ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
А. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
Тяговые двигатели (называемые также тяговыми электродвигателями) являются основными машинами электровоза и служат как для преобразования электрической энергии в механическую, когда электровоз работает на тяговом (моторном) режиме, так и для преобразования механической энергии в электрическую, когда электровоз работает на тормозном (генераторном) режиме.
Принцип действия тяговых двигателей, как и всех электрических машин, основан на использовании явлений, подчиняющихся законам электротехники. Основные из них — закон электромагнитной индукции, закон взаимодействия тока и магнитного потока, законы электрической а магнитной цепи.
Согласно закону электромагнитной индукции, установленному Фарадеем, .в проводниках, перерезывающих магнитные силовые линии, индуктируются (наводятся) э. д. с, величины которых пропорциональны числу магнитных силовых линий, перерезанных за единицу времени. Максвелл дал более общую формулировку этому закону, сводящуюся к тому, что в замкнутом проводнике (контуре) при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур, будет индуктироваться э. д. с, пропорциональная скорости изменения потока. Главными частями тяговых двигателей являются индуктор, создающий магнитное поле, и якорь с обмоткой и коллектором.
Коллекторы двигателей постоянного тока служат для распределения его в обмотках якоря так, чтобы ток в проводниках обмотки, находящийся под каким-либо полюсом, имел всегда одно и то же направление. При этом условии сила взаимодействия токов этих проводников с основным магнитным полем будет иметь всегда одно и то же направление и создаёт соответствующий вращающий момент (фиг. 121).
Направление вращения определяется по правилу левой руки. Перемена направления вращения якоря двигателя достигается пересоединением его обмоток так, чтобы ток изменил своё направление или в якоре или в электромагнитах. Одновременное изменение направления тока в якоре и в электромагнитах перемены направления вращения не даст, в чём легко убедиться, применив правило левой руки.
Скорость вращения якоря электрического двигателя почти пропорциональна напряжению на его зажимах и обратно пропорциональна магнитному потоку главного полюса, т. е.
Обмотка якоря двигателя при вращении пересекает силовые линии магнитного поля, поэтому в ней, как и в обмотке якоря генератора, индуктируется э. д. с, но с направлением, обратным напряжению, приложенному к зажимам двигателя. Эта индуктированная обратная э. д. с. называется противоэлектродвижущей силой.
Величина противо-э. д. с. в каждом проводнике тем больше, чем больше силовых линий пересекается проводником в единицу времени. Так как противо-э. д. с. Е направлена против напряжения U, приложенного к зажимам двигателя, то ток в обмотке якоря будет определяться разностью.
Так как величина противо-э. д. с. тем больше, чем большее количество магнитных силовых линий пересекает проводник обмотки якоря в единицу времени, то при холостом ходе двигателя (работе машины без нагрузки), когда якорь двигателя достигает наибольшей скорости вращения, величина противо-э. д. с. будет также наибольшей и почти равной напряжению на зажимах якоря. Поэтому действующее в цепи напряжение U — Е будет близко к нулю и ток в якоре также будет близок нулю.
Ток двигателя будет при этом весьма мал; он называется током холостого хода.
При нагрузке, когда имеет место некоторое уменьшение скорости вращения якоря, а следовательно, и уменьшение количества магнитных силовых линий, пересекаемых проводниками обмотки якоря в единицу времени, противо-э. д. с. имеет также меньшую величину; поэтому разность U — Е, а следовательно и ток /я увеличиваются. Таким образом, ток двигателя устанавливается в зависимости от нагрузки сам собой.
При пуске двигателя в ход, когда он ещё не успел разойтись, противо-э. д. с. почти равна нулю, отчего ток в якоре может достичь чрезмерной величины, на которую машина не рассчитана, и обмотка якоря может быть сожжена.
Чтобы избежать этого, величину тока во время пуска понижают включением в цепь якоря специального пускового реостата.
