Количество коллекторных пластин зависит от характеристик обмотки якоря, которая состоит из множества витков, соединенных друг с другом и с пластинами коллектора по определенной схеме. К числу характеристик якорной обмотки относят [1]:
количество проводников якорной обмотки N;
число параллельных ветвей обмотки 2а.
Кроме того, конструкцию электрической машины постоянного тока характеризует такой параметр, как число главных полюсов 2р.
Главные полюсы обеспечивают создание рабочего магнитного поля в электромашине. Для усиления и регулирования магнитной индукции поля В в качестве главных полюсов используют электромагниты. Обмотки электромагнитов называют обмотками возбуждения, а ток, протекающий по ним, - током возбуждения. С увеличением тока возбуждения возрастает магнитная индукция поля В и магнитный поток возбуждения Ф (величины Ф и В прямо пропорциональны друг другу).
Помимо главных полюсов, в конструкции мощных электродвигателей предусмотрены добавочные полюса, действие которых улучшает процессы коммутации. Обмотки этих полюсов включают последовательно с якорной обмоткой.
Главные и добавочные полюсы, остов, якорь и воздушный зазор между якорем и полюсами образуют магнитную цепь двигателя (рис.2.4.).
В качестве тяговых электродвигателей на отечественных локомотивах обычно используют двигатели постоянного тока последовательного возбуждения. В двигателях этого типа обмотки главных, дополнительных полюсов и якоря соединены последовательно (рис.2.5, а). Иногда на электрических схемах обмотку якоря электродвигателя совмещают с обмоткой дополнительных полюсов (рис. 2.5, б).
Рис.2.4. Магнитная цепь электродвигателя постоянного тока. 1 - добавочный полюс; 2 - обмотка возбуждения добавочного полюса; 3 - главный полюс с обмоткой возбуждения; 4 - якорь с рабочей (якорной) обмоткой
Рис.2.5. Графическое изображение двигателей в электрических схемах
Я1-Д2 - обмотка якоря и добавочных полюсов;
С1-С2 - обмотка возбуждения главных полюсов
Реверсирование тягового двигателя, то есть изменение направления вращения его якоря, можно осуществить путем изменения направления тока в обмотках возбуждения Iв либо в обмотке якоря Iд. На локомотивах нашел применение первый из этих способов - изменением направления тока в обмотках возбуждения, которое осуществляют с помощью специального электрического аппарата - реверсора (рис.2.6).
Рис. 2.6. Схема реверсирования тягового двигателя локомотива
При одновременном изменении направления тока в обмотках якоря и главных полюсов направление вращения вала электродвигателя не меняется.
Основные параметры и показатели работы электрических двигателей
Одним из наиболее важных параметров электродвигателя является его мощность. Чем большую мощность развивает электродвигатель, тем больший ток проходит по его обмоткам и, в соответствии с законом Джоуля-Ленца, больше тепла выделяется в проводниках. В результате теплового действия тока обмотки и другие детали двигателя нагреваются, их температура становится выше температуры окружающей среды.
Предельно допустимые превышения температур частей электрических машин по отношению к температуре окружающей среды не должны превышать норм, регламентированных ГОСТом. В зависимости от времени, в течение которого части двигателя, работающего в условиях нормально действующей вентиляции, нагреваются до максимально допустимой температуры, ввели понятия продолжительной и часовой мощности [3].
Продолжительной называют наибольшую мощность, которую может развивать двигатель в течение неограниченного времени без повышения температуры частей двигателя сверх максимально допустимого значения.
Под часовой понимают наибольшую мощность, которую может развивать двигатель в течение одного часа без повышения температуры частей двигателя сверх максимально допустимого значения. При этом полагают, что температура частей двигателя в начале испытания равна температуре окружающей среды, которую считают равной 25оС.
Параметры электрической машины: напряжение, сила тока, частота вращения вала якоря, к.п.д. - соответствующие работе при продолжительной мощности, называют длительными, а реализуемые при часовой мощности - часовыми. Обычно технические данные тяговых двигателей электровозов приводят для двух режимов: продолжительного и часового [3], а тяговых двигателей тепловозов - для одного режима: продолжительного [4]. Поэтому далее будем считать, что номинальным режимом работы тяговых электромашин тепловозов является продолжительный режим, а электровозов - часовой.
