ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПРИНЦИП  ДЕЙСТВИЯ  ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ  ПОСТОЯННОГО  ТОКА

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются электродвигателями. Подведем к рассмотренному ранее простейшему генератору  питание от постороннего источника электрической энергии (рис. 167).

Принцип действия электродвигателя

Рис. 167. Схема простейшего электродвигателя

При положении рамки, показанном на этом рисунке, ток проходит по стороне А и по стороне Б. Известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, направление которой определяется по правилу левой руки: если держать ладонь левой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а вытянутые четыре пальца были обращены по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление действия этой силы. Применив правило левой руки для рассматриваемого случая, определим, что на сторону рамки В действует сила F1 направленная вверх, а на сторону рамки А—сила F2 направленная вниз. Силы F1 и F2, действующие на рамку, называются парой сил. Под   действием вращающего момента, создаваемого этой парой сил, рамка поворачивается против часовой стрелки.
Дойдя до вертикального положения, рамка по инерции повернется дальше. Теперь щетка Щ1 касается уже коллекторной пластины К2, а щетка Щ2 — коллекторной пластины К1. Благодаря этому направление тока в рамке изменяется и образуется пара сил, под действием которой рамка продолжает поворачиваться против часовой стрелки. Таким образом, рамка, получая электрическую энергию, будет непрерывно вращаться. Рамка может приводить в движение любой механизм, т. е. в данном случае работает в качестве электродвигателя.
Следовательно, машина постоянного тока обладает свойством обратимости и может работать как в качестве генератора, так и в качестве электродвигателя. Поэтому генераторы и электродвигатели имеют в принципе одинаковую конструкцию. Основными частями электрического двигателя постоянного тока являются якорь с обмоткой и коллектором и магнитная система, состоящая из остова двигателя и полюсов с катушками обмоток возбуждения. Подвод электрического    тока  к  коллектору двигателя осуществляется электрографитными щетками, установленными в щеткодержателях. Если требуется изменить направление вращения якоря, то необходимо пересоединить обмотки электродвигателя так, чтобы ток изменил свое направление в обмотке якоря или в обмотке возбуждения. При одновременном изменении направления тока в обмотках якоря и возбуждения направление вращения не изменится. В этом легко убедиться, использовав правило левой руки.
В электродвигателе при его работе возникает ряд явлений, подобных процессам, происходящим в генераторе. Ведь витки обмотки якоря пересекают магнитный поток полюсов электродвигателя, и в соответствии с законом электромагнитной индукции в них возникает электродвижущая сила.
Индуктируемую в якоре двигателя э. д. с. иногда называют противоэлектродвижущей силой потому, что она направлена навстречу подводимому к двигателю напряжению.
Величина э. д. с. Е двигателя прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, частоте вращения якоря п и определяется по такой же формуле, что и величина э. д. с. генератора: Е=СФn, где С — постоянный коэффициент, который учитывает число пар полюсов, число витков якоря и другие постоянные для данного электродвигателя величины.
Подводимое к электродвигателю напряжение стремится создать ток в обмотке якоря. Индуктируемая э. д. с. препятствует этому. Ток в обмотке якоря работающего электродвигателя будет определяться не подводимым напряжением, а разностью между напряжением и наведенной в обмотке якоря э. д. с.
Разделив эту разность на сопротивление цепи якоря Rя, мы получим ток Iя, проходящий по обмотке якоря:

Формула

При увеличении механической нагрузки на валу электродвигателя частота вращения его якоря замедляется, индуктируемая э. д. с. уменьшается, увеличивается разность между подводимым напряжением и э. д. с. и, следовательно,  ток якоря  возрастает.
При уменьшении механической нагрузки картина будет обратной. Таким образом, ток якоря зависит как от подводимого напряжения, так и от механической нагрузки электродвигателя. Вот почему, например, при движении тепловоза на подъеме, когда уменьшаются скорость движения и частота вращения якорей тяговых электродвигателей, ток в двигателях увеличивается, а при увеличении скорости движения — уменьшается.