На якорь двигателя при нахождении его проводников в магнитном поле будет действовать пара сил, плечо которой равно диаметру якоря D (см. фиг. 121). Произведение любой из равных параллельных сил, но действующих в разные стороны, на кратчайшее расстояние между ними называется моментом пары сил относительно их оси вращения.
В электродвигателе произведение силы F, действующей на каждый из двух диаметрально противоположных проводников, на диаметр якоря является моментом пары сил.
Сумма моментов пары сил, действующих на все проводники якоря, называется вращающим моментом электродвигателя.
Диаметр якоря D для данного двигателя является величиной постоянной, а потому величина вращающего момента зависит исключительно от силы взаимодействия F между проводниками якоря и магнитным полем, создаваемым главными полюсами. Сила F прямо пропорциональна току /обмотки якоря и магнитному потоку Ф, создаваемому главными полюсами двигателя. Поэтому вращающий момент может быть выражен формулой
Потребляемая двигателем мощность измеряется в ваттах или киловаттах и является произведением напряжения U, приложенного к зажимам двигателя, на величину тока.
Превращение электрической энергии в механическую сопровождается рядом потерь.
Основные из этих потерь следующие:
1) электрические потери, имеющие место при прохождении тока по проводникам обмоток полюсов и якоря, по коллектору и т. д.;
2) магнитные потери, происходящие вследствие перемагничивания железа якоря и возбуждения в нём вихревых токов;
3) механические потери, происходящие вследствие трения вала якоря в подшипниках, трения щёток о коллектор и сопротивления вращению якоря
в воздухе.
Размер потерь в двигателе характеризуется отдачей, или к. п. д. Полезная мощность, развиваемая на валу двигателя, выражается формулой
Мощность двигателя или генератора ограничивается температурой его отдельных частей, главным образом обмоток. Предельно допускаемая для обмоток температура зависит от класса применяемой изоляции.
Ввиду того, что двигатели могут работать с резко меняющимися нагрузками, предельная температура может быть достигнута или большой нагрузкой, действующей кратковременно, или малой нагрузкой, действующей длительно.
Под длительной мощностью двигателя понимается та наибольшая мощность, развиваемая на его валу, при которой двигатель может работать длительно (практически не менее 10 час), причём температура какой-либо его части достигнет предельно допустимой величины, но не будет
превосходить её.
Под часовой мощностью понимается та мощность на валу двигателя, работая с которой с холодного состояния машина достигнет предельной температуры (перегрева) в течение одного часа.
Кроме понятий часовой и длительной мощности, существует понятие максимальной мощности двигателя. Под максимальной мощностью двигателя следует понимать такую мощность, которую он может развивать в течение короткого промежутка времени без механических деформаций и появления кругового огня на коллекторе.
Токи, соответствующие длительной, часовой и максимальной мощности,. носят название длительного, часового и максимального тока.
Для повышения мощности двигателей и генераторов применяют искусственное охлаждение в виде самовентиляции или независимой (принудительной) вентиляции.
При самовентиляции на вал двигателя во внутренней его полости насаживается вентилятор, который во время вращения якоря засасывает наружный воздух и гонит его через междукатушечное пространство и особые продольные каналы, проштампованные в сердечнике якоря. В результате обтекания холодным воздухом наружная поверхность якоря, полюсов и сердечника якоря охлаждается.
При независимой вентиляции охлаждающий воздух прогоняется через двигатель специальным вентилятором, который работает независимо от охлаждаемого двигателя.
В тяговых двигателях электровозов применяется изоляция класса В, к которой принадлежат слюда, асбест и т. д.
Для обычных электрических машин превышение температуры для изоляции класса В принято в 105°. Для тяговых двигателей с изоляцией класса В и независимой вентиляцией при испытании на стенде допускают температуру нагрева обмотки якоря до 145° и обмоток полюсов до 155°. Расчётной температурой окружающей среды считают обычно 25°, а поэтому номинальная часовая и длительная мощность двигателя устанавливается для перегрева обмоток якоря в 120° и для обмоток полюсов в 130° по сравнению с окружающей температурой.
