Электрические машины.

Электрические тяговые машины. К тяговым машинам относятся: тяговые генераторы и тяговые электродвигатели. Тяговые генераторы и тяговые электродвигатели — это основные тяговые машины, остальные машины вспомогательные.

Тяговые генераторы служат для преобразования механической энергии дизеля в электрическую. На тепловозах с передачей постоянного тока тяговые генераторы также используются для пуска дизеля. Тяговые генераторы приводятся в действие дизелями и образуют вместе с ними дизель-генераторные агрегаты или дизель-генераторы.

Тяговые электродвигате­ли установлены на тележках тепловоза и приводят в движение оси колесных пар через механические редукторы. На большинстве тепловозов тяговые электродвигатели имеют опорно-осевую (трам­вайную) подвеску, т. е. каждый двигатель своим моторно-осевым подшипником опирается на приводимую им ось; другой же стороной он упруго опирается носиком на рамное крепление.

На пассажирских тепловозах ТЭП70, ТЭП60 (конструкционная скорость 160 км/ч) и грузовых 2ТЭ121 электродвигатели имеют опорно-рамную подвеску, при которой двигатель опирается на полую ось, имеющую с движущей осью эластичное соединение.

Вспомогательные генераторы служат для питания цепей управ­ления, освещения и заряда аккумуляторной батареи. Возбудители предназначены для питания независимых обмоток возбуждения тяговых генераторов. На большинстве тепловозов вспомогательный генератор и возбудитель конструктивно объединены в двухмашин­ный агрегат. К вспомогательным электродвигателям относятся электродвигатели привода маслопрокачивающего и топливопро-качивающего насосов, двигатели различных вентиляторов, стартер-генераторы, тахогенераторы и др.

Принцип действия электрических машин

Генераторы. Принцип действия электрических генераторов осно­ван на использовании закона электромагнитной индукции. Этот закон гласит: в проводниках, пересекающих магнитные линии, индуктируются электродвижущие силы (э. д. с), которые пропор­циональны числу магнитных линий, пересеченных за единицу времени.

Электродвижущая сила генератора. Если предпо­ложить, что p-число полюсов, N- число активных проводников обмотки якоря, а - число параллельных ветвей обмотки , D_я - диаметр якоря, п -частота вращения якоря, измеряемая числом оборотов в минуту, тогда э. д. с. якоря

E = pNФn / a 60, pN / 60 a = Се - постоянная величина для машины тогда Eя = Cе Ф n

э. д. с. Е_я пропорциональна основному магнитному потоку и частоте вращения якоря

Следовательно, э. д. с. гене­ратора можно регулировать изменением магнитного потока (тока возбуждения) генератора или изме­нением частоты вращения вала якоря.

Напряжение Uя на зажимах якоря генератора меньше э. д. с. Eя на значение падения напряже­ния в сопротивлении обмотки якоря IяRя Uя = Eя - IяRя

У машин, работающих в режиме генератора, проводники обмот­ки якоря с током I находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы создающие электромагнитный момент Мм= СмФ I , См =pN / 2 πa.

Мм действует в направлении против направления вращения и является тормозным.

Режим двигателя. Если к обмотке якоря машины подвести постоянный ток I от внешнего источника, то в результате взаимодействия с магнитным потоком главных полюсов возникает электромагнитный момент Мм= смФ I , который действует в направлении вращения и является движущим.

При вращении якоря электро­двигателя проводники его обмотки пересекают магнитные линии, вследствие этого в них индуктируется э. д. с. Eя направленная про­тив тока Iя и приложенного к зажимам якоря напряжения Uя, поэтому ее называют противоэлектродвижущей силой.

Напряжение, приложенное к якорю двигателя, уравновешивается э. д. с. Eя и падением напряжения в обмотке якоря IяRя : Uя = Eя + IяRя

Тогда Iя =( Uя - Cе Ф n) / Rя, обороты вала якоря n = (Uя – IяRя) / Cе Ф

П ринцип обратимости. Изложенное выше показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким свойством обладают все вращающиеся электрические машины, и называется оно обратимостью. Переход машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения осуществляется изменением на­правления тока в обмотке якоря.

Направление э. д. с, тока и моментов: Схема работы электрической машины а- генератора; б — двигателя в режиме: а — генератора; б — двигателя

Как видно, внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Для генератора UяIя = EяIя - Iя ²Rя Для двигателя UяIя = EяIя + Iя ²Rя

В генераторе Мм является тор­мозящим моментом, а в двигате­ле — движущим, в обоих случаях противополож­ны по направлению. Левые части выражений — это электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей — электромагнитные мощности якоря, а последние члены — электрические потери в якоре.

