Пособие по изучению электрических цепей,
электромагнитных реле и тяговых двигателей вагонов метрополитена
Глава 4
ТЯГОВЫЕ
ДВИГАТЕЛИ
На вагонах метрополитена применяются тяговые двигатели постоянного тока. Такие двигатели обладают хорошими тяговыми характеристиками, сравнительно просты по конструкции и надежны в эксплуатации.
Двигатели – самовентилируемые, защищенного типа, с последовательным возбуждением. Они могут работать как электродвигатели или генераторы. В первом случае электрическая энергия, потребляемая от контактной сети, преобразуется в механическую, развивая при этом вращающий момент на валу двигателя. Во втором случае двигатель преобразует приведенную к валу механическую энергию от вращения колесных пар в электрическую.
Тяговый двигатель состоит из остова, главных и дополнительных полюсов, якоря, подшипниковых щитов, кронштейнов со щеткодержателями и щетками, вентилятора. Двигатель жестко крепится к поперечной балке рамы тележки (рис. 88). Технические характеристики двигателей для вагонов типа Д, Е и Ем приведены в табл. 5.
Тяговый двигатель ДК-104 вагона типа Д
Остов двигателя выполнен из электромагнитной стали, имеет цилиндрическую форму и служит магнитопроводом. Остов имеет три прилива для крепления к раме тележки и два предохранительных, удерживающих двигатель на оси в случае его обрыва.
Внутри остов расточен под один диаметр и покрыт серой эмалью, кроме посадочных поверхностей, предназначенных для полюсов, снаружи – асфальтовым лаком. В остове имеются отверстия для ввода кабелей и для крепления главных и дополнительных полюсов, вентиляционные и коллекторные люки.
К остову крепится паспортная табличка, в которой указывается завод-изготовитель, масса, заводской номер, ток, число оборотов, мощность и напряжение.
Главные полюса предназначены для создания основного магнитного потока. Каждый полюс состоит из сердечника и катушки. Сердечник собран из листовой электротехнической стали Ст2 толщиной 1,5 мм. Листы боковин сердечника имеют толщину 5 мм. Собранный сердечник сжимается под прессом и скрепляется четырьмя заклепочными стержнями. Катушка главного полюса имеет два слоя витков, намотанных из шинной меди плашмя: первый слой 20 витков, второй – 13.
Между витками проложены слои асбеста, толщиной 0,30–0,35 мм, а между ними миканитовая прокладка. Внешняя оплетка катушки состоит из трех слоев: асбестовый, слюдяной и киперный. Пустоты заполняются специальной мастикой. Компаундированные катушки насаживаются на сердечник в горячем состоянии. Главные полюса крепятся к остову тремя шпильками, которые ввертываются в тело сердечника.
Дополнительные полюса предназначены для создания дополнительного магнитного потока, который уменьшает реакцию якоря и улучшает коммутацию двигателя, так как магнитным полем в коммутирующих витках наводится ЭДС, направленная против реактивной ЭДС.
Дополнительный полюс состоит из сердечника и катушки. Сердечник изготовляется литым из стали 40 и крепится к остову тремя болтами. Между остовом и сердечником для меньшего рассеивания магнитного потока и улучшения коммутации прокладывается латунная пластина толщиной 0,5 мм. Катушка полюса, имеющая 21 виток, наматывается из шинной меди на ребро.
Изолируется она как катушка главного полюса. Все катушки дополнительных полюсов соединены последовательно между собой и обмоткой якоря. Такое соединение способствует автоматической компенсации реактивной ЭДС при изменении режимов работы двигателя, т. е. увеличивается ток, проходящий через обмотку якоря. При этом автоматически увеличивается магнитный поток дополнительных полюсов (рис. 89).
Якорь двигателя представляет цилиндр, собранный из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при пересечении якорем магнитного потока главных полюсов, листы покрываются специальным лаком. Листы имеют пазы для укладки обмотки якоря, 24 вентиляционных отверстия и отверстия для посадки па вал. Собранные листы прессуются между двумя нажимными шайбами усилием 18–20 тс (рис. 90).