Под действием высокой температуры, превышающей 145—155°, постепенно выгорают органические составляющие изоляции — бумага и склеивающий лак, в результате чего связь между лепестками слюды миканитовой ленты слабеет, а иногда и совсем нарушается. Под действием тепловых перемещений обмоток происходят сдвиги лепестков слюды и нарушение их перекрыш. Последнее особенно неблагоприятно сказывается при попадании в слой изоляции влаги и ведёт к преждевременному выходу двигателя из строя из-за пробоя изоляции.
В последнее время для изоляции тяговых двигателей начали применять кремне-органическую изоляцию, при которой бумажная подслойка под слюду у миканитов заменена стеклошпоном, а в качестве склеивающего материала использован более нагревостойкий лак.
Изоляция на кремне-органической основе позволяет поднять температуру нагрева обмоток двигателей с 145 до 180°. Поэтому применение кремне-органической изоляции может значительно повысить надёжность работы двигателей и уменьшить их вес, приходящийся на единицу мощности.
Для тяговых двигателей, установленных под кузовом электровоза, допустимые превышения температуры коллектора при температуре окружающего воздуха 25° не должны быть более 95° и для подшипников — не более 55°, т. е. абсолютная температура коллектора не должна превышать 120° и температура подшипников — 80°.
Конструкция тяговых двигателей электровозов значительно отличается от конструкции стационарных машин, что объясняется особенностями расположения и условиями работы на локомотиве.
Размеры тягового двигателя, подвешенного под кузовом электровоза, очень ограничены; высота двигателя ограничивается диаметром движущих колёс, так как должно быть выдержано определённое расстояние от нижней точки двигателя до уровня головки рельсов; длина двигателя ограничивается шириной колеи; ширина двигателя всегда равна его высоте, кроме того, этот размер должен быть увязан с числом зубьев зубчатого колеса, шестерни и модулем зацепления.
Краткая характеристика материалов, применяемых для изготовления машин и электрооборудования, дана в приложении 4.
Для того чтобы в ограниченные габаритные размеры, имеющиеся под кузовом электровоза, вписать двигатель достаточно большой мощности, все части двигателя сильно нагружаются как в электрическом и магнитном, так и в механическом отношении.
Во время эксплуатации электровозов нагрузка тяговых двигателей меняется в самых широких пределах. Подводимое к двигателям напряжение
имеет значительные, а иногда и весьма резкие колебания. Особенно значительные скачки напряжения возникают при кратковременном отрыве токоприёмника от контактного провода. Во время движения электровоза тяговые двигатели, особенно при опорно-осевой подвеске, испытывают непрерывную тряску, частые толчки и удары при прохождении колёсами неровностей пути и подвергаются воздействиям влаги от дождя или снега, пыли и перемены температуры.
Количество тяговых двигателей, установленных на электровозе, соответствует числу движущих колёсных пар электровоза, т. е. на электровозах типа 30 + 30 имеется шесть тяговых двигателей, а на электровозах типа 20 + 20 -f- 20 + 20 — восемь. Наибольшее распространение в настоящее время имеют двигатели типа ДПЭ-400 различных разновидностей. Двигатели типа ДПЭ-400А установлены на электровозах серии ВЛ22М , двигатели типа ДПЭ-400Б—на электровозах серии ВЛ19М и двигатели типа ДПЭ-400П — на электровозах однофазно-постоянного тока серии НО.
На электровозах серий ВЛ22, СК, Сс и С установлены тяговые двигатели типа ДПЭ-340, а на электровозах серии ВЛ19 разновидность этих двигателей—
тип ДПЭ-340А.
На электровозах серий Н8 и ВЛ23 установлены тяговые двигатели типа
НБ-406А.
Тяговые двигатели типов ДПЭ-400А (фиг. 122) и ДПЭ-400Б имеют часовую мощность 400 кет; тяговые двигатели типов ДПЭ-340 (фиг. 123) и ДПЭ-340А— 340 кет; двигатели типа НБ-406А — 525 кет.
