ТЯГОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ПОЧЕМУ СТАЛИ ПРИМЕНЯТЬ ТЯГОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА?

Развитие отечественного и зарубежного тепловозостроения сопровождалось непрерывным повышением секционной мощности тепловозов. Увеличение массы поездов, скоростей движения    настоятельно требовало применения все более мощных локомотивов. Пока секционная мощность тепловоза не превышала 1470 кВт (2000 л. с), применение тяговых генераторов постоянного тока не вызывало особых затруднений. Все тепловозные силовые установки оборудовались тяговыми генераторами, вырабатывавшими постоянный ток, который непосредственно использовался для питания тяговых электродвигателей. Но уже в конце 50-х годов потребовалось увеличить секционную мощность тепловозов до 2210 кВт (3000 л. с.) и более. В Советском Союзе и ряде других стран были разработаны и построены тепловозные дизели мощностью 2210—2940 кВт (3000—4000 л. с.) с   частотой вращения коленчатого вала 850—1500 об/мин. Однако при создании тяговых генераторов постоянного тока для тепловозов с этими дизелями встретился ряд трудностей. С увеличением мощности значительно возрастали размеры генераторов. В то же время для обеспечения надежной работы коллектора и щеток линейная окружная скорость цилиндрической поверхности коллектора не должна превышать 60—70 м/с. Это требование ограничивает увеличение диаметра коллектора и, следовательно, диаметра якоря генератора. Далее, для предупреждения недопустимого искрения на коллекторе и повреждения генератора в результате появления кругового огня напряжение между соседними пластинами коллектора не должно превышать определенной величины — приблизительно 30—35 В. В результате ограничивается и максимальная длина витков обмотки якоря и, следовательно, длина якоря. Действительно, при одинаковой линейной скорости движения в магнитном поле индуктируемая электродвижущая сила в каждом витке обмотки будет пропорциональна длине ее активных сторон.
Таким образом, создание тепловозных тяговых генераторов постоянного тока большой мощности вызывало не только рост размеров и массы, осложняя их размещение на локомотиве, но и наталкивалось на принципиальные трудности. Эта проблема коренным образом могла решаться только путем отказа от применения в электрических машинах коллектора. Коллектор служит для выпрямления тока, вырабатываемого в обмотке  якоря генератора, поэтому отказ от его использования практически означает переход на электрическую машину переменного тока. Так на мощных тепловозах получили применение тяговые генераторы переменного тока с выпрямительными установками для питания постоянным током тяговых электродвигателей.
Читателю известно, что постоянный ток характеризуется своим неизменным направлением в замкнутой электрической цепи.
Переменным называют ток, который периодически изменяет свое направление и величину. Через определенный промежуток времени Т, называемый периодом, изменение тока точно повторяется. Следовательно, переменный ток передается импульсами. За один период сила тока в замкнутой цепи постепенно возрастает до максимального значения, затем снижается до нуля, ток меняет свое направление на обратное, вновь возрастает до максимальной величины и снова снижается до нуля. Длительность периода определяется в секундах, а число периодов за 1 секунду называют частотой тока. Например, если период (т. е. полный цикл изменения) переменного тока составляет 1/50 секунды, то число периодов за секунду будет  = 50. Итак, частота этого тока равняется 50 периодам в секунду. В электротехнике для измерения частоты тока принята специальная единица — герц — по имени знаменитого немецкого физика Генриха Герца, равная 1 периоду в секунду. Поэтому частота рассматриваемого нами тока окажется 50 Гц (герц). Такая частота принята в качестве стандартной для энергетических установок России. Переменный ток нашел самое широкое применение в электрической энергетике всего мира благодаря ряду своих преимуществ — величина напряжения переменного тока легко изменяется с помощью трансформаторов, в которых не имеется вращающихся частей, электрические машины переменного тока много проще, дешевле и надежнее машин постоянного тока.
Для получения в замкнутой электрической цепи переменного тока созданы источники электрической энергии, индуктирующие переменную электродвижущую силу. Они получили название генераторов переменного тока. Генераторы переменного тока, так же как и генераторы постоянного тока, основаны на использовании явления электромагнитной индукции. Поэтому в устройстве этих генераторов тока много общего. Генератор переменного тока имеет магнитную систему для создания магнитного поля и проводники, в которых индуктируется электродвижущая сила, когда при своем движении они пересекают магнитный поток (рис. 151).

Рис. 151. Простейший генератор переменного тока

В простейшем генераторе переменного тока проводники, выполненные в виде рамки, соединены своими концами с контактными кольцами. Кольца вращаются вместе с рамкой, по их поверхности скользят щетки, соединяющие генератор со внешней цепью. Сравнивая простейшие генераторы (см. рис. 132 и 151) двух видов тока,  легко видеть, что их основное отличие состоит в том, что коллектор генератора постоянного тока в генераторе переменного тока заменен контактными кольцами. Для индуктирования электродвижущей силы приведем рамку во вращение с постоянной скоростью от постороннего источника механической энергии. Возникающие в обеих рабочих сторонах рамки А и Б электродвижущие силы действуют согласно и суммируются в общую э. д. с. рамки. Как и в простейшем генераторе постоянного тока, схема работы которого показана на рис. 133, в рамке индуктируется периодически изменяющаяся по величине и направлению электродвижущая сила. Если к щеткам присоединить замкнутую внешнюю электрическую цепь с резистором нагрузки RH, то под действием электродвижущей силы в ней будет проходить электрический ток.
При горизонтальном положении рамки ее рабочие стороны А и Б как бы скользят вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их, поэтому э. д. с. и сила тока в цепи имеют нулевое значение  (рис.   152, а).

Рис. 152. Схема работы генератора переменного тока

По мере поворота рамки э. д. с. и ток будут непрерывно увеличиваться до максимальных значений при вертикальном положении рамки (рис. 152, б) и вновь примут нулевые значения при угле поворота рамки 180° от первоначального положения (рис. 152, в). Во внешней цепи в этот полупериод ток проходил от щетки 2 к щетке /. При дальнейшем повороте рамки направление индуктируемой э. д. с. в каждой ее рабочей стороне меняется на обратное (рис. 152, г), и ток во внешней цепи во втором полупериоде проходит уже от щетки 1 к щетке 2, т. е. в обратном направлении. После прохождения горизонтального положения (рис. 152, д) цикл изменения э. д. с. и тока полностью повторится. Изменение э. д. с. и тока во внешней цепи иллюстрируется графиком, представленным на рис. 152. Если в первом полупериоде считать значения э. д. с. и тока положительными, то во втором полупериоде они
примут отрицательные значения. Таким образом, полный цикл изменения э. д. с. в рамке, равный по времени периоду Т, совершается за один полный ее оборот. Следовательно, частота переменного тока, вырабатываемого двухполюсным генератором, равна частоте вращения якоря с рамкой, измеренной в оборотах в секунду. При увеличении числа пар полюсов в генераторе пропорционально возрастает число полных циклов изменения переменного тока за один оборот якоря. Поэтому частота вырабатываемого генератором переменного тока определяется по формуле

f = np,

где n — частота  вращения  якоря, об/с;
р — число пар полюсов магнитной системы генератора.

Показанная на  рис. 152 кривая изменения э. д. с. и тока представляет собой синусоиду, так как она  является графическим изображением тригонометрической величины, называемой синусом. Электродвижущая сила, напряжение, ток, изменяющиеся по такому закону, называются синусоидальными. Основными условиями получения синусоидальных характеристик переменного тока являются однородность (равномерность) магнитного поля генератора и постоянство частоты вращения проводников, в которых эта электродвижущая сила индуктируется.
В генераторах переменного тока большой мощности, так же как и в генераторах постоянного тока, используются электромагниты для создания сильного магнитного поля. Обмотка, в которой индуктируется э. д. с, имеет большое число проводников, соединенных по определенной схеме. Для создания э. д. с. магнитный поток должен пересекать проводник, при этом безразлично, будет ли перемещаться проводник или магнит. Это позволяет обмотку, в которой индуктируется э. д. С:, располагать на неподвижной части генератора переменного тока. Во вращение приводятся полюсы с обмоткой возбуждения. Внешняя цепь генератора присоединяется к неподвижным выводам его обмоток с помощью контактных болтов. Поэтому отпадает необходимость в использовании скользящих контактов (контактные кольца — щетки) в силовой цепи. Контактные кольца и щетки применяются лишь для подвода электрического тока к вращающейся обмотке возбуждения генератора. Мощность, требующаяся для возбуждения, во много раз меньше мощности  генератора.  Поэтому осуществить подвод тока с помощью скользящих контактов в обмотку возбуждения несравненно проще. Контактные кольца и щеточный аппарат в этом случае невелики по размерам, массе, надежны в работе.
Генераторы переменного тока большой мощности, в том числе и тяговые генераторы тепловозов, изготавливаются исключительно с вращающимися обмотками возбуждения. Небольшие генераторы переменного тока, где токосъем не представляет трудностей, часто выполняются с вращающейся якорной обмоткой и неподвижным индуктором. Такие генераторы переменного тока называют машинами обращенного типа. В электрических машинах переменного тока вращающуюся часть называют ротором, а неподвижную часть — статором (От латинских  слов rotare — вращаю и stator — стоящий неподвижно).
На практике наиболее широкое применение получил трехфазный электрический ток. Трехфазные генераторы имеют три    самостоятельные  обмотки  I -III, расположенные по окружности одна относительно другой под углом 120° (рис. 153).

Рис. 153. Схема электрического генератора трехфазного тока

При вращении ротора, являющегося электромагнитом, в обмотках индуктируются переменные э. д. с. (рис. 154), сдвинутые по фазе (во времени) на 1/3 периода. Каждую из обмоток трехфазного генератора можно рассматривать в качестве однофазного генератора, питающего переменным током I1 – I3 свою внешнюю цепь с резисторами R1—R3 (см. рис. 153). Обмотка вместе с внешней цепью получила название фазы (От  греческого   слова   phasis   —   появление).
Число проводов, соединяющих трехфазный генератор с внешними нагрузками, можно сократить, если три обратных провода от потребителей энергии к генератору заменить одним, как это показано на рис. 155, а. Теперь по общему проводу к генератору будут проходить токи всех трех фаз. Соединение обмоток трехфазного генератора, при котором их концы соединены между собой, принято называть соединением звездой. Три провода, соединяющих начало каждой обмотки генератора с потребителями, называют линейными, именно по ним идет передача электроэнергии.

Рис. 154. Изменение эдс, индуктируемой в фазах трехфазного генератора

Провод, соединяющий общие концы обмоток генератора и потребителя, называют нулевым. Если нагрузка всех трех фаз полностью одинакова, то суммарный ток в нулевом проводе будет равен нулю. В применении этого провода нет необходимости, и, убрав его, получим соединение  фаз  звездой  без  нулевого  провода. В отсутствии тока в нулевом проводе легко убедиться, сложив алгебраические значения трех синусоидальных токов, сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов. Это можно сделать и с помощью рис. 154, если представить, что на нем изображены кривые изменения тока в фазах генератора. Нулевой провод будет пропускать ток при неравномерной нагрузке фаз.
Напряжение Uд между линейными проводами принято называть линейным напряжением, а напряжение на каждой фазе Uф — фазовым напряжением. Токи  в каждой фазе одновременно являются и линейными токами.
Существует и другой способ соединения обмоток генератора и потребителей, называемый треугольником (рис. 155, б). В этом случае фазовое и линейное напряжения равны, а ток в линейном проводе больше тока в фазе и при одинаковой нагрузке фаз. При соединении обмоток треугольником отпадает необходимость в применении нулевого провода.

Рис. 155. Соединение обмоток трехфазного генератора и потребителей электрической энергии:
а звездой; б - треугольником.

Таким образом, применение трехфазного тока вместо однофазного позволяет сократить число проводов и затраты цветного металла для их изготовления. Кроме того, трехфазный ток дает возможность получить вращающееся магнитное поле в двигателях, на основе которого созданы простые по конструкции асинхронные  электродвигатели.
Трехфазный ток имеет и еще одно важное преимущество. При выпрямлении однофазного тока получаемое па выходе из выпрямителя напряжение имеет пульсацию от нулевых до максимальных значений (если не применяется специальных сглаживающих устройств). Происходит это потому, что напряжение однофазного источника переменного тока в течение каждого периода принимает дважды нулевое и максимальное значения. Вследствие сдвига по времени фаз изменения трехфазного тока на 1/3 периода после его выпрямления колебания напряжения составляют лишь около 8%. Об этом подробнее рассказано ниже при описании работы выпрямителей. Снижение пульсации выпрямленного тока генератора улучшает условия работы питающихся от него электродвигателей постоянного тока — предупреждается нарушение коммутации, уменьшаются потери энергии в двигателе. Поэтому тяговые генераторы переменного тока выполняются многофазными. Так, тяговый генератор тепловоза 2ТЭ116, конструкция которого рассмотрена ниже, имеет в статоре две независимые трехфазные обмотки. Оси обмоток сдвинуты одна относительно другой, и генератор получается как бы шестифазным. Пульсация выпрямленного напряжения генератора и тока в силовой цепи тепловоза лежит в пределах 4—5%, практически не оказывая влияния на работу тяговых электродвигателей. Благодаря этому отпадает необходимость в применении на тепловозах с генераторами переменного тока сложных сглаживающих устройств.

СИНХРОННЫЙ  ТЯГОВЫЙ   ГЕНЕРАТОР

Частота переменной э. д. с, индуктируемой в рассмотренных выше генераторах переменного тока, строго пропорциональна частоте вращения ротора, поэтому такие генераторы называют синхронными (От  греческого   слова   synchronos —   одновременный). Рассмотрим устройство синхронного тягового генератора тепловоза 2ТЭ116 (рис. 156).

Рис. 156. Синхронный тяговый генератор тепловоза 2ТЭ116 (продольный разрез)

Станина генератора сварная, в ней установлен сердечник из сегментных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы стянуты нажимными шайбами и болтами. В пазы сердечника уложена двухслойная волновая обмотка из медного изолированного провода сечением 2,1 X 9,3 мм. В пазах обмотка удерживается пластмассовыми клиньями, лобовые части обмотки укреплены колодками на изолирующих кольцах. Обмотка статора соединена в две независимых звезды, поэтому имеет шесть выводов фаз и два вывода от нулевых точек, к которым присоединяется гибкими проводами внешняя цепь тягового генератора (выпрямительная установка и тяговые электродвигатели).
Корпус ротора генератора также сварной, выполнен по типу корпуса якоря тепловозных генераторов постоянного тока. На корпусе нашихтован магнитопровод из листовой стали с пазами в виде ласточкина хвоста для крепления 12 полюсов магнитной системы. Сердечники полюсов набраны  из листовой стали,  стянуты нажимными шайбами и шпильками с гайками. Катушки полюсов выполнены из шинной меди сечением 1,35 х 25 мм и закреплены на полюсах с помощью заливки изолирующим эпоксидным компаундом. От выбрасывания центробежными силами катушки удерживаются полюсными башмаками. Все катушки полюсов соединены последовательно. Начало и конец обмотки возбуждения генератора (полюсов) присоединены к контактным кольцам, насаженным на изолирующей пластмассе на корпус ротора. По контактным кольцам скользят электрографитовые щетки, установленные в латунных щеткодержателях.
С их помощью обмотка возбуждения синхронного тягового генератора получает питание током от возбудителя.
Кроме того, в специальных пазах полюсных башмаков уложены стержни диаметром 12 мм, образующие вместе с соединительными дугами успокоительную (демпферную) обмотку, улучшающую работу генератора при переходных режимах.
Своим укороченным валом ротор опирается на сферический роликовый подшипник, установленный в съемной капсуле подшипникового щита. Второй конец ротора с помощью фланца и муфты соединен с коленчатым валом дизеля.
Активная мощность тягового генератора тепловоза 2ТЭ116 составляет 2190 кВт при номинальной частоте вращения ротора  n = 1000 об/мин.      На  этом режиме частота вырабатываемого переменного   тока генератором,  имеющим    шесть  пар  полюсов, составляет

Рассматривая принцип действия и устройство синхронных генераторов, мы видим, что в них нет коллектора, добавочных полюсов, сложного и громоздкого щеточного аппарата. В машинах переменного тока электромагнитная нагрузка не ограничивается коммутацией и может быть повышена, обеспечивая дополнительное снижение массы. Как же отразились эти преимущества на реальных технических показателях синхронных генераторов?
Масса генератора переменного тока ГС-501А для тепловозов 2ТЭ116 составляет 6 т, а постоянного тока для тепловозов 2ТЭ10Л — 9 т при одинаковой мощности дизелей этих тепловозов 2210 кВт (3000 л. с).
Следовательно, переход на генератор переменного тока обеспечил снижение массы, расхода металла на 3 т. Правда, при этом необходимо иметь в виду, что номинальная частота вращения ротора генератора на тепловозах 2ТЭ116 составляет 1000 об/мин против 850 об/мин на тепловозах 2ТЭ10Л, что также способствует снижению массы генератора.
Отечественной электротехнической промышленностью были разработаны для перспективных локомотивов с силовыми установками мощностью 2940 кВт (4000 л. с.) генераторы постоянного тока ГП-313Б и переменного тока ГС-504.  При  одинаковой частоте вращения 1000 об/мин, мощности генераторов ГП-313Б и ГС-504 соответственно 2700 и 2750 кВт масса их меди составляет 1907 и 860 кг, а стали 3032 и 2534 кг. Таким образом, генератор переменного тока оказался на 1500 кг легче; для его изготовления затрачивается меньше на 1047 кг дорогой дефицитной меди.
Повышенная эксплуатационная надежность тяговых генераторов переменного тока обеспечила увеличение в 1,5 — 2 раза срока службы между ремонтами по сравнению с генераторами постоянного тока при одновременном снижении общей стоимости обслуживания и ремонтов. Тяговые генераторы тепловозов постоянного и переменного тока имеют близкие по величине коэффициенты полезного действия, достигающие 0,94—0,95 на номинальном режиме.
К числу недостатков тяговых генераторов переменного тока относится необходимость применения на тепловозах выпрямительных установок и стартерных электродвигателей (синхронные генераторы тепловозов не приспособлены для работы в двигательном режиме для пуска дизеля). Однако масса генератора переменного тока и выпрямителя остается меньше массы генератора постоянного тока. Стартерный двигатель при работе дизеля используется в качестве вспомогательного генератора постоянного тока. Надежность работы выпрямительных установок весьма высокая, практически они не требуют ремонта, кроме замены полупроводниковых вентилей в случае повреждения.

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