Для точного совпадения отверстий и пазов, а также чтобы сердечник не проворачивался, листы сажаются на шпонку.
Сердечник имеет 47 пазов, в которые укладываются секции обмотки якоря. Каждая секция имеет две активные и две лобовые части и состоит из трех проводников, выполненных из шинной меди (рис. 91). В каждый паз укладывается по две секции (рис. 92). Проводники секции изолированы друг от друга и заизолированы вместе. Для изоляции применяется бумажная слюдяная лента, микошелк, стеклянная лента и гибкий миканит. После укладки в пазы секции пропитываются асфальтовым и бакелитовым лаком.
Чтобы обмотка якоря не выпадала из пазов, она закрепляется проволочным бандажом, который после намотки пропаивается оловом. Двигатель ДК-104 имеет волновую обмотку: к концу одной секции присоединяется начало другой. При волновой обмотке параллельные ветви проходят под всеми полюсами, поэтому токи, индуктированные в каждой из них, будут одинаковы. Для повышения вращающегося момента в тяговом режиме и для создания ЭДС в генераторном режиме проводники секций соединяются через коллекторные пластины так, чтобы все секции одновременно участвовали в создании момента или ЭДС (рис. 93).
Вал якоря выполнен из углеродистой стали 45. Для посадки деталей вал имеет разные диаметры. Кроме железа якоря на вал усилием 2–3 тс прессуется стальная втулка вентилятора и коллектор усилием 4–15 тс. В горячем состоянии насаживаются подшипниковые втулки и внутренние кольца подшипников.
Коллектор состоит из стальной литой коробки, в которой собраны медные коллекторные пластины, зажатые при помощи нажимной шайбы и гайки. При сборке коллектора на коллекторную коробку надевается миканитовый конус. Собранный комплект коллекторных пластин укладывается на миканитовый цилиндр, затем накладывается нажимная шайба с надетым миканитовым конусом.
Все детали зажимаются гайкой. Собранный коллектор трижды нагревается в печи и после каждого нагрева до 160° гайка затягивается. После третьего нагрева производится разгон горячего коллектора в 2–2,5 раза быстрее номинального в течение 15–20 мин. При этом происходит полное уплотнение изоляции между коллекторными пластинами, миканитового цилиндра и миканитовых конусов. Коллектор насаживается на вал прессовой посадкой и фиксируется шпонкой (рис. 94).
Вентилятор состоит из стальной втулки и силуминовой крыльчатки, скрепленных восемью заклепками. Лопатки крыльчатки расположены радиально для выброса воздуха в одном направлении. Вентилятор вращается вместе с якорем двигателя, создавая в нем разряжение. Потоки воздуха засасываются внутрь двигателя через отверстия со стороны коллектора. Часть воздушного потока омывает якорь, главный и дополнительные полюса, другая – проходит внутри коллектора и якоря по вентиляционным каналам. Воздух выталкивается наружу со стороны вентилятора через люк остова.
Вентиляция двигателя необходима, так как с повышением температуры нагрева его обмоток снижается мощность двигателя. допустимый нагрев +120°.
Щетки. Для тяговых двигателей применяются электрографитированные щетки марки ЭГ-2А, размером 16х32х40 мм, с медным плетеным шунтом, которые служат для соединения коллектора двигателя с силовой цепью вагона. Они должны иметь надежный контакт с коллекторными пластинами.
Контакт достигается при помощи нажимного устройства щеткодержателя, которое состоит из нажимных пальцев и регулируемых спиральных пружин, создающих давление щеток на коллектор через припаянные к их концам пальцы. Давление на щетку не должно превышать 2,0–2,5 кг, а в эксплуатации не менее 1,5 кг. Максимальная высота щетки 28 мм.