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ И СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Механическая работа электродвигателей характеризуется вращающим моментом и частотой вращения его якоря. Силы, создающие вращающий момент электродвигателя, возникают в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока полюсов. Поэтому вращающий момент электродвигателя будет пропорционален величинам тока Iя якоря и магнитного потока Ф:

Формула

где К — постоянный для данного электродвигателя  коэффициент, зависящий  от диаметра  якоря, числа проводников обмотки   и других конструктивных особенностей двигателя. Вращающий   момент     электродвигателя не есть величина заданная, постоянная, а зависит от   механической нагрузки,  или,  как  говорят,  момента сопротивления,  который     преодолевает вал  электродвигателя при    вращении. Чем больше момент сопротивления,  тем больше  вращающий  момент электродвигателя,  так  как  только    в этом случае электродвигатель сможет работать,  преодолевая  сопротивление. Из  формулы для определения э.д.с. двигателя   можно получить  зависимость для  вычисления  частоты    вращения якоря, подставив в  нее значение э. д. с. Е = U — InRя:

формула

Следовательно, частота вращения якоря электродвигателя пропорциональна подводимому напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку, а также уменьшается с увеличением внутренних потерь напряжения IzRя в цепи якоря.
Почему так происходит? Чем больше напряжение, подводимое к двигателю, тем больше ток в обмотке якоря и вращающий момент. Якорь, преодолевая момент сопротивления внешней нагрузки, начинает вращаться быстрее. С увеличением же магнитного потока при прочих равных условиях увеличивается э. д. с., индуктируемая в обмотке якоря. При этом уменьшается ток в якоре, а значит, снижается вращающий момент и частота его вращения.
Электрическая мощность, подводимая к электродвигателю, всегда больше той механической мощности, которую он отдает. Происходит это потому, что часть мощности, подводимой к двигателю, расходуется на механические, электрические и магнитные потери в самом двигателе. К числу механических потерь относятся потери и на трение якоря в подшипниках, трение якоря о воздух и, наконец, трение щеток о коллектор. Электрические и магнитные потери в стали и меди вызываются нагревом обмотки от прохождения тока, нагревом сердечника якоря от вихревых токов и перемагничивания.
Отношение полезной мощности к подводимой называется коэффициентом полезного действия двигателя. Коэффициент полезного действия тяговых электрических двигателей тепловозов достигает 90%   и выше.
В технике нашли применение электрические двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, с параллельным возбуждением, со смешанным возбуждением, а также с независимым возбуждением от постороннего источника электрического тока (рис. 168).