На электровозе СК>&qt;-05 установлены тяговые двигатели ДК-ЗА часовой мощностью 445 кет.
Электровозы серии Си имеют двигатели типа GDTM-655.
Все перечисленные двигатели являются двигателями с последовательным возбуждением (сериесными двигателями) постоянного тока с четырьмя главными и четырьмя дополнительными полюсами, рассчитанными на работу при напряжении на коллекторе 1 500 в и изолированными на максимальное напряжение контактной сети 4 000 в.
Скорость вращения якоря двигателя с последовательным возбуждением с увеличением нагрузки уменьшается по двум причинам: вследствие увеличения магнитного потока и уменьшения противо-э. д. с. Эти причины вызывают сильное понижение скорости вращения якоря при нагрузке и чрезмерное повышение в случае снятия нагрузки. Поэтому двигатели с последовательным возбуждением должны всегда пускаться под нагрузкой, иначе им может грозить разнос, т. е. очень большое увеличение скорости вращения якоря.
С увеличением нагрузки момент у двигателей с последовательным возбуждением растёт гораздо сильнее, чем у двигателей с параллельным возбуждением (шунтовых), так как здесь он возрастает не только от увеличения тока в якоре , но и от увеличения магнитного потока.
Вследствие того, что магнитный поток до насыщения всей магнитной системы двигателя растёт пропорционально току 1Я, вращающий момент пропорционален квадрату величины тока.
Особенно значительную величину вращающий момент имеет во время пуска в ход двигателя, так как пока двигатель не разошёлся, ток в якоре и магнитное поле имеют наибольшие значения. Это свойство особенно ценно и определяет наибольшую пригодность двигателя с последовательным возбуждением по сравнению с другими для пользования им в качестве тягового двигателя при электрической тяге поездов. Двигатель с последовательным возбуждением при одинаковой величине пускового тока с двигателем, имеющим параллельное возбуждение, развивает больший вращающий момент и при увеличении нагрузки (например при движении поезда на подъёме) автоматически снижает скорость вращения, в то время как скорость вращения двигателя с параллельным возбуждением почти не меняется. Это обстоятельство способствует тому, что перегрузки двигателя с последовательным возбуждением при одинаковых условиях движения меньше, чем двигателя с параллельным возбуждением, и тяговые подстанции будут претерпевать меньшие колебания нагрузки, что улучшает условия их работы.
При одинаковых разницах в диаметрах бандажей движущих колёсных пар электровоза, а также при одинаковых разницах характеристик тяговых двигателей неравномерность нагрузок двигателей с последовательным возбуждением меньше, чем с параллельным.
Кроме того, двигатель с последовательным возбуждением допускает большую возможность перегрузки, имеет меньшую склонность к искрению, большую надёжность в эксплуатации вследствие малых экстратоков при выключении, а также имеет некоторые конструктивные преимущества по сравнению с двигателем параллельного возбуждения: последовательная обмотка возбуждения двигателей выполняется из небольшого числа витков толстого провода, а параллельная обмотка состоит из большого числа витков тонкого провода. Вследствие этого параллельная обмотка требует больше изоляции, чем последовательная, получается более дорогой в производстве и занимает больше места.
К недостаткам двигателя последовательного возбуждения относятся склонность его к разгону при снятии нагрузки и затруднения в регулировке скорости вращения якоря в широких пределах.
Каждый тяговый двигатель типа ДПЭ-400А (фиг. 124), ДПЭ-400Б, ДПЭ-340 или ДПЭ-340А (фиг. 125) состоит из следующих основных частей: остова /, четырёх главных полюсов 2, четырёх дополнительных полюсов 3, якоря с валом 4, сердечником 6, коллектором 14 и обмоткой 10, четырёх щёткодержателей 19 и двух подшипниковых щитов 15 с подшипниками 16 и
Тяговые двигатели типа ДПЭ-400 отличаются от тяговых двигателей типа ДПЭ-340 конструкцией якоря и имеют одинаковые главные и дополнительные полюсы и основные размеры остова.
Оглавление Дальше:
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА