Меню

Пульсация тока двигатель постоянного тока

Электрический двигатель постоянного тока

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

Схематическое изображение простейшего ДПТ

  1. Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
  2. Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
  3. Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
  4. Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • соединение параллельно обмоткам якоря;
  • варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
  • смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Схемы подключения обмоток статора

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Ротор с тремя обмоткамиРисунок 3. Ротор с тремя обмотками Якорь со многими обмоткамиРисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Схема электромотора с многообмоточным якорем

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Принцип работы ДПТ

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Читайте также:  Поражение током 750 кв

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

  • бытовые и промышленные электроинструменты;
  • автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
  • трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

  • Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
  • Легко регулируемая частота вращения;
  • хорошие пусковые характеристики;
  • компактные размеры.

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

  • ограниченный ресурс коллектора и щёток;
  • дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
  • ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
  • дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Видео в дополнение к написанному



Источник

Общие сведения об устройстве тяговых двигателей постоянного и пульсирующего тока

I Принцип работы тягового двигателя постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции. Его конструкция в отличие от большинства промышленных машин постоянного тока обусловлена тяжелыми и своеобразными условиями работы и типом тяговой передачи. Однако все тяговые двигатели постоянного и пульсирующего тока имеют много общего в части возбуждения и конструктивного исполнения. Большинство тяговых двигателей выполнено с последовательным возбуждением, которое, как известно, позволяет получать мягкие характеристики. У двигателей с последовательным возбуждением при возрастании нагрузки, например вдвое, частота вращения их якорей уменьшается до 70% первоначальной, а потребляемая ими мощность возрастает лишь на 0,25%. Скоростные характеристики таких двигателей называют мягкими. В двигателях с параллельным возбуждением с увеличением нагрузки на их валах вдвое ток и мощность также возрастают вдвое Поэтому их скоростные характеристики называют жесткими.

У двигателей последовательного возбуждения вследствие квадратичной (до насыщения) зависимости вращающего момента от нагрузки довольно просто регулировать режимы работы и мощность При увеличении нагрузки значительно увеличивается вращающий момент и уменьшается частота вращения, а при снижении ее уменьшается вращающий момент, но увеличивается частота, т е. автоматически регулируется мощность двигателя, в то время как у двигателя с параллельным возбуждением требуется регулировать ток возбуждения для изменения частоты вращения На железных дорогах Советского Союза и зарубежных имеются опытные электровозы с независимым и смешанным возбуждением тяговых двигателей.

Колебания напряжения в контактной сети, неизбежные в условиях эксплуатации, значительно меньше отражаются на работе двигателей с последовательным возбуждением, чем с параллельным. У двигателя с последовательным возбуждением габаритные размеры катушек значительно меньше, чем у двигателя с параллельным возбуждением. Напряжение на зажимах последовательной обмотки составляет всего несколько процентов от напряжения на коллекторе, в то время как на зажимах параллельной обмотки оно равно полному напряжению, приходящемуся на двигатель. Поэтому для параллельной обмотки требуется изоляция, выдерживающая большее напряжение, а следовательно, и более дорогая.

Магнитный поток двигателя с параллельным возбуждением возрастает медленно; при включении двигатель хуже переносит различные переходные процессы. При одном и том же токе в зоне больших нагрузок (что соответствует режиму пуска) двигатель с последовательным возбуждением имеет больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением при той же мощности. Габаритные размеры двигателя с параллельным возбуждением будут больше, так как при максимальной силе тяги он потребляет значительно больший ток, чем двигатель с последовательным возбуждением, и, следовательно, значительно больше нагреваются его узлы. При параллельной работе нескольких таких двигателей расхождение в нагрузках, вызванное неизбежной разницей свойств материалов, применяемых при изготовлении двигателей, допусков на обработку и сборку отдельных деталей и узлов, разницей в диаметрах бандажей колесных пар и т. д., может оказаться недопустимо большим. При двигателях с последовательным возбуждением эта разница будет незначительной.

Однако тяговые двигатели с последовательным возбуждением склонны к бок-сованию, а при использовании их на э.п.с. с рекуперативным и рекуперативно-реостатным торможением необходим специальный возбудитель для независимого питания обмоток при рекуперации. Все это приводит к увеличению как эксплуатационных расходов, так и капитальных вложений на изготовление электровозов с тяговыми двигателями последовательного возбуждения.