Мощность электрического двигателя, развиваемая на номинальном режиме
Рдн=Uдн.Iдн.?дн.10-3, кВт, (2.5)
где Uдн ,Iдн , ?дн - номинальные значения напряжения, силы тока и к.п.д. двигателя.
Значение к.п.д. ?дн, оценивающее потери энергии при работе машины, для локомотивных тяговых двигателей составляет 90-94%.
Различают три составляющие потерь энергии в электрической машине: электрические, магнитные и механические. Электрические потери в двигателе обусловлены сопротивлением обмоток якоря и полюсов, а также коллекторно-щеточного узла прохождению тока. Магнитные потери обусловлены возникновением вихревых токов Фуко в массивных деталях двигателя, сопротивлением магнитному потоку воздушных промежутков в магнитной цепи электродвигателя и гистерезисом. Механические потери связаны с трением в подшипниковых узлах и аэродинамическим сопротивлением, возникающими при вращении якоря.
Режим работы электродвигателя, при котором величина силы тока превышает допустимые значения, называется перегрузочным. Он ведет к сокращению срока службы электрической машины вследствие перегрева и снижения прочности изоляции ее обмоток.
В соответствии с формулой (2.4), значение силы тока в якорных обмотках двигателя Iд взаимосвязано с режимами работы локомотива, а также характеристиками электродвигателя. Зависимость между напряжением Uд, приложенным к двигателю, и силой тока Iд определяется законами Ома и Кирхгофа:
Uд=Eд+Iд.Rд, В, (2.6)
где Eд - ЭДС, индуцируемая в якорной обмотке, В;
Iд.Rд - падение напряжения в электродвигателе при прохождении по нему тока (составляет примерно 0,04.Uд), В;
Rд - суммарное сопротивление якорной цепи двигателя, Ом.
Фундаментальные законы физики: законы Ампера (2.1),(2.2) и Фарадея (2.3), - рассмотренные в п.2.1 применительно к отдельному витку (проводнику), для электрического двигателя со сложной якорной обмоткой имеют вид:
Ед = Се.Фд.nд, В; (2.7)
Мэ=См.Фд.Iд, Н.м, (2.8)
где Мэ - электромагнитный момент на валу двигателя (вращающий момент без учета механических потерь в двигателе);
Фд - магнитный поток возбуждения двигателя, Вб;
nд - частота вращения вала якоря, об/мин;
Се,См - конструктивные постоянные двигателя для расчета ЭДС и
вращающего момента соответственно.
Се=(p.N)/(60.a); (2.9)
См=(p.N)/(2.p.a), (2.10)
где р - число пар главных полюсов двигателя;
N - количество проводников якорной обмотки;
а - число пар параллельных ветвей якорной обмотки.
Формулы (2.5)-(2.10) создают основу для расчетов рабочих характеристик электродвигателей (раздел 5).
