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.

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

ТОКОПРИЕМНИКИ

Силовая цепь электровоза (см. рис. 9) соединяется через токоприемник с контактной сетью, в которую поступает электрическая энергия от тяговой подстанции. Контакт между токоприемником и контактным проводом осуществляется не в одной постоянной точке, как в стационарных установках; точка контакта перемещается вдоль провода вместе с локомотивом.
Основным условием надежной работы токоприемника, или, как говорят специалисты, высокого качества токосъема, является прежде всего постоянство нажатия токоприемника на контактный провод. Разумеется, чем больше нажатие, тем надежней скользящий контакт. Но, с другой стороны, большое нажатие увеличивает механический износ провода и контактного устройства токоприемника (в действительности контактный провод расположен в плане не по оси пути, а зигзагообразно, что обеспечивает равномерный износ рабочих поверхностей полоза токоприемника по всей его длине. Поэтому токоприемник относительно контактного провода перемещается еще и в поперечном направлении).
В то же время чрезмерно малое нажатие приводит к искрению и даже к образованию электрической дуги, что вызывает электрический износ контактных поверхностей прово­дов и токоприемника и возникновение помех в различных линиях связи.
В соответствии с Правилами технической эксплуатации железных дорог нормальная высота подвески контактного провода над уровнем головки рельса принята равной 6600 мм на станциях и 6250 мм на перегонах. В исключительных случаях это расстояние в пределах искусственных сооружений, расположенных на путях станций, а также на перегонах с разрешения Министерства путей сообщения (МПС) может быть уменьшено до 5675 мм на участках переменного тока и до 5550 мм при постоянном токе. Высота подвески контактного провода во всех случаях не должна превышать 6800 мм. Следовательно, в самых неблагоприятных условиях токоприемник должен опускаться или подниматься на 6800 — 5500 = 1250 мм, обеспечивая при этом постоянный электрический контакт с проводом. Кроме того, чтобы создать безопасные условия для персонала, производящего осмотр или ремонт электровоза, необходимо иметь возможность опускать и вновь поднимать токоприемник до соприкосновения с контактным проводом.
Рассмотрим одну из конструкций токоприемника электровоза постоянного тока (рис. 27, а).

Чтобы поднять токоприемник, машинист с помощью специального аппарата (клапана токоприемника) открывает доступ сжатому воздуху в цилиндр (рис. 27, б). Поршень цилиндра, перемещаясь в крайнее левое положение, штоком поворачивает рычаг, с которым связана тяга и опускающая пружина. Тяга, перемещаясь влево, отходит от фасонного кронштейна, и две растянутые поднимающие пружины поднимают нижнюю и верхнюю рамы, связанные шарнирно. Профиль фасонного кронштейна обеспечивает вначале быстрый подъем токоприемника, а в конце медленный для мягкого соприкосновения его с проводом.
Для того чтобы опустить токоприемник, цилиндр, наполненный воздухом, сообщают с атмосферой. Тогда опускающая пружина, которая была сжата при подъеме токоприемника под действием поршня и рычага, разжавшись, переместит поршень в крайнее правое положение и одновременно через тягу с роликом воздействует на фасонный кронштейн. Главные валы под действием усилия, приложенного к этому кронштейну, и силы тяжести подвижной части, преодолев сопротивление поднимающих пружин, повернутся и токоприемник опустится.
Вначале токоприемник должен опускаться очень быстро, чтобы разорвать электрическую дугу, которая может образоваться при отрыве полозов от контактного провода, а затем медленно, чтобы рама плавно (без удара) опустилась на амортизаторы. Это обеспечивается соответствующим очертанием фасонного кронштейна и быстрым выпуском сжатого воздуха из цилиндра в начальный период. В некоторых конструкциях токоприемников вместо фасонного кронштейна используют редуктор, который изменяет давление сжатого воздуха, поступающего в цилиндр или выходящего из него, в зависимости от положения рам.
Основание токоприемника устанавливают на изоляторах. Обычно на электровозах имеется два электрически соединенных токоприемника. Как правило, в процессе работы поднят задний из них по направлению движения локомотива.
Полозы токоприемника специальным механизмом, называемым кареткой (см. рис. 27, б), крепят к раме. Каретки предназначены для улучшения токосъема при проходе точек, где крепится контактный провод (жесткие точки), обеспечения упругости полозов в горизонтальном направлении и равномерного распределения нажатия между ними. Для этого применены пружины и шарнирные соединения.
К рабочим поверхностям полозов крепят сменные контактные пластины — контактные вставки или накладки. Они должны иметь малое электрическое сопротивление, быть износостойкими и по возможности меньше изнашивать контактный провод. В современных токоприемниках применяют угольные вставки, медные и металлокерамические накладки.
Нажатие полозов токоприемника на контактный провод в среднем составляет 98—128 Н (10—13 кгс). Качество токосъема будет высоким, если нажатие полозов на контактный провод независимо от высоты его подвески не изменяется. Это обеспечивается применением шариковых и игольчатых подшипников, снижением массы подвижных частей путем использования прочных тонкостенных труб.