На современных локомотивах мощность тяговых двигателей и электровоза регулируют не ступенчато, а плавно, используя тиристоры В этом случае, применяя независимое или смешанное возбуждение тяговых двигателей, можно значительно расширить пределы регулирования мощности электровоза по сравнению с имеющимися при тяговых двигателях последовательного возбуждения. Принципиально независимое и смешанное возбуждение тяговых двигателей возможно осуществить на электровозах как постоянного, так и переменного тока (подробно см. § 83).

Все тяговые двигатели выполняют закрытого типа с независимой вентиляцией (на электровозах) либо самовен-тилирующимися (на моторных вагонах) Основными узлами каждого тягового двигателя постоянного и пульсирующего тока являются: остов, главные и добавочные (дополнительные) полюса, якорь, щеткодержатели с кронштейнами, подшипниковые щиты. Двигатели с опорноосевым подвешиванием имеют еще шапки моторно-осевых подшипников, а самовен-тилируюшиеся — вентиляторы.

Размеры каждого тягового двигателя, его масса, эксплуатационные и экономические показатели при заданных мощности двигателя в часовом режиме, напряжении на зажимах, напряжении на изоляцию и др. зависят в основном от диаметра якоря й я и длины его сердечника I я. Эти размеры определяются механическими, магнитными и токовыми нагрузками, которые обусловлены соответственно частотой вращения якоря, индукцией в воздушном зазоре В а и линейной нагрузкой якоря А, связанными уравнением

где Р э — электромагнитная мощность двигателя, кВт; Е — э.д.с., В, /я — ток якоря А; а а — расчетное полюсное перекрытие; ия — окружная скорость якоря, м/с

Требуемая номинальная расчетная мощность (обычно часовая), развиваемая одной движущей колесной парой при индивидуальном приводе, кВт,

^НОМ = Р ном^ном 10 2 1 (367 Т) „) ,

где ^ном — номинальная расчетная сила тяги колесной пары, кН; V „ом — номинальная расчетная скорость, км/ч; т) п — к.п.д. тяговой передачи (для одноступенчатой зубчатой передачи т) п = 0,975).

Сила тяги ^ном = фР зависит от заданной нагрузки движущей колесной пары на рельсы Р и коэффициента сцепления ф, номинальная скорость — от назначения локомотива. К выбору расчетных значений силы тяги и скорости подходят очень тщательно. Если сила тяги несколько занижена, двигатели будут часто работать с перегрузкой. При завышении расчетной скорости увеличивается необходимая мощность двигателя и коммутационной аппаратуры, что повышает их массу и размеры.