Принцип действия асинхронного двигателя
Если к зажимам трехфазной статорной обмотки подвести трехфазное напряжение, то по статорной обмотке будет протекать трехфазный переменный ток, который создаст вращающееся магнитное поле статора. Это поле будет пересекать проводники роторной обмотки и индуцировать в них ЭДС. При этом в замкнутой роторной обмотке возникнут токи. Силы, действующие на эти токи со стороны поля статора, создадут вращательный момент и ротор начнет вращаться в сторону вращения поля статора. По мере разгона ротора уменьшается скорость относительного движения ротора и поля статора, уменьшаются токи в роторной обмотке и, как следствие, уменьшается вращающий момент. Если предположить, что частота вращения ротора достигнет частоты вращения поля статора, то поле статора и ротор окажутся неподвижны друг относительно друга и вращающий момент станет равным нулю, т.к. тока в роторной обмотке не будет. Следовательно, частота вращения ротора п будет всегда меньше частоты вращения поля статора по. Т.е. ротор вращается с асинхронной скоростью, которая автоматически устанавливается такой, чтобы вращающий момент равнялся тормозному моменту, создаваемому механической нагрузкой на валу ротора. Чем больше тормозной момент, тем меньше частота вращения ротора, что приводит к увеличению тока в роторной обмотке и, как следствие, к увеличению вращающего момента до тех пор, пока вращающий момент не станет равным тормозному моменту. Число (обычно выраженное в процентах), показывающее, во сколько раз относительная частота вращения ротора, равная по - п, меньше частоты вращения поля статора, называется скольжением и обозначается s. Таким образом:
, или в процентах 100% (7.2)
Отсюда (7.3)
Частота ЭДС, которая индуцируется вращающимся магнитным полем статора в обмотке ротора, зависит от скольжения и определяется по формуле
, (7.4)
где f1 - частота напряжения питающей сети
2.2 Принцип действия синхронного генератора
Постоянный магнитный поток, создаваемый током в обмотке возбуждения ротора, замыкается через сердечник ротора, воздушный зазор и сердечник статора. При вращении ротора каким-либо приводом с некоторой частотой n с этой же частотой будет вращаться и магнитное поле ротора. Пересекая проводники трехфазной статорной обмотки, это поле индуцирует в ней трехфазную ЭДС, изменяющуюся с частотой:
, (7.7)
где р - число пар полюсов ротора
При подключении к обмотке статора трехфазной нагрузки проходящий по обмотке статора ток создает вращающееся магнитное поле статора, частота вращения которого определяется по формуле (7.1). Число пар полюсов ротора и число пар полюсов статорной обмотки одинаково, поэтому из сравнения формул (7.1) и (7.7) видно, что n0 = n, т.е. частота вращения поля статора равна частоте вращения ротора. Поэтому машина называется синхронной.
2.3 Трансформаторы
Назначение и устройство. Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение - понижающих.
Принцип действия. Принцип действия трансформатора, основанный на явлении взаимоиндукции, рассмотрим на примере однофазного двухобмоточного трансформатора (рис. 6.3). Если на первичную обмотку с числом витков W1 подать переменное напряжение u1, то протекающий по обмотке переменный ток i1 создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, пронизывающий обе обмотки трансформатора и индуцирующий в них переменные ЭДС е1 и е2. Если ко вторичной обмотке подключить нагрузку, то под действием ЭДС е2 в цепи вторичной обмотки будет протекать переменный ток i2. Отношение ЭДС, равное отношению числу витков первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации трансформатора:
(6.1)
Пренебрегая незначительными падениями напряжения в обмотках, отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений:
(6.2)
Следовательно, у повышающих трансформаторов k<1, а у понижающих трансформаторов k>1.
Преобразование энергии в трансформаторах происходит с незначительными потерями, и подводимая к трансформатору полная мощность приблизительно равна отдаваемой полной мощности . Откуда , т.е.
(6.3)
Следовательно, по обмотке ВН протекает ток примерно в k раз меньший, чем по обмотке НН.
Учитывая это, обмотку ВН, имеющую большее число витков, выполняют проводом меньшего сечения, чем обмотку НН
3. Создание силы тяги локомотива
В локомотивах образование движущей силы (силы тяги) происходит вследствие взаимодействия колесных пар с рельсами за счет вращающего момента, создаваемого тяговым двигателем (рис.3.1). К колесной паре 1 приложен вращающий момент Мк, который передается от двигателя 2 через зубчатый редуктор, состоящий из шестерни 3 и зубчатого колеса 4. Шестерня 3 закреплена на валу ТЭД, а зубчатое колесо 4 - на оси колесной пары.
Вращающий момент на колесной паре равен
Мк=Мд.?.?з, Н.м, (3.1)
где Мд - момент на валу двигателя, Н.м;
? - передаточное число зубчатой передачи;
?з - коэффициент полезного действия зубчатой передачи.
Момент Мк обычно представляют в виде пары сил F1 и F2 с плечом Dк/2, одна из которых (F1) приложена к ободу колеса в точке касания с рельсом (точка А), а другая (F2) - к оси колесной пары. Поскольку силы F1 и F2, действующие на колесную пару, равны по величине и противоположно направлены, то они уравновешивают друг друга и не вызывают поступательного движения колес.
