КОММУТАЦИЯ. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ. МОЩНОСТЬ

В процессе вращения якоря двигателя витки его обмотки поочередно переходят из области взаимодействия с северным полюсом в область взаимодействия с южным, а затем снова с северным и т. д. При переходе витка из одной области в другую ток в нем уменьшается до нуля (происходит как бы отключение цепи), а затем возрастает (включение) до прежнего значения, но изменив направление на противоположное.
Изменение соединений в электрических цепях (включение, отключение и переключение их частей), осуществляемое с помощью различных аппаратов — коммутаторов, называется коммутацией (от латинского слова commutatio — изменение, перемена). В электрических машинах постоянного тока коммутатором служит коллектор. Максимальная частота изменения направления тока в секции обмотки якоря очень велика и составляет в зависимости от типа двигателя 13—15 тысяч переключений в минуту. Коммутация в некоторых условиях может сопровождаться искрением под щетками, что приводит к усиленному износу коллектора, а иногда, при возникновении сплошного искрения (кругового огня), к серьезным повреждениям двигателя.
Рассмотрим, как протекает процесс коммутации. Известно, что в электрической цепи при изменении тока возникает э. д. с. самоиндукции. Появление ее объясняется тем, что магнитное поле, создаваемое электрическим током, проходящим по проводнику, изменяется одновременно с изменением тока. Изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению в проводнике э. д. с. самоиндукции, направление которой таково, что она препятствует изменению тока, вызывающему ее, т. е. стремится поддержать первоначальный ток. Если ток уменьшается, то э. д. с. самоиндукции задерживает его снижение и, наоборот, при увеличении тока задерживает его рост.
Результат действия э. д. с. самоиндукции можно увидеть, например, при размыкании рубильников, когда в момент разрыва цепи в воздухе возникает электрическая дуга. Действие э. д. с. самоиндукции подобно силам инерции в механике, которые противодействуют всякому изменению скорости движущегося тела.
При коммутации витка обмотки якоря в момент, когда щетка сходит с коллекторной пластины, с которой электрически соединен коммутирующий виток, цепь размыкается и возникающая э. д. с. самоиндукции стремится поддерживать прекращающийся ток. Но между неподвижной щеткой и быстро движущейся коллекторной пластиной сразу же появляется слой воздуха, который, как известно, обладает хорошими изоляционными свойствами. Э. д. с. самоиндукции повышает напряжение, действующее между соседними коллекторными пластинами, и воздух может ионизироваться, т. е. стать проводником; при некотором значении э. д. с. слой воздуха пробивается, через него проходит электрический ток.
Кроме э. д. с. самоиндукции, есть еще причины, затрудняющие процесс коммутации в двигателе. Одна из них — э. д. с. взаимной индукции. Как уже было отмечено, щетка перекрывает не одну, а несколько пластин коллектора, т. е. в процессе коммутации участвуют несколько соседних витков одновременно; поэтому с изменением тока в коммутируемых витках переменные магнитные поля наводят не только э. д. с. самоиндукции в собственных проводниках, но и э. д. с. взаимной индукции в соседних, действующую согласно с э. д. с. самоиндукции.
Затрудняет коммутацию и так называемая реакция якоря. Сущность этого явления заключается в следующем. Проходящий по проводникам обмотки якоря ток создает вокруг каждого проводника магнитный поток, направление силовых линий которого определяется по известному из электротехники правилу буравчика (рис. 24).

Магнитные потоки отдельных проводников обмотки якоря, складываясь, образуют общий магнитный поток якоря, направленный перпендикулярно к оси полюсов. Поток якоря, накладываясь на магнитный поток обмотки возбуждения, искажает его под полюсами двигателя: усиливает с одной стороны и ослабляет с другой. Воздействие магнитного потока якоря на магнитный поток возбуждения называют реакцией якоря. Чем больше нагрузка двигателя, тем сильнее действие реакции якоря.
Вследствие искажающего влияния реакции якоря ось, по которой располагают щетки (ее называют геометрической нейтралью), попадает в сферу действия магнитного потока. Поэтому коммутируемые витки пересекают магнитные силовые линии искаженного магнитного потока и в них и наводятся дополнительные э. д. с, которые, как и э. д. с. самоиндукции и взаимной индукции, нарушают нормальный процесс коммутации. Э. д. с. самоиндукции, взаимной индукции и реакции якоря складываются. Результирующую э. д. с. называют реактивной.