Читайте также:  Работа тока в проволочной спирали сопротивлением 20 ом

Электровозы и электропоезда

  • От автора
  • Введение
  • Классификация электровозов и электропоездов
  • Основные узлы и аппараты электровозов и электропоездов
  • Назначение и классификация рам; усилия, действующие на них
  • Конструкция рам тележек
  • Колесные пары
  • Буксовые узлы
  • Общие сведения о рессорном подвешивании и его влиянии на снижение сил взаимодействия колеса и рельса
  • Схемы и элементы рессорного подвешивания
  • Конструкция рессорного подвешивания и упругие опоры кузовов
  • Гидравлические гасители колебаний
  • Передача вращающего момента и классификация тяговых передач
  • Конструкция опорно-осевого подвешивания и зубчатой передачи
  • Конструкция рамного подвешивания и передача вращающего момента
  • Автосцепные устройства
  • Назначение и классификация кузовов электровозов и электропоездов
  • Конструкция кузовов электровозов
  • Конструкция кузовов электропоездов
  • Планировка вагонов электропоездов
  • Жесткие опоры и шкворневые узлы кузовов
  • Системы вентиляции на электровозах
  • Системы вентиляции и отопления на электропоездах
  • Расположение электрического оборудования на электровозах
  • Расположение электрического оборудования на электропоездах
  • Использование сцепного веса электровоза
  • Движение электровоза на прямых и кривых участках пути
  • Пневматические цепи
  • Пневматические устройства и аппараты
  • Условия и номинальные режимы работы тяговых двигателей
  • Общие сведения об устройстве тяговых двигателей постоянного и пульсирующего тока
  • Остовы
  • Главные полюса
  • Добавочные полюса
  • Якоря тяговых двигателей
  • Подшипниковые узлы и моторно-осевые подшипники тяговых двигателей
  • Щетки, щеткодержатели, кронштейны и траверсы тяговых двигателей
  • Улучшение коммутации тяговых двигателей
  • Вентиляция тяговых двигателей
  • Основные технические данные и примеры конструктивного выполнения тяговых двигателей
  • Особенности конструкции бесколлекторных тяговых двигателей переменного тока
  • Основные параметры и узлы тяговых трансформаторов
  • Конструкция основных узлов тяговых трансформаторов
  • Основные технические данные и примеры конструктивного выполнения тяговых трансформаторов
  • Реакторы
  • Индуктивные делители и индуктивные шунты
  • Реакторы помехоподавления, цепей защиты и собственных нужд, фильтры, конденсаторы
  • Магнитные усилители, датчики тока, измерительные и импульсные трансформаторы
  • Назначение и структурные схемы преобразователей
  • Схемы преобразователей
  • Диодные и диодно-тиристорные выпрямители в силовых цепях
  • Тиристорные и диодно-тиристорные выпрямители, используемые в цепях вспомогательных машин, упрввпения и освещения
  • Тиристорные и диодно-тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи цепей тяговых двигателей пульсирующего тока
  • Схемы преобразователей частоты и числа фаз
  • Схемы преобразователей с импульсным управлением тяговыми двигателями э.п.с. постоянного тока
  • Конструкция преобразователей
  • Системы вспомогательных машин
  • Мотор-компрессоры, мотор-вентиляторы и мотор-насосы
  • Делители напряжения и расщепители фаз
  • Мотор-генераторы и двухмашинные агрегаты
  • Генераторы управления
  • Аккумуляторные батареи
  • Аппараты напряжением выше 1000 В и требования, предъявляемые к ним
  • Токоприемники
  • Разъединители и отключатели
  • Индивидуальные контакторы
  • Групповые контакторы
  • Реверсоры, тормозные переключатели, переключатели напряжения и мотор-вентиляторов
  • Резисторы
  • Электрические печи, калориферы, нагреватели
  • Автоматические выключатели
  • Быстродействующие контакторы
  • Реле, бесконтактные датчики, регуляторы напряжения и блоки защиты
  • Плавкие предохранители
  • Разрядники и ограничители напряжений
  • Контроллеры машиниста
  • Выключатели управления, разъединители, кнопочные выключатели и посты, распределительные щиты и панели аппаратов
  • Заземляющие штанги, сельсины, сигнализаторы, устройства контроля рода тока и переключения воздуха
  • Амперметры, вольтметры, счетчики электрической энергии, тахогенераторы и частотомеры
  • Арматура различных соединений, осветительная. Шины, кабели, провода, изоляторы
  • Контактные системы управления
  • Бесконтактные системы управления
  • Классификация цепей и требования, предъявляемые к электрическим схемам
  • Способы регулирования частоты вращения якорей тяговых двигателей постоянного тока и реостатный пуск
  • Регулирование частоты вращения якорей тяговых двигателей постоянного тока
  • Способы перехода с одного соединения тяговых двигателей на другое
  • Импульсное регулирование частоты вращения якорей тяговых двигателей постоянного тока
  • Способы перехода с одной ступени на другую при переключении секций обмотки тягового трансформатора
  • Ступечатое регулирование на стороне низшего напряжения
  • Ступенчатое регулирование на стороне высшего напряжения
  • Плавное регулирование напряжения
  • Регулирование частоты вращения роторов трехфазных асинхронных тяговых двигателей
  • Регулирование частоты вращения роторов вентильных тяговых двигателей
  • Сущность электрического торможения и условия его осуществления
  • Реостатное торможение
  • Рекуперативное торможение
  • Защита электрических машин и аппаратов в тяговом режиме
  • Защита полупроводниковых преобразователей
  • Защита оборудования при нарушении режимов во время электрического торможения
  • Способы защиты от боксования и юза колесных пар
  • Построение схем силовых цепей э.п.с. постоянного тока
  • Силовые цепи электровоза ВЛ15
  • Силовые цепи электропоездов ЭР2Р и ЭР2Т
  • Построение схем силовых цепей электровозов и электропоездов переменного тока
  • Силовые цепи электровоза ВЛ85
  • Схема силовых цепей электровоза ВЛ86 Ф
  • Силовые цепи моторного вагона электропоезда ЭР9Е
  • Особенности схемы силовых цепей электропоезда ЭР29
  • Построение отдельных узлов схем управления силовыми цепями
  • Цепи управления электровоза ВЛ15
  • Цепи управления электропоездов ЭР2Р и ЭР2Т
  • Цепи управления электровоза ВЛ85
  • Цепи управлении электровоза ВЛ86 Ф
  • Цепи управления электропоезда ЭР9Е
  • Построение и примеры схем цепей вспомогательных машин и приборов отопления электровозов
  • Примеры схем высоковольтных цепей машин и приборов отопления электропоездов
  • Управление токоприемниками, защитными аппаратами, вспомогательными машинами, отоплением, песочницами, звуковыми сигналами и освещением
  • Список литературы

