12. Электрическая железная дорога

1. Источником энергии на электрической железной дороге является тяговая подстанция. Передача электроэнергии от подстанции к электровозу производится с помощью контактной сети. Контактная сеть состоит из контактного провода и рельсов (рис. 12.1).

К положительному выводу через быстродействующий выключатель подсоединяется контактный провод, к отрицательному выводу – заземление. При этом создаётся катодная защита рельсов от электрохимической коррозии в растворе почвенных вод, а коррозирует металл заземления. Для увеличения силы тока параллельно контактному проводу располагают дополнительно питающий провод большого сечения. Электрический ток, снимаемый от контактного провода токоприемником электровоза, приводит в действие тяговые двигатели и другие аппараты и стекает на рельс. Так как рельсы не изолированы от земли, то обратно на подстанцию ток течет как по рельсам, так и по земле на заземление и от заземления по отсасывающему проводу возвращается на отрицательный вывод подстанции. Контактный провода подвешивают на струнах к стальному тросу подвески, чтобы меньше был изгиб провода.

2. Электровоз приводится в движение силой тяги ведущих колес, к которым приложен вращающий момент тяговых электрических двигателей. Электрический двигатель превращает электрическую энергию, получаемую от тяговой подстанции, в механическую работу. В качестве тяговых двигателей применяются в основном коллекторные двигатели постоянного тока. Двигатель (рис.12.2) состоят из вращающейся части – якоря, неподвижной станины (корпуса) и коллекторно-щеточного узла. С боков корпус закрывается крышками с подшипниками вала якоря. На корпусе установлены катушки возбуждения, создающие основное постоянное магнитное поле и могут быть установлены дополнительные катушки для компенсации магнитного поля, создаваемого токами в обмотке самого якоря. Катушки возбуждения расположены на сердечниках с полюсными наконечниками. Для уменьшения магнитного сопротивления магнитной цепи полюсные наконечники охватывают якорь с возможным минимальным зазором (несколько миллиметров). Корпус двигателя замыкает магнитную цепь. Магнитный поток в корпусе неизменный, вихревые токи не возникают, и поэтому корпус изготавливается из стальной или чугунной отливки. К корпусу крепятся все части двигателя.

Якорь имеет форму цилиндра. С целью уменьшения нагрева и торможения якоря силами Ампера от вихревых токов, возникающих при вращении, якорь собирается из тонких пластин электротехнической стали. Пластины, покрытые слоем окалины, пересекают линии токов, уменьшая силу вихревых токов. В продольные пазы якоря укладывается обмотка, состоящая из секций, которые, в свою очередь, могут быть многовитковыми. Секции якорной обмотки работают не поочередно. Для увеличения момента силы и мощности секции соединяются последовательно. По ним одновременно течёт одинаковый ток, независимо от того какая пара коллекторных пластин замыкается с токоподводящими щетками. Это осуществляется с помощью коллекторно-щеточного узла. Начало каждой секции припаивается на коллекторной пластине к концу предыдущей секции и так до тех пор, пока конец последней секции не соединится с началом первой секции. Электрический ток от щетки с положительным потенциалом разветвляется и течет к щетке с отрицательным потенциалом по двум ветвям. В каждой ветви течет половина общего тока.

3. Определим момент сил Ампера, действующий на витки якорной обмотки. Для простоты вывода сделаем допущения. Предположим, что полюса катушек возбуждения охватывают почти весь якорь, так что силовые линии магнитного поля везде перпендикулярны воздушному зазору. Индукцию магнитного поля в зазоре будем считать одинаковой. Силы Ампера, по правилу левой руки, действуют на все активные провода по касательной к якорю. Моменты их сил относительно оси вращают якорь в одном направлении и складываются. Момент сил одной ветви определим как произведение момента силы, действующего на один виток, на число витков в ветви. . Результирующий момент сил обеих ветвей якорной обмотки равен

. 12.1

Здесь Ψ = BSN – потокосцепление обмотки якоря, S – площадь витка. Реально, вследствие допущений, момент сил меньше. В технической литературе это учитывается введением поправочного коэффициента С, который определяется экспериментально для каждого типа двигателя: M = CJΨ.

4. Механическая мощность, развиваемая двигателем, равна произведению момента силы якоря на угловую скорость вращения:

. 12.2

5. Известно, что при вращении витка в магнитном поле в нём наводится ЭДС электромагнитной индукции. Все витки одной ветви якорной обмотки соединены последовательно, поэтому ЭДС витков складываются. По закону Фарадея ЭДС ветви равна . Во второй ветви возникает такая же ЭДС. Как источники ЭДС ветви соединены одноименными полюсами навстречу друг другу. Магнитный поток через виток равен . Тогда ЭДС якорной обмотки будет равна . Здесь – угол между нормалью к витку и силовыми линиями магнитного поля. Благодаря конструкции полюсов, почти охватывающих якорь, этот угол для всех витков близок к 90^о. Итак, ЭДС якорной обмотки равна

. 12.3

З нак минус обусловлен правилом Ленца. По правилу Ленца ЭДС электромагнитной индукции якорной обмотки, которую называют противо-ЭДС, включена навстречу напряжению подстанции.

