известно, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет только одну обмотку статора, выполненную с изоляцией. Поэтому АТД не требует периодических осмотров квалифицированными слесарями-мотористами. Его обслуживание сводится только к запрессовке смазки в подшипниках. Это позволяет решить важную социологическую задачу, заключающуюся в ликвидации тяжелых условий работы слесарей-мотордетов. Учитывая положительные качества асинхронного тягового привода, с 60-х годов во всех промышленно развитых странах (СССР, Великобритания, ФРГ, Швейцария, Финляндия и др.) начались интенсивные исследования и разработки тягового подвижного состава с АТД.

Первые в мире макетные образцы электроподвижного состава с АТД были изготовлены в СССР: в 1970 г. электропоезд ЭР9А и в 1971 г. электровоз ВЛ80* с питанием от контактной сети переменного тока напряжением 25 кВ.

В этот же период наиболее интенсивно проводились исследования по созданию опытных образцов электроподвижного состава с АТД фирмой ВВС с питанием от контактной сети постоянного тока 600 и 1500 В и переменного тока с напряжением 15 кВ и частотой 16 */₃Гц (электровозы Е-1200, ЕДЕ - 1976 г., Е-120- 1979 г., электропоезд

ICE - 1986 г.). К разработкам такого тягового подвижного состава приступила фирма AEG (ФРГ).

В 1976 г. в Швейцарии выпущен электровоз Ее 6/6, а в 1984г. для Дании изготовлен электровоз ЕА-3000. В это же время Финляндия (фирма» Stromberg») серийно поставляет электропоезда с АТД для метрополитена Хельсинки. Работы по созданию электровозов с АТД ведутся Всесоюзным научно-исследовательскими проектио-коиструк-торским институтом электровозостроения (ВЭлНИИ) совместно с указанной фирмой. В 1985 г. был построен электровоз В Л 86*.

К созданию электровозов с АТД постоянного тока приступили фирмы «Шкода» (Чехо-Словакия), «Гаиц» (Венгрия), а также ряд других фирм Франции, ФРГ, Италии и Японии.

В СССР ведутся разработки электропоездов постоянного и переменного тока с АТД Рижским электромашиностроительным заводом (РЭЗ).

1. УСЛОВИЯ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ ПАРАМЕТРАМ