Предисловие. 
Тяговый электрический привод

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».

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 шганг с роликовым, а позднее со скользящим контактом, обеспечивших более высокую надежность токосъема при достаточно высоких скоростях движения.

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 па внутригородских и междугородных линиях используются электромобили, электробусы, дуобусы и т. д. [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 нс 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, И. П. Исаев, А. И. Яковлев, Н. А. Погарский, Ю. М. Андреев, А. Б. Миндлин, 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.

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.

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.

В результате изучения курса студент должен:

знать

• • особенности эксплуатации и требования, предъявляемые к тягов ы м электро при водам;
• • элементную базу преобразователей, механической и электрической частей приводов;
• • характер нагрузок, воздействующих на привод;
• • характеристики электродвигателей, используемых в тяговых приводах;
• • способы изменения электромеханических и механических характеристик двигателей;
• • принцип работы преобразователей постоянного и переменного тока в приводах;
• • назначение и классификацию источников электрической энергии, используемых для питания тяговых электроприводов;
• • характеристики источников питания;
• • режимы работы тяговых приводов;
• • способы регулирования скорости электропривода транспортных средств;
• • принципы и способы управления тяговыми приводами;
• • характеристики пуска и торможения (ХПТ) и характеристики систем управления (ХСУ);
• • уравнение баланса мощности в тяговом электроприводе;

уметь

• • составлять структурные, расчетные и кинематические схемы различных типов приводов и преобразователей;
• • составлять математические модели электрической части приводов с двигателями постоянного и переменного тока;
• • составлять структурные схемы источников с различными типами накопителей энергии;
• • определять устойчивость привода при воздействии на него различных факторов;
• • описывать принцип работы различных типов приводов постоянного и переменного тока с резисторно-контакторными и полупроводниковым и регуляторам и;
• • использовать типовые узлы схем силовых цепей постоянного и переменного тока с резисторно-контакторными и полупроводниковыми регуляторами при разработке принципиальных электрических схем приводов;
• • составлять структурную схему тепловой модели тягового двигателя как двухмассового объекта;
• • обосновывать правильность выбора источников энергии для тя го в ы х эл е ктр о при водо в;
• • описывать принципы работы схем электрической части тяговых электроприводов;

владеть

• • навыками разработки требований к проектируемым тяговым электроприводам;
• • навыками представления приводов в виде я-массовых моделей;
• • навыками анализа переходных процессов в тяговых электроприводах;
• • навыками определения мощности тягового двигателя заданного транспортного средства;
• • методом графического анализа устойчивости работы привода.

Авторы выражают свою признательность рецензентам В. П. Горелову и В. Н. Аносову, сделавшим ценные замечания при подготовке пособия.