Как же добиться, чтобы при коммутации не возникло сильное искрение? В тяговых двигателях, как и в большинстве других двигателей постоянного тока, для этого устанавливают дополнительные полюса. Магнитный поток, создаваемый ими, должен быть направлен так, чтобы в коммутируемых секциях при их перемещении наводилась э. д. с, равная реактивной и направленная навстречу ей. Реактивная э. д. с. непостоянна. Она изменяется пропорционально току якоря. Э. д. с, создаваемая дополнительными полюсами, должна изменяться так же. Это условие будет выполнено, если по обмотке дополнительных полюсов будет проходить тот же ток, что и по обмотке якоря. Поэтому обмотку якоря и обмотки дополнительных полюсов необходимо соединить последовательно (рис. 25).
Для улучшения процесса коммутации щетки выполняют из материала, создающего повышенное сопротивление в месте контакта с коллектором. При этом в цепь тока, вызванного реактивной э. д. с, вводится дополнительное сопротивление, и он уменьшается.
Большое значение для обеспечения надежной коммутации двигателей имеет выбор напряжения между соседними коллекторными пластинами. Коммутация двигателей протекает без искрения при напряжении между ними, не превышающем 30—32 В. Более высокое напряжение способно пробить воздушный промежуток, и тогда в момент разрыва контакта между щетками и сбегающими с них коллекторными пластинами возникает искрение.
Как уже отмечалось, реакция якоря ослабляет магнитный поток возбуждения с одной стороны полюса и усиливает его с другой. В витках якоря, пересекающих область, где магнитный поток возбуждения усилен, возникает повышенная э. д. с. В результате возрастает напряжение между соседними коллекторными пластинами. Это напряжение увеличивается также при перегрузках мощных тяговых двигателей, когда особенно сильно сказывается реакция якоря. В таких условиях между коллекторными пластинами может возникнуть круговой огонь — мощная электрическая дуга, замыкающая накоротко обмотку якоря или большую часть ее; она вызывает тяжелые повреждения двигателя.
Дополнительные полюса сводят до минимума опасность возникновения только реактивной э. д. с, не компенсируя искажающее действие реакции якоря под главными полюсами. Поэтому во всех двигателях электровозов переменного тока и в мощных двигателях электровозов постоянного тока ВЛ10 и ВЛ11 применяют компенсационную обмотку. Эту обмотку (см. рис. 22) соединяют последовательно с обмоткой якоря так, чтобы создаваемый компенсационной обмоткой поток был направлен встречно по отношению к потоку реакции якоря. Этот поток устраняет искажение потока под главными полюсами, а следовательно; и искажение напряжения между коллекторными пластинами, находящимися в этой зоне.
Компенсационная обмотка — наиболее действенное средство улучшения коммутации тяговых двигателей, обычно работающих в условиях резкопеременных нагрузок. Однако применение ее усложняет конструкцию двигателя; усложняются также его эксплуатация и ремонт. Применение гладких якорей, о которых говорилось выше, позволяет отказаться от компенсационной обмотки, так как при этом значительно уменьшается реакция якоря, а значит, улучшается коммутация тяговых двигателей.
Следует отметить, что использование петлевой обмотки и увеличение числа пар полюсов также обеспечивают лучшую коммутацию.

Мощность тягового двигателя

Очень важно знать, какую мощность смогут развивать тяговые двигатели за тот или иной промежуток времени в процессе ведения состава электровозом? Способны ли они выдержать перегрузки? Каковы допустимые перегрузки и их продолжительность?
Как известно, мощность представляет собой работу, совершаемую в единицу времени — секунду. Мощность электрических машин, в том числе и тяговых двигателей, измеряют в киловаттах (кВт). Кстати, для любителей лошадиной силы напомним, что 1 л.с. = 735 Вт = 0,735 кВт.
Чем большую мощность развивает тяговый двигатель, тем больший ток проходит по его обмоткам и тем больше тепла выделяется в проводниках. В результате нагреваются обмотки и другие детали двигателя. Поэтому во время работы двигателя температура его частей становится выше температуры окружающей среды. Повышение температуры сказывается на состоянии и работоспособности двигателя и в первую очередь на его изоляции.
Предельные допустимые превышения температуры частей тяговых электрических машин, изолированных материалами различных классов нагревостойкости, по отношению к температуре охлаждающего воздуха как при испытаниях на стенде, так и в эксплуатации не должны превышать норм, указанных в ГОСТ 2582—81. Так, для изоляции класса Н допустимое превышение температуры обмотки якоря может достигать 160° С, для обмотки возбуждения 180° С и коллектора 105° С, а для изоляции класса В — соответственно 120, 130 и 95° С. Превышение температуры обмоток определяют методом сопротивления. Для этого измеряют сопротивление обмотки в холодном состоянии, а затем в нагретом. Зная зависимость изменения сопротивления проводников обмотки от температуры, можно вычислить превышение температуры той или иной обмотки над температурой воздуха, охлаждающего машину. Эта зависимость характеризуется температурным коэффициентом.