Электродинамический тормоз электровозов ЧС2 Т и ЧС200

Рассмотрены устройство и работа основного электронного оборудования, применяемого в электродинамическом (реостатном) тормозе системы «Шкода». Применительно к электродинамическому тормозу электровозов ЧС2 Т и его модификации на скоростном электровозе ЧС200

Источник

КАК УСТРОЕНА И РАБОТАЕТ

  • ГЛАВНАЯ
  • СВЕДЕНИЯ
  • ОБОЗНАЧЕНИЯ
  • ДВИГАТЕЛИ
  • ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
  • ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

Особенности двигателей пульсирующего тока

В заключение главы о тяговых двигателях отметим одно важное обстоятельство. В предыдущих параграфах было дано описание устройства двигателя, общее для электровозов постоянного и переменного тока, так как большинство их узлов конструктивно выполнено одинаково. Однако надо помнить об особенностях выпрямленного тока, питающего тяговые двигатели. После выпрямления на тяговых подстанциях он почти не имеет пульсаций, т. е. практически является постоянным (сглаженным) в отличие от тока, выпрямленного установками электровозов переменного тока. Здесь ток не постоянный, а пульсирующий. Поэтому различают тяговые двигатели постоянного тока и пульсирующего тока. Конструктивными особенностями двигателей пульсирующего тока, как уже отмечалось, является наличие шихтованных вставок в остове и шихтованных дополнительных полюсов, большее число пар полюсов и наличие компенсационной обмотки.

А нельзя ли питать коллекторный тяговый двигатель переменным током? Вообще говоря, если обычный тяговый двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением подключить к источнику переменного тока, то его якорь вращаться будет. Но при этом возникнут значительные потери в массивных частях двигателя, которые все время будут перемагничиваться и тем чаще, чем выше частота переменного тока.

Кроме того, при прохождении переменного тока по обмоткам возбуждения и якоря в них возникают э. д. с. самоиндукции, что вызовет неодновременность изменения подводимого напряжения и проходящего тока. Это значит, что напряжение и ток будут неодновременно достигать максимального и минимального значений, неодновременно изменять свое направление. В результате часть электрической энергии в определенные периоды будет запасаться в обмотках двигателя, а затем в другие периоды возвращаться обратно в питающую цепь. При таком «перекачивании» энергии из сети в двигатель и из двигателя в сеть никакой полезной работы не совершается, наоборот, бесполезно загружаются электрические станции, линии электропередачи. При этом много энергии расходуется на нагревание проводов.

Кроме того, при питании переменным током резко ухудшается коммутация коллекторного двигателя и под щетками возникает недопустимое искрение. Это объясняется тем, что в коммутируемых секциях, кроме реактивной э. д. с, о которой уже шла речь, наводится еще трансформаторная.

Трансформаторная э. д. с. возникает под действием пронизывающего коммутируемые секции переменного магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения. Чтобы снизить трансформаторную э. д. с, уменьшают число витков секции, снижают магнитный поток возбуждения, увеличивая число полюсов. Для уменьшения переменной составляющей магнитного потока последовательно в цепь якоря тягового двигателя включают дополнительную индуктивность — сглаживающий реактор, а параллельно обмотке возбуждения—резистор (см. рис. 10).

Усилия ученых многих стран были направлены на создание надежного тягового двигателя переменного тока промышленной частоты, не имеющего указанных недостатков.

Электровозы с тяговыми двигателями, у которых остов, как и якорь, собран из отдельных листов стали и имеет 16 полюсов, на которых расположены специальные обмотки, эксплуатируются на некоторых дорогах за рубежом. Однако такие двигатели очень сложны в изготовлении и эксплуатации и необходимо их дальнейшее совершенствование.