Таким образом, электрическая цепь электрической железной дороги состоит из источника тока (тяговая подстанция), контактной сети с сопротивлением R, и электродвигателя (рис. 12. 3) как источника противо-ЭДС. По второму правилу Кирхгофа, примененному к цепи падение напряжения на активном сопротивлении контактной сети и обмоток двигателя равно разности напряжения подстанции и противоЭДС якоря. Или

. 12.4

Это закон Ома для электрической железной дороги. Только часть напряжения тяговой подстанции, равная противо-ЭДС, используется для создания механической мощности, остальное теряется на активных сопротивлениях. Это будет тем более очевидно, если умножить уравнение закона Ома на силу тока. Тогда получим уравнение баланса мощности:

. 12.5

Видно, что мощность подстанции JU частично расходуется на мощность тепловых потерь в сопротивлении обмоток двигателя и контактной сети. Тогда получается, что механическая мощность будет равна произведению противо-ЭДС на силу тока в обмотке якоря:

. 12.6

Как и следовало ожидать, это совпадает с формулой мощности, полученной ранее на основании закона Ампера (12.2).

6. Исследуем зависимость момента силы, мощности тягового двигателя и КПД от скорости вращения якоря при подключении двигателя к сети с постоянным напряжением U. При трогании, пока якорь вращается с малой частотой, противо-ЭДС отсутствует. Сила тока может достигать огромных значений, равных току короткого замыкания: . Для ограничения силы тока при пуске мощных тяговых двигателей применяют пусковые реостаты.

М омент силы, согласно (12.1), при пусковом токе достигает наибольшего значения (рис. 12.4). Механическая мощность при отсутствии вращения равна нулю. По мере разгона, с увеличением скорости вращения, противо-ЭДС возрастает, но она сначала еще много меньше напряжения сети (ε<<U). Поэтому сила тока, согласно закону Ома (12.4) уменьшается незначительно. Индукция магнитного поля катушек возбуждения, из-за явления насыщения магнитной цепи при большом токе, почти постоянна. Все это приводит пока к небольшому уменьшению момента силы якоря. При почти постоянном моменте силы полезная механическая мощность начинает возрастать сначала почти пропорционально скорости вращения..

Под действием момента силы якорь увеличивает скорость вращения. Противо-ЭДС быстро возрастает, сила токападает. Момент силы тоже уменьшается, но быстрее, чем падает сила тока, так как сказывается уменьшение индукции магнитного поля. Полезная мощность медленно растет, достигает максимума, и затем начинает уменьшаться из-за быстрого падения момента силы.

В режиме холостого хода без нагрузки момент внешних сил сопротивления очень мал. Тогда якорь под действием вращающего момента сил Ампера может разогнаться до очень большой скорости вращения. Возможно разрушение обмотки якоря центробежными силами. При вращении без нагрузки противо-ЭДС практически компенсируют напряжение контактной сети.

Итак, коллекторные двигатели имеют удовлетворительные параметры, приемлемые для тяговых двигателей локомотивов. Их можно через редуктор непосредственно подсоединять к ведущему колесу. Но имеют недостатки. Это, в первую очередь, быстрый износ коллектора и щёток из-за трения и разрушения электрической дугой и как следствие частые ремонты. У них сравнительно большая масса, поэтому они со временем уступят первенство асинхронным двигателям переменного тока с импульсным регулированием мощности.

Контрольные вопросы

1. Почему для контактного провода применяется цепная подвеска со струнами, а не более простая трамвайная?

2. Зачем в землю на глубину почвенных вод около подстанции закапывают заземление и соединяют с рельсами и подстанцией?

3. Почему контактный провод подсоединяют к положительному выводу подстанции, а рельсы к отрицательному выводу?

4. Почему между коллекторными пластинами может возникнуть электрическая дуга или даже круговой огонь вокруг коллектора?

5. Объясните необходимость установки дополнительных полюсов на двигатель, магнитное поле которых перпендикулярно полю возбуждения.

6. Почему ширина воздушного зазора между полюсным наконечником катушки возбуждения должна быть минимальной?

7. Для чего соседние рельсы в месте стыка соединяются медным жгутом?

8. Какими свойствами должен обладать материал щеток коллекторного двигателя?

9. Каким образом машинист управляет включением и переключением тяговых двигателей, в которых действует опасное напряжение до 1,5 кВ?

10. Что произойдет, если контактный провод вследствие обрыва упадет на рельсы?

11. Почему в коллекторном двигателе обмотка якоря разделяется на две параллельные ветви? Как включены противо-ЭДС ветвей по отношению друг к другу и по отношению к напряжению контактной сети?

12. Можно ли коллекторный двигатель тока включать в сеть переменного тока? Какой двигатель стоит в домашнем пылесосе?

13. Является ли коллекторный двигатель обратимой машиной? То есть если вращать якорь внешним двигателем, то будет ли он работать в режиме генератора постоянного тока?

14. Как меняется направление электрического тока при переходе коллекторной машины постоянного тока от двигательного режима к генераторному режиму? Как изменится напряжение на полюсах машины?

15. Почему режим холостого хода опасен для коллекторного двигателя?