Очевидно, что поступательное движение колесной пары будет возможно в том случае, если скомпенсировать действие силы F1 какой-либо дополнительной силой и нарушить тем самым баланс сил F1 и F2. Подобная ситуация возникает, когда колесная пара (далее для сокращения - колесо) контактирует с рельсом и прижата к нему силой тяжести Gт.
Рис.3.1. Образование силы тяги. 1 - колесная пара; 2 - тяговый электродвигатель; 3 - шестерня; 4 - большое зубчатое колесо
Сила тяжести Gт, приходящаяся на одну ось локомотива, приложена к колесу и через точку контакта А действует на рельс (рис.6.1). Реакция рельса на колесо Gр по III закону Ньютона равна значению силы тяжести Gт по модулю и противоположна ей по направлению. Указанные силы, действующие на колесо в вертикальной плоскости, уравновешивают друг друга.
В горизонтальной плоскости к ободу колеса приложена сила F1, которая, как и сила тяжести Gт, через точку контакта А действует на рельс (сила F1 направлена вдоль поверхности рельсов, поэтому в случае их ненадежного крепления имеет место явление, известное как "угон пути"). Реакция рельса Fр по III закону Ньютона равна силе F1 по модулю и противоположна ей по направлению. Поэтому силы F1 и Fр, действующие на колесо в точке А, уравновешивают друг друга. Сила F2 остается неуравновешенной, что вызывает качение колеса и его поступательное движение относительно рельса.
Следовательно, движущей силой (силой тяги) колесной пары является сила F2, развиваемая тяговым двигателем. Для удобства расчета ее значений, на практике в качестве силы тяги условились считать силу реакции рельса Fр, равную по величине силам F1 и F2 [11]. При этом значения сил определяют, рассматривая равенство моментов
Fр.Dк/2=Mк,
из которого следует, что F2 = Fр = 2. Мк/Dк = 2. Мд.?.?з/Dк, Н.
Отметим, что данное уравнение было использовано при построении электротяговых характеристик локомотивов для расчета силы тяги ТЭД на ободе колеса Fкд
Поскольку сила Fр действует по касательной к колесу, ее называют касательной силой тяги. Для локомотива в целом касательную силу тяги Fк можно определить как
Fк = nос.Fр = m.Fкд, Н, (3.2)
где nос - число движущих осей локомотива;
m - количество тяговых электродвигателей на локомотиве.
Таким образом, качение колесной пары по рельсу происходит, если к ней приложена пара сил F1 и F2 (вращающий момент от тягового двигателя) и сила F1 уравновешена реакцией рельса Fр. Сформулируем особенности силы Fр как касательной силы тяги:
сила Fр, будучи силой реакции, возникает только под действием силы F1, равна ей по модулю и поэтому пропорциональна величине вращающего момента ТЭД Мд;
реакция Fр, будучи по природе силой трения, возникает при наличии контакта колеса с рельсом и силы, прижимающей их друг к другу (силы тяжести); уровень силы Fр не может превосходить некоторой максимальной величины, которую называют силой сцепления колес с рельсами Fсц.
Итак, касательная сила тяги - это сила реакции рельса на колесо, возникающая под действием внешнего вращающего момента и ограниченная силой сцепления колеса с рельсом.
При увеличении вращающего момента на колесе Мк касательная сила тяги Fр, равная силе тяги ТЭД Fкд, возрастает вплоть до уровня, соответствующего силе сцепления Fсц (зона I на рис.3.2). Дальнейшее повышение момента Мк (зона II) приводит к нарушению условия качения колеса F1=Fр. Сила F1, равная Fкд, не уравновешивается силой Fр, равной Fсц. В результате происходит срыв сцепления и начинается боксование, то есть проскальзывание колеса относительно поверхности рельса, при котором частота вращения якоря ТЭД nд резко увеличивается.
Зависимость касательной силы тяги Fр от силы тяги ТЭД Fкд и силы сцепления колеса с рельсом Fсц
Рис.3.2. | ||
- касательная сила тяги Fр; - сила тяги, развиваемая ТЭД, Fкд=F1 ; - сила сцепления колеса с рельсом Fсц |