Читайте также:  Как правильно подключить твердотельное реле постоянного тока

Значительно проще решается вопрос, если понизить частоту питающего тока. В этом случае коллекторный тяговый двигатель переменного тока по своим качествам приближается к двигателю постоянного тока. Резко улучшаются условия коммутации и в то же время сохраняется основное преимущество переменного тока — возможность его трансформации. За рубежом сравнительно широко применяется электрическая тяга на однофазном переменном токе пониженной частоты (162/3 и 25 Гц). Главный ее недостаток, как уже отмечалось,— необходимость сооружения специальных электростанций или сложных тяговых подстанций, оборудованных устройствами для понижения частоты тока.

Использование выпрямительных установок на электровозах переменного тока сняло проблему разработки коллекторных тяговых двигателей переменного тока промышленной частоты. Появление управляемых полупроводников открыло широкие возможности для создания надежных преобразователей и тем самым позволило поставить вопрос об использовании асинхронных или вентильных двигателей для целей тяги.

Заканчивая рассказ об устройстве тягового двигателя, отметим, что коллекторные двигатели большой мощности представляют собой сложнейшее сочетание тысяч отдельных элементов (достаточно вспомнить хотя бы конструкцию коллектора). Подавляющая часть этих элементов должна быть изолирована друг от друга материалами, не обладающими абсолютной жесткостью. В то же время вся совокупность элементов двигателя должна противостоять всевозможным колебаниям и сотрясениям. Конструирование тяговых двигателей связано со значительными трудностями.

Источник



§39. Особенности работы машин постоянного тока при пульсирующем напряжении

Пульсации напряжения и тока. На электрифицированных железных дорогах переменного тока широко используют электровозы и электропоезда с полупроводниковыми выпрямителями, от которых питаются тяговые двигатели постоянного тока. Эти выпрямители дают не постоянное, а пульсирующее напряжение, создающее соответствующую пульсацию тока в двигателе и его магнитного потока. Пульсирующее напряжение может быть представлено суммой двух составляющих: постоянной Uпост (рис. 152, а), не меняющейся по величине и направлению, и переменной Uпер, которая представляет собой переменное напряжение, изменяющееся с частотой 100 Гц. Аналогично и пульсирующий ток может быть представлен как сумма постоянной Iпост и переменной Iпер составляющих (рис. 152,б).

Отношение максимального значения переменной составляющей напряжения к постоянной его составляющей ( среднему значению пульсирующего напряжения) называют коэффициентом пульсации напряжения:

Для выпрямителей, применяемых на э. п. с, этот коэффициент составляет около 0,77. Аналогично отношение максимального значения переменной составляющей тока к постоянной его составляющей называют коэффициентом пульсации тока:

Пульсация тока зависит от индуктивности цепи, по которой проходит выпрямленный ток, и от силы этого тока. При увеличении индуктивности цепи происходит сглаживание пульсирующего тока, т. е. уменьшается Iпер max.

Работа машины постоянного тока при пульсирующем напряжении вызывает увеличение потерь мощности и нагрева, снижение отдаваемой мощности и ухудшение условий коммутации.

Дополнительные потери и нагрев. При пульсации магнитного потока в остове двигателя возникают значительные вихревые токи, для которых массивный остов представляет малое сопротивление. Они увеличивают потери мощности в машине и вызывают дополнительный нагрев остова. При этом ухудшается отвод тепла от катушек полюсов и возрастает их температура. Одновременно возникают вихревые токи в проводниках обмотки якоря и обмоток главных и добавочных полюсов, по которым проходит пульсирующий ток. Все это уменьшает мощность, которую может развить двигатель, на 5—12 % по сравнению с работой его при постоянном напряжении.

Коммутация. В двигателе, работающем при пульсирующем напряжении, значительно ухудшаются условия коммутации. При

Рис. 152. Пульсации напряжения (а) и тока (б) тяговых двигателей при питании их от выпрямителя

Рис. 152. Пульсации напряжения (а) и тока (б) тяговых двигателей при питании их от выпрямителя

Рис. 153. Кривые реактивной и коммутирующей э.д.с. в электродвигателях, работающих при пульсирующем напряжении

Рис. 153. Кривые реактивной и коммутирующей э.д.с. в электродвигателях, работающих при пульсирующем напряжении

пульсирующем токе происходят пульсации реактивной э. д. с. ер. Поэтому для ее компенсации необходимо, чтобы коммутирующая э. д. с. ек изменялась точно в соответствии с изменениями реактивной э. д. с. ер. Очевидно, для этого необходимо, чтобы магнитный поток добавочных полюсов изменялся в соответствии с пульсациями тока в цепи якоря. Однако создать такой пульсирующий поток в добавочных полюсах не представляется возможным, так как этому препятствуют вихревые токи; согласно правилу Ленца они замедляют изменение потока добавочных полюсов и сдвигают во времени изменения э. д. с. ек относительно изменений э. д. с. ер (рис. 153). В результате эффективность действия добавочных полюсов по компенсации реактивной э. д. с. уменьшается и в коммутируемой секции действует некоторая нескомпенсированная э. д. с. ер—ек, вызывающая искрение под щетками.

