§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 U_пост (рис. 152, а), не меняющейся по величине и направлению, и переменной U_пер, которая представляет собой переменное напряжение, изменяющееся с частотой 100 Гц. Аналогично и пульсирующий ток может быть представлен как сумма постоянной I_пост и переменной I_пер составляющих (рис. 152,б).

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

K_и = U_{пер max} / U_пост

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:

K_i = I_{пер max} / I_пост

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

пульсирующем токе происходят пульсации реактивной э. д. с. е_р. Поэтому для ее компенсации необходимо, чтобы коммутирующая э. д. с. ек изменялась точно в соответствии с изменениями реактивной э. д. с. е_р. 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. е_к относительно изменений э. д. с. е_р (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. е_р—е_к, вызывающая искрение под щетками.

Кроме нескомпенсированной э. д. с. е_р—е_к, в коммутируемой секции 1 (рис. 154, а) из-за пульсаций потока главных полюсов индуцируется так называемая трансформаторная э. д. с. е_тр. 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 R_ш (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 I_пост 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 I_пер 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

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. е_к относительно э. д. с. е_р.

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.