Схема возбуждения тяговых двигателей

Рис. 168. Схемы возбуждения электродвигателей

Обмотка возбуждения электродвигателя с последовательным возбуждением включается в цепь последовательно с якорем. Весь ток, потребляемый электродвигателем, проходит через якорь и обмотку возбуждения. Магнитный поток этого электродвигателя изменяется с изменением тока якоря и, следовательно, зависит от нагрузки. Ток возбуждения электродвигателей с параллельным возбуждением пропорционален напряжению, подводимому к двигателю. Электродвигатель со смешанным возбуждением одновременно имеет обмотки параллельного и последовательного возбуждения.
Чтобы решить вопрос, какой же тип электрического двигателя наиболее целесообразен для тепловозов, нужно рассмотреть свойства этих двигателей с точки зрения требований, предъявляемых к тяговым электродвигателям тепловозов.
При трогании с места или движении поезда на подъеме, когда скорость мала, тепловоз создает максимальную силу тяги, вплоть до ограничения по сцеплению колес с рельсами.
Непосредственно силу тяги тепловоза с электрической передачей создают тяговые электродвигатели, и она прямо пропорциональна их вращающему моменту.   В  указанных  условиях тяговые электродвигатели должны обеспечить реализацию наибольшего вращающего момента. Как же этому основному требованию удовлетворяют электродвигатели различных типов?
Прежде всего, выясним режим работы тяговых электродвигателей по силе тока в обмотках якоря и возбуждения, когда тепловоз при небольшой скорости движения развивает максимальную силу тяги. Вследствие низкой частоты вращения якорей тяговых двигателей их электродвижущие силы будут также пониженными. Поэтому сила тока в обмотках якорей тяговых двигателей окажется близкой к предельному значению. Итак, наибольшей силе тяги соответствует максимальный ток тяговых двигателей. В электродвигателях с последовательным возбуждением ток возбуждения прямо пропорционален току якоря и магнитный поток главных полюсов достигнет также наибольшего значения. При максимальных значениях тока якоря и магнитного потока полюсов электродвигатели реализуют наибольший вращающий момент.
В тяговом электродвигателе с параллельным возбуждением при наибольшем токе магнитный поток будет далек от наивысшего значения. Действительно, с увеличением тока напряжение тягового генератора тепловоза, питающего током электродвигатели, уменьшается обратно пропорционально току. При больших токах напряжение генератора будет пониженным. Следовательно, ток возбуждения тяговых двигателей с параллельным возбуждением, зависящий от напряжения генератора, также будет небольшим. Поэтому окажется пониженным и магнитный поток полюсов, а значит, и вращающий момент электродвигателя.
Следовательно, первому требованию удовлетворяет электродвигатель с  последовательным  возбуждением.
При увеличении скорости движения тепловоза с поездом возрастает частота вращения якорей тяговых электродвигателей и их э. д. с, уменьшается ток в силовой цепи, повышается напряжение тягового генератора. Для сокращения размеров и массы генератора нужно, чтобы его напряжение и ток изменялись при работе на номинальной мощности в наименьших пределах. Поэтому свойства тягового электродвигателя должны обеспечивать возможно меньшее изменение напряжения генератора при сохранении его мощности, когда скорость движения тепловоза изменяется в заданном диапазоне. В этом состоит второе основное требование к тяговым электродвигателям.
Как было показано выше, э. д. с. тяговых двигателей прямо пропорциональна  частоте вращения  якоря и магнитному потоку главных полюсов двигателя. С увеличением скорости движения тепловоза уменьшается ток в силовой цепи и ослабляется возбуждение тяговых электродвигателей последовательного возбуждения, так как через обмотки их полюсов проходит весь ток силовой цепи. При тех же условиях возбуждение тяговых двигателей параллельного возбуждения увеличивается, потому что возрастает напряжение тягового генератора. Поэтому в случае одинакового увеличения скорости движения и частоты вращения якорей тяговых двигателей тепловоза э. д. с. двигателей с последовательным возбуждением, а следовательно, и напряжение генератора возрастают меньше, чем при применении двигателей с параллельным возбуждением.
Таким образом, и второму требованию лучше удовлетворяют тяговые электродвигатели с последовательным возбуждением. Поэтому они нашли самое широкое применение на тепловозах. Такие тяговые электродвигатели обладают, кроме указанных, и другими ценными качествами. Например, они обеспечивают более равномерное распределение нагрузок на каждый двигатель в случаях некоторой разницы в диаметрах бандажей отдельных колесных пар или различий в индивидуальных характеристиках двигателей, установленных на одном тепловозе.
Поскольку электродвигатели со смешанным возбуждением по своим качествам приближаются к двигателям с параллельным возбуждением, то они также не применяются на тепловозах.
При независимом возбуждении магнитный поток можно изменять наивыгоднейшим образом для получения оптимальных характеристик тягового электродвигателя. Поэтому применение тяговых двигателей независимого возбуждения служит одним из путей дальнейшего улучшения тяговых характеристик тепловоза н технико-экономических показателей электропередачи. Однако в этом случае тепловоз необходимо оборудовать более сложной системой регулирования тока возбуждения тяговых электродвигателей. Поэтому тяговые двигатели независимого возбуждения еще не  нашли  применения  на тепловозах.

УСТРОЙСТВО ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ

Тяговые электродвигатели предназначены для приведения тепловоза в движение и устанавливаются непосредственно на тележках около колесных пар. Работают тяговые электродвигатели в очень неблагоприятных условиях. При движении локомотива на них попадает вода, снег, пыль и т. п. Место для установки тяговых двигателей крайне ограничено, их приходится выполнять весьма компактными. Мощность же, необходимая для движения поезда, вращающий момент, нужный для трогания с места и следования на подъемах, весьма велики. Кроме того, электродвигатель при работе нельзя осмотреть. Для проверки состояния тяговых электродвигателей тепловоз должен заходить на смотровые канавы. Поэтому тяговые  электродвигатели имеют значительные конструктивные отличия от общепромышленных электродвигателей. Их особенностями являются: высокая удельная мощность, (на единицу массы), прочность и надежность, интенсивное воздушное охлаждение, способность к большим перегрузкам.
Рассмотрим конструкцию тягового электродвигателя тепловоза 2ТЭ10Л (рис. 169). Его номинальная мощность равна 305.кВт. На тележках каждой секции тепловоза по числу колесных пар установлено шесть тяговых электродвигателей.