Эти соотношения выражают закон сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока. По этому закону механическая мощность, развиваемая на валу генера­тора преобразуется в электрическую мощность в обмотке якоря, которая за вычетом потерь в обмотке якоря поступает во внешнюю цепь.

В двигателях электрическая мощность, подводимая к якорю, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть превращается в мощность электромагнитного поля, а затем в механическую мощность, которая передается на вал двигателя.

Реакция якоря. При нагрузке вокруг проводников обмотки якоря образуется магнитное поле ось которого направлена по оси щеток, расположенных на геомет­рической нейтрали ГН. Воздействие м. д. с. обмотки якоря на магнитное поле машины называется реакцией якоря. Число маг­нитных линий, пересекающих поверхность якоря, не везде одинаково: наибольшая густота — под серединой полюса, наименьшая — по геометрической нейтрали. В витках, расположенных по самой нейтра­ли, э. д. с. не индуктируется.

При вращении якоря под нагрузкой результирующий магнитный поток будет распределяться, как показано на рисунке. Под левой частью северного полюса он будет ослаблен потоком якоря, имеющим противоположное направление потоку, создаваемому по­люсами. Под правой частью северного полюса силовые линии потока якоря имеют одинаковое направление с основным потоком, поэтому в этой части густота магнитного потока увеличивается. Подобное явление будет наблюдаться и у южного полюса. В результате действия реакции якоря основной магнитный поток исказится и как бы повернется на небольшой угол в направлении вращения якоря. Линия ФН, проходящая через точки на поверхности якоря с индукцией В = 0, является физической нейтралью. Смещение нейтрали повлечет за собой перемещение щеток на такой же угол, так как они должны замыкать накоротко те витки, в которых э. д. с. не индуктируется.

Коммутация. Процесс изменения направления тока в секции обмотки якоря, связанный с переходом ее из одной параллельной ветви в другую, называется коммутацией, а секция — коммутиру­емой.

За время перекрытия щеткой обеих коллекторных пластин ток в секции уменьшается от I_я/2 до нуля. Изменение тока вызывает наведение э. д. с. самоиндукции e_s (а также взаимо­индукции. Эту э. д. с. называют реактивной е_р, а наводимый ею ток — током коммутации. Электродвижущая сила вращения е_к от внешнего поля называется коммутирующей. В общем случае в коммутирующей цепи имеются обе э. д. с. е_р и е_к. Под действием суммы этих э. д. с. в замкнутой щеткой коммутирующей цепи возникает добавочный ток коммутации /_д - Искрение на коллекторе вызывает нагревание и порчу его поверх­ности. Чтобы степень искрения не превышала допустимого значения, необходимо скомпенсировать реактивную э. д. с. е_р, Для улучшения процесса ком­мутации используют два основных способа: применяют добавочные полюсы и производят подбор щеток с повышенным электрическим сопротивлением (электрографитированные), уменьшая тем самым добавочный ток коммутации.

В условиях эксплуатации мерами предупреждения искрения являются содержание в чистоте поверхности коллектора, конуса, канавок между пластинами, своевременное удаление с рабочей по­верхности коллектора подтеков, царапин, заусенцев, смена сколотых и изношенных щеток и пр.

Добавочные полюсы. Добавочные полюсы располагают по нейтра­ли, т. е. между главными полюсами. Они предназначены создавать магнитное поле, индуктирующее в коммутируемых витках э. д. с, направленную против реактивной э. д. с. Чтобы магнитное поле действовало только в зоне коммутации, ширину полюсов делают небольшой. Обмотки добавочных полюсов всегда включаются последователь­но с обмоткой якоря для того, чтобы происходило автомати­ческое усиление действия добавочных полюсов при увеличении внешней нагрузки, вызывающей усиление реакции якоря и реактив­ной э. д. с. в коммутируемых секциях.

Компенсационная обмотка. Добавочные полюсы компенсируют действие реакции якоря только в зоне коммутации. Наиболее эффективное средство борьбы с вредным действием попе­речной реакции якоря — с искажением основного поля и увеличением напряжения между коллекторными пластинами — использование компенсационной обмотки. В пазах полюсных наконечников главных полюсов укладывают стержни (проводники) так, чтобы направления токов в них и обмотке якоря в пределах каждого полюсного деления были противоположны. Компенсационная обмотка включается последовательно с обмот­кой якоря, тем самым обеспечивается компенсация поперечной реакции якоря при всех нагрузках.