Температуру коллектора измеряют термометром. Превышение ее равно разности между показаниями термометра и температурой охлаждающего воздуха.
Нормы предельных допустимых превышений температуры для различных узлов тяговых машин установлены при условии, что температура охлаждающего воздуха находится в пределах от + 10 до + 40° С. Если по каким-либо причинам эта температура выходит за указанные пределы, завод-изготовитель вносит соответствующие поправки.
Нагрев двигателя зависит и от температуры окружающей среды. Чем ниже температура окружающего воздуха, тем интенсивнее охлаждается тяговый двигатель. Поэтому зимой тяговые двигатели электровоза могут развивать большую мощность, чем летом, и, несмотря на то, что зимой увеличивается сопротивление движению поездов, нет необходимости уменьшать их массу.
Если увеличить количество воздуха, охлаждающего узлы двигателя, то охлаждение будет более интенсивным, и тяговый двигатель сможет развивать большую мощность, при которой температура его узлов не превысит допустимую. Поэтому через тяговые двигатели с помощью вентиляторов непрерывно прогоняют охлаждающий воздух.
В зависимости от времени, в течение которого узлы двигателя нагреваются до максимальной допустимой температуры, различают мощность продолжительного и часового режимов.
Под продолжительной понимают наибольшую мощность, которую может развивать двигатель в условиях нормально действующей вентиляции при закрытых коллекторных люках в течение неограниченного времени, не вызывая повышения температуры узлов двигателя сверх максимального допустимого значения.
Под часовой подразумевают наибольшую мощность, которую может развивать двигатель в течение часа в условиях нормально действующей вентиляции при закрытых коллекторных люках, не вызывая превышения температуры узлов двигателя над максимальной допустимой. Полагают, что температура узлов двигателя в начале испытания равна температуре окружающей среды, которую принимают равной + 25° С. Если температура окружающей среды выше + 25° С, то допустимые значения температуры узлов снижают. Ток, соответствующий продолжительной мощности, называют продолжительным, а ток, реализуемый при часовой мощности,— часовым.
Разумеется, в процессе ведения поезда ток, а, следовательно, и мощность тяговых двигателей все время изменяются: при движении по подъему мощность двигателей кратковременно может превышать часовую; на спусках, площадках двигатели развивают мощность, меньшую часовой или даже продолжительной. При этом нагретые обмотки двигателей охлаждаются.
Допустимые перегрузки оговариваются заводами-изготовителями.
Максимальная мощность, развиваемая тяговым двигателем в течение короткого времени, за которое его узлы не успевают перегреться, ограничивается их механической прочностью и условиями коммутации. Понятно, что при очень большой мощности и, как следствие этого, чрезмерных механических усилиях в двигателе могут возникнуть напряжения, превышающие предел упругости, которые, в конечном счете, приводят к механическим повреждениям.
Чем больше ток двигателя, тем больше в нем реактивная э. д. с, тем больше ее недокомпенсация, связанная с насыщением дополнительных полюсов двигателя. Следовательно, при очень большой потребляемой мощности условия коммутации ухудшаются, возникает сильное искрение под щетками, которое может перейти в круговой огонь по коллектору.
Однако обычно максимальная мощность электровоза не ограничивается механической прочностью или условиями коммутации двигателей, так как еще до достижения опасного значения тока нарушается сцепление колесных пар с рельсами. Следовательно, максимальная мощность, которую могут развить тяговые двигатели электровоза, ограничивается, кроме всего прочего, сцеплением колес с рельсами.
Нагрев обмоток тягового двигателя в зависимости от конкретных условий работы электровоза на каком-либо участке пути определяют после проведения тяговых расчетов. С помощью тяговых расчетов сначала устанавливают условия максимального использования мощности электровоза, затем определяют наиболее рациональные режимы ведения поезда при максимальной возможной массе поезда для данного профиля на рассматриваемом участке, обеспечивающие минимальное время нахождения на участке, и минимальный расход электрической энергии.
После выполнения тяговых расчетов проверяют возможность работы тяговых двигателей при выбранных режимах без превышения допустимых температур нагрева.