Тяговый двигатель тепловоза 2ТЭ10Л

Рис. 169. Тяговый двигатель тепловоза 2ТЭ10Л

Магнитная система двигателя состоит из станины (остова), четырех главных полюсов и четырех добавочных. В остове двигателя монтируются все остальные его части. Сердечники главных полюсов набраны из стальных листов толщиной 2 мм и стянуты между полюсными щеками с помощью заклепок (рис. 170, а).

Главный полюс

Рис. 170 а - Главный полюс тягового электродвигателя

В отверстия листов запрессован стальной стержень, в который ввертывают болты, крепящие полюсы к остову. Такая конструкция обеспечивает большую прочность крепления. На главных полюсах расположены катушки обмотки последовательного возбуждения. Обмотка рассчитана на прохождение всего тока тягового электродвигателя и поэтому выполнена из шинной меди сечением 8X25 мм. Сердечники добавочных полюсов (рис. 170, б) отлиты из стали. Катушки этих полюсов изготовлены также из шинной меди сечением 6,5X28 мм. Главные и добавочные полюсы снабжены пружинными рамками для предупреждения перемещений катушек на сердечниках, приводящих    к    перетиранию изоляции.

Добавочный полюс

Рис. 170 б - Добавочный полюс тягового электродвигателя

На тепловозе 2ТЭ10Л, как и на других грузовых тепловозах, применена опорно-осевая подвеска тяговых электродвигателей. При таком типе подвешивания тяговый электродвигатель одной стороной опирается с помощью опорно-осевых подшипников непосредственно на ось колесной пары. Подшипники бронзовые разъемные, состоят из двух половинок-вкладышей. Вкладыши установлены в расточках приливов остова электродвигателя и крышек моторно-осевых подшипников (см. рис. 169). Крышки крепят к остову болтами. Масло для подшипников    заливается  в  полости крышек и подается к шейкам оси с помощью фитилей. Пружинный механизм польстеров надежно прижимает верхние концы фитилей через окна во вкладышах подшипников к шейкам оси.
Со стороны, противоположной моторно-осевым подшипникам, остов двигателя имеет приливы, с помощью которых опирается на пружинный аппарат рамы тележки. Для осмотра внутренних деталей двигателя в его остове сделаны люки, закрываемые крышками. С торцов к остову болтами прикреплены  подшипниковые щиты.
Якорь   тягового    электродвигателя имеет вал из высококачественной стали, которым он опирается на два роликовых подшипника, запрессованных в ступицы подшипниковых щитов. Подшипники закрыты крышками. В полости подшипников по трубкам запрессовывается смазка. Сердечник якоря набран из тонких (толщиной 0,5 мм) покрытых лаком листов электротехнической стали и зажат между нажимными шайбами. Шайбы установлены на валу с большим натягом. На вал двигателя напрессовывается уже собранный коллектор, состоящий из 216 медных пластин (см. рис. 169 и 171).

Коллекторные пластины

Рис. 171. Детали коллектора тягового двигателя

В пазы сердечника якоря уложена обмотка. Обмотка — петлевая состоит из изолированных витков медного провода прямоугольного сечения 1,68 X 6,4 мм. Уравнительные соединения выполнены из медного провода сечением 1,68X5,1 мм. Выводы обмотки впаяны в петушки коллектора. В пазах обмотка удерживается текстолитовыми клиньями, а лобовые части укреплены бандажами из стальной проволоки  или  стеклоленты.
Тяговый электродвигатель оборудован четырьмя щеткодержателями. Для крепления к кронштейну остова двигателя с помощью нажимной планки и болта щеткодержатель снабжен пальцами с изоляторами (рис. 172).