Кроме нескомпенсированной э. д. с. ер—ек, в коммутируемой секции 1 (рис. 154, а) из-за пульсаций потока главных полюсов индуцируется так называемая трансформаторная э. д. с. етр. Она не зависит от частоты вращения якоря и определяется лишь значением и частотой изменения переменной составляющей потока возбуждения. Без специальных мер по уменьшению пульсаций этого потока трансформаторная э. д. с. может достигать 1 —1,5В и будет существенно ухудшать процесс коммутации.

Способы улучшения коммутации. Для удовлетворительной работы тяговых двигателей, работающих при пульсирующем токе, применяют различные способы.

При заданной пульсации напряжения на выходе выпрямителя пульсация тока в тяговых двигателях зависит от индуктивности их цепи. Однако собственная индуктивность двигателей недостаточна для значительного снижения пульсаций тока. Ее можно увеличить, включая последовательно в цепь двигателей сглаживающие реакторы, конструктивно выполненные в виде катушек со стальными сердечниками. Однако устанавливаемые на электровозах реакторы не в состоянии уменьшить пульсацию тока до такой степени, чтобы она не оказывала существенного влияния на работу двигателей. Для этого реактор должен был бы иметь очень большую индуктивность, при которой его масса и габаритные размеры были бы велики. Поэтому реакторы обеспечивают уменьшение коэффициента пульсации тока до 0,2—0,25.

Для уменьшения пульсации магнитного потока возбуждения в тяговых двигателях, работающих при пульсирующем токе, параллельно обмотке возбуждения двигателя включают шунтирующий резистор Rш (рис. 154,б), сопротивление которого примерно в 10—15 раз больше сопротивления самой обмотки. Этот резистор оказывает неодинаковое влияние на переменную и постоянную составляющие тока. Постоянная составляющая тока Iпост распределяется между обмоткой и резистором обратно пропорционально их сопротивлениям. Это вызывает незначительное (примерно на 7—10 %) уменьшение тока возбуждения и магнитного потока машины. Переменная же составляющая тока Iпер проходит

Рис. 154. Трансформаторная э.д.с. в коммутируемой секции (а) и схема включения шунтирующего резистора для уменьшения пульсаций магнитного потока электродвигателя (б): I — коммутируемая секция; 2 — коллекторные пластины; 3 — щетка

Рис. 154. Трансформаторная э.д.с. в коммутируемой секции (а) и схема включения шунтирующего резистора для уменьшения пульсаций магнитного потока электродвигателя (б): I — коммутируемая секция; 2 — коллекторные пластины; 3 — щетка

в основном по резистору, так как обмотка возбуждения обладает большой индуктивностью и представляет для этого тока весьма большое сопротивление. Поэтому ток, проходящий через обмотку возбуждения, и создаваемый им магнитный поток практически не будут иметь никаких пульсаций.

Чтобы уменьшить вредное действие вихревых токов на процесс коммутации, сердечники добавочных полюсов тяговых двигателей, работающих при пульсирующем токе, изготовляют шихтованными из листов электротехнической стали и увеличивают воздушный зазор в магнитной цепи добавочных полюсов (используя дополнительную диамагнитную прокладку между полюсом и остовом). Эти мероприятия позволяют уменьшить сдвиг во времени пульсаций коммутирующей э. д. с. ек относительно э. д. с. ер.

В современных тяговых двигателях электровозов переменного тока обычно применяют компенсационную обмотку. Она позволяет существенно уменьшить переменную составляющую реактивной э. д. с, так как поток компенсационной обмотки направлен против потока якоря и вихревые токи воздействуют на лих одинаково (эти потоки замыкаются по одной и той же магнитной цепи). Кроме того, компенсационная обмотка существенно снижает максимальное значение напряжения, действующего между соседними коллекторными пластинами, что повышает устойчивость двигателя против возникновения кругового огня.

Источник