В остов тягового двигателя охлаждающий воздух обычно вводят со стороны коллектора. Здесь он разбивается на два параллельных потока: один проходит по вентиляционным каналам внутри сердечника якоря (они видны на рис. 15, б), другой — по катушкам полюсов, поверхности якоря и коллектора. По мере увеличения количества тепла в двигателе повышается температура его узлов. С другой стороны, чем выше их температура по сравнению с температурой окружающей среды, или, как говорят, чем больше перепад температуры, тем большее количество тепла от нагреваемого тела рассеивается в окружающей среде. При достижении определенной температуры количество тепла, выделяемого в теле, будет равно количеству тепла, отдаваемого им окружающей среде, т. е. установится тепловое равновесие. Соответствующая этому режиму температура называется установившейся.
Все технические данные тягового двигателя и электровоза, как уже отмечалось, приводят для двух режимов — часового и продолжительного. Так, для часового режима двигателя ТЛ-2К1 электровоза ВЛ10 мощность равна 670 кВт, частота вращения 790 об/мин, ток 480 А, к. п. д. 93,4%, а для продолжительного — соответственно 575 кВт, 830 об/мин, 410 А, 93%.
Используя определенные методы, строят кривые потребляемого тока электровоза в зависимости от установленной массы поезда и времени потребления тока. Получив такие данные, определяют в зависимости от режима ведения поезда температуру нагрева или охлаждения обмотки якоря, обмоток главных и дополнительных полюсов, компенсационной обмотки по тепловым характеристикам, которые прилагает завод-изготовитель. Такие характеристики получают на основании результатов испытаний.
Для примера на рис. 26 показаны кривые нагревания и охлаждения обмотки якоря и обмоток главных полюсов тягового двигателя ТЛ-2К1 в зависимости от тока.

Такие же кривые даются заводом для обмоток дополнительных   полюсов   и   компенсационной обмотки. Как видим, при токе 466 А в течение 1 ч обмотка якоря нагревается до температуры 110° С, а обмотки главных полюсов — до 140° С, что объясняется разными условиями их охлаждения. Ясно, что обмотки главных полюсов должны иметь изоляцию более высокого класса.
Из рис. 26 также следует, что при токе, например, 350 А температура обмотки якоря снижается от 105 до 75° С за 2 ч и затем при том же токе остается неизменной. Для обмоток возбуждения при том же токе температура от 150 до 110° С снижается в течение 3   ч.
Если расчеты нагревания и охлаждения показывают, что в какой-то промежуток времени, а следовательно, и на каком-то определенном отрезке пути обмотки (обмотка) тяговых двигателей будут перегреваться, то необходимо уменьшить нагрузку тяговых двигателей.
Мощность выпускаемых отечественными заводами тяговых двигателей непрерывно повышается в результате улучшения конструкции, применения новейших изоляционных и других материалов. Например, как уже отмечалось, мощность в часовом режиме тягового двигателя ТЛ-2К1, устанавливаемого на электровозах ВЛ10, составляет 650 кВт, двигателя НБ-418К6 электровозов ВЛ80 различных индексов — 790 кВт, а двигателя ДПЭ-340 электровозов ВЛ19 — всего 340 кВт. Как видим, мощность двигателя ТЛ-2К1 почти в 2 раза, а двигателя НБ-418К6 — в 2,3 раза выше, чем двигателя ДПЭ-340.
Отметим, что увеличение мощности двигателей практически не отразилось на одном из важнейших показателей — массе двигателя, что особенно важно для условий тяги: масса этих двигателей составляет соответственно 4700, 4350 и 4280 кг.                                ,
Обычно, сравнивая двигатели, пользуются не абсолютной массой, а относительной, приходящейся на 1 кВт мощности. Для тяговых двигателей ТЛ-2К1, НБ-418К5 и ДПЭ-340 относительная масса составляет соответственно 8,2; 6,2; 12,6 кг/кВт. Как видим, наилучший показатель массы у двигателя, устанавливаемого на электровозах ВЛ80 различных индексов. Это в некоторой степени объясняется следующим.
Двигатели электровозов постоянного тока соединяют по два последовательно. Они имеют номинальное напряжение на коллекторе 1500 В (при изоляции, рассчитанной на напряжение в контактной сети 3000 В), которое является вынужденным и, следовательно, не самым оптимальным. Двигатели электровозов переменного тока ВЛ80 работают при номинальном напряжении 950 В, являющемся оптимальным, что в значительной мере определяет возможность   повышения  их   мощности.
Создание новых электроизоляционных материалов — лаков, различных полимеров, обладающих лучшими электроизоляционными свойствами и повышенной нагревостойкостью,— позволит еще более увеличить электрические, механические и тепловые нагрузки, воспринимаемые тяговыми двигателями электровоза.