Щетки

Рис. 172 Щеткодержатель тягового электродвигателя

В каждом щеткодержателе размещены три разрезных щетки. Разрезная щетка состоит из двух отдельных щеток, объединенных резиновым амортизатором, который смягчает толчки, воспринимаемые щеткой при работе двигателя. Такие щетки надежны в эксплуатации, обеспечивают хороший постоянный контакт с рабочей поверхностью коллектора. Щетки свободно входят в обоймы корпуса щеткодержателя и прижимаются к коллектору двигателя спиральными пружинами через амортизаторы. Для обеспечения хорошего контакта щетки тщательно притирают к коллектору, а подвод тока к ним производится по гибким медным тросикам-шунтам.
Включение тягового электродвигателя в электрическую цепь генератора тепловоза осуществляется четырьмя гибкими проводами большого поперечного сечения. По первому проводу ток подводится к двум плюсовым щеткодержателям, проходит через щетки, контактирующие с ними коллекторные пластины, обмотку якоря на минусовые щеткодержатели. От этих щеткодержателей тот же ток пропускается последовательно через четыре катушки обмотки добавочных полюсов и по второму проводу возвращается во внешнюю цепь. С помощью второй пары проводов и внутренних перемычек ток проходит через соединенные последовательно катушки главных полюсов двигателя.
Такая схема соединения обмоток позволяет менять направление тока только в катушках главных полюсов для реверсирования тяговых электродвигателей и изменения направления движения тепловоза.
Тяговый электродвигатель непосредственно приводит во вращение колесную пару через зубчатую передачу. Для этого один конец вала якоря выведен из остова (см. рис. 169) и на него в горячем состоянии напрессована шестерня. После остывания она с большой силой охватывает вал и прочно удерживается на нем. От сползания шестерня    предохраняется гайкой. Эта шестерня находится в зацеплении с зубчатым колесом колесной пары, образуя тяговую передачу.
Тяговая передача надежно закрыта кожухом для того, чтобы в нее не попадали пыль, вода и посторонние предметы. Внутрь кожуха заливают смазку для шестерен.
В процессе движения тепловоза колесная пара за счет гибкости рессорного подвешивания периодически перемещается относительно рамы тележки и тягового электродвигателя. Однако благодаря моторно-осевым подшипникам расстояние между центрами шестерни тягового двигателя и зубчатого колеса колесной пары сохраняется постоянным, и их зубья не выходят из зацепления. Таким образом, объединение колесной пары и тягового электродвигателя с помощью моторно-осевых подшипников создает условия для устойчивой работы тяговой зубчатой передачи.
На пассажирских скоростных тепловозах для снижения динамических нагрузок на путь применено моторно-рамное подвешивание тяговых электродвигателей. В этом случае двигатели устанавливают на раме тележки и не увеличивают необрессоренных масс локомотива. Однако конструкция тяговой передачи от вала электродвигателя к колесной паре значительно усложняется.
Для охлаждения тяговых электродвигателей к ним подается атмосферный воздух специальными вентиляторами. Вентиляторы установлены на раме тепловоза и засасывают воздух снаружи через фильтры. Этот воздух от вентиляторов  по  нагнетательным каналам, а затем через широкие гибкие рукава, называемые гармошками, подводится к тяговым электродвигателям (рис. 173).

Система вентиляции

Рис. 173. Схема установки и охлаждения тяговых электродвигателей

Далее воздух проходит через специальное окно в станине двигателя, охлаждает коллекторы, щеткодержатели, проходит через двигатель параллельно его валу, отводит тепло от якоря, полюсов и выбрасывается наружу через окна с противоположной от коллектора стороны. Внутри двигателя поддерживается небольшое избыточное давление воздуха, препятствующее попаданию пыли, влаги, снега.
Устройство центробежного вентилятора показано на рис. 174.

Вентилятор

Рис. 174. Вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей

Внутри улиткообразного корпуса на валу установлено вентиляторное колесо. При вращении лопатки вентиляторного колеса придают воздуху вращательное движение. За счет центробежных сил воздух выбрасывается внутрь корпуса вентилятора. Здесь создается избыточное давление воздуха, и он проходит в нагнетательные каналы, соединенные с корпусом вентилятора. Засасывается воздух с торца вентиляторного колеса. Путь воздуха на рис. 174 показан стрелками.
На новых отечественных тепловозах ТЭП70, ТЭП75, ТЭМ7 и 2ТЭ121 получила применение система централизованного воздухоснабжения. Воздух для охлаждения электрических машин н аппаратов подается одним мощным вентилятором после предварительной очистки. Такая система снабжения воздухом позволяет отказаться от многочисленных вентиляторов, создать мощную вентиляторную установку с высоким к. п. д., обеспечить достаточную степень очистки подаваемого воздуха.

В начало статьи
<< Назад --------------------------------- Дальше >>

загрузка...