Особенности двигателей пульсирующего тока

В заключение главы о тяговых двигателях отметим одно важное обстоятельство. В предыдущих параграфах было дано описание устройства двигателя, общее для электровозов постоянного и переменного тока, так как большинство их узлов конструктивно выполнено одинаково. Однако надо помнить об особенностях выпрямленного тока, питающего тяговые двигатели. После выпрямления на тяговых подстанциях он почти не имеет пульсаций, т. е. практически является постоянным (сглаженным) в отличие от тока, выпрямленного установками электровозов переменного тока. Здесь ток не постоянный, а пульсирующий. Об этом более подробно будет рассказано далее. Поэтому различают тяговые двигатели постоянного тока и пульсирующего тока. Конструктивными особенностями двигателей пульсирующего тока, как уже отмечалось, является наличие шихтованных вставок в остове и шихтованных дополнительных полюсов, большее число пар полюсов и наличие компенсационной обмотки.
А нельзя ли питать коллекторный тяговый двигатель переменным током? Вообще говоря, если обычный тяговый двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением подключить к источнику переменного тока, то его якорь вращаться будет. Но при этом возникнут значительные потери в массивных частях двигателя, которые все время будут перемагничиваться и тем чаще, чем выше частота переменного тока.
Кроме того, при прохождении переменного тока по обмоткам возбуждения и якоря в них возникают э. д. с. самоиндукции, что вызовет неодновременность изменения подводимого напряжения и проходящего тока. Это значит, что напряжение и ток будут неодновременно достигать максимального и минимального значений, неодновременно изменять свое направление. В результате часть электрической энергии в определенные периоды будет запасаться в обмотках двигателя, а затем в другие периоды возвращаться обратно в питающую цепь. При таком «перекачивании» энергии из сети в двигатель и из двигателя в сеть никакой полезной работы не совершается, наоборот, бесполезно загружаются электрические станции, линии электропередачи. При этом много энергии расходуется на нагревание проводов.
Кроме того, при питании переменным током резко ухудшается коммутация коллекторного двигателя и под щетками возникает недопустимое искрение. Это объясняется тем, что в коммутируемых секциях, кроме реактивной э. д. с, о которой уже шла речь, наводится еще трансформаторная.
Трансформаторная э. д. с. возникает под действием пронизывающего коммутируемые секции переменного магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения. Чтобы снизить трансформаторную э. д. с, уменьшают число витков секции, снижают магнитный поток возбуждения, увеличивая число полюсов. Для уменьшения переменной составляющей магнитного потока последовательно в цепь якоря тягового двигателя включают дополнительную индуктивность — сглаживающий реактор, а параллельно обмотке возбуждения—резистор (см. рис. 10).
Усилия ученых многих стран были направлены на создание надежного тягового двигателя переменного тока промышленной частоты, не имеющего указанных недостатков.
Электровозы с тяговыми двигателями, у которых остов, как и якорь, собран из отдельных листов стали и имеет 16 полюсов, на которых расположены специальные обмотки, эксплуатируются на некоторых дорогах за рубежом. Однако такие двигатели очень сложны в изготовлении и эксплуатации и необходимо их дальнейшее совершенствование.
Значительно проще решается вопрос, если понизить частоту питающего тока. В этом случае коллекторный тяговый двигатель переменного тока по своим качествам приближается к двигателю постоянного тока. Резко улучшаются условия коммутации и в то же время сохраняется основное преимущество переменного тока — возможность его трансформации. За рубежом сравнительно широко применяется электрическая тяга на однофазном переменном токе пониженной частоты (16 2/3 и 25 Гц). Главный ее недостаток, как уже отмечалось,— необходимость сооружения специальных электростанций или сложных тяговых подстанций, оборудованных устройствами для понижения частоты тока.
Использование выпрямительных установок на электровозах переменного тока сняло проблему разработки коллекторных тяговых двигателей переменного тока промышленной частоты. Появление управляемых полупроводников открыло широкие возможности для создания надежных преобразователей и тем самым позволило поставить вопрос об использовании асинхронных или вентильных двигателей для целей тяги. Заканчивая рассказ об устройстве тягового двигателя, отметим, что коллекторные двигатели большой мощности представляют собой сложнейшее сочетание тысяч отдельных элементов (достаточно вспомнить хотя бы конструкцию коллектора). Подавляющая часть этих элементов должна быть изолирована друг от друга материалами, не обладающими абсолютной жесткостью. В то же время вся совокупность элементов двигателя должна противостоять всевозможным колебаниям и сотрясениям. Конструирование тяговых двигателей связано со значительными трудностями.