Корпус щеткодержателя крепится при помощи двух пальцев-шпилек к подшипниковому щиту. Пальцы запрессованы в кронштейн через стальную втулку. Кронштейны от корпуса щеткодержателя и подшипникового щита изолированы фарфоровыми изоляторами (рис. 95).
Подшипниковые щиты. В щитах установлены роликовые подшипники: со стороны коллектора –упорный, со стороны передачи – свободный. Наружное кольцо подшипника со стороны коллектора упирается в прилив подшипникового щита. Свободный подшипник позволяет валу якоря удлиняться при нагреве.
Чтобы смазка не выбрасывалась из смазочных камер, применяется гидравлическое уплотнение. Вязкая смазка, попав в небольшой зазор между вращающейся и неподвижной деталью, под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам лабиринта, где самой смазкой создаются гидравлические перегородки.
Подшипниковые щиты (рис. 96) имеют приливы с выточенными канавками. На вал якоря, со стороны коллектора, насажена втулка с канавками. На вентиляционной втулке со стороны вентилятора также проточены канавки. Между втулкой и подшипниковым щитом имеется зазор 0,3–0,4 мм. При монтаже канавки промазываются густой смазкой.
Модернизация тяговых двигателей ДК-104Г
В связи с разрушением изоляции и нарушением коммутации у тяговых двигателей па заводе «Динамо» производится полный ремонт. Заменяются коллекторные пластины, усиливается изоляция обмоток якоря, главных и дополнительных полюсов.
При ремонте остов очищается от старой краски, проверяются все габаритные размеры. Особое внимание обращается на приливы для консольной подвески двигателя к раме тележки. Внутренняя поверхность остова окрашивается серой электроэмалью, кроме посадочных мест для главных и дополнительных полюсов. Снаружи остов окрашивается черным асфальтовым лаком.
У главных полюсов снимаются катушки, в сердечниках фрезеруются квадратные отверстия, в которые вставляются металлические стержни (рис. 97). В этих стержнях имеются отверстия для крепящих болтов. Такое крепление полюса к остову позволяет производить замену катушек и полюса, не разрушая листов сердечника. У катушек полюсов производится замена изоляции па кремнийорганическую. При компаундировании катушек применяются специальные пропиточные лаки.
Насадка катушек на сердечники производится в холодном состоянии. Полюса к остову крепятся тремя болтами. Перед затяжкой болтов по полюсным катушкам пропускается ток 320 А для нагрева катушек. При нагреве до 100° болты затягиваются и проверяется плотность прилегания полюсов к остову. Зазора не должно быть.
У катушек дополнительных полюсов производится замена изоляции на кремнийорганическую. Компаундирование катушек не производится. Дополнительный полюс к остову крепится тремя болтами.
С вала якоря снимается коллектор и обмотка якоря. Коллектор полностью разбирается, заменяется изоляция и пластины. Новый коллектор напрессовывается на вал усилием от 4 до 15 тс. Производится продорожка, испытание на пробой напряжением 6000 В, на отсутствие короткого замыкания между пластинами напряжением 400 В, разгон коллектора с частотой вращения 5000 об/мин. Окончательная сила запрессовки коллекторных пластин 28–30 тс. Динамическая балансировка коллектора производится путем приварки груза к нажимной шайбе.
У обмотки якоря заменяется изоляция на кремнийорганическую; витковая изоляция – стекловолокно толщиной 0,27 мм, пазовая часть – стекломикалента 0,15 мм, стеклолента 0,08 мм, лобовые части – стекломикалента 0,08x20 мм, изоляция паза –стеклоткань 0,15 мм. После укладки обмотки в пазы якорь пропитывают два раза, сушат и красят. Динамическую балансировку якоря проводят после укладки обмотки в пазы до насадки вентилятора. Дополнительный груз приваривается к нажимной шайбе со стороны вентилятора.
Вентилятор насаживается на вал усилием 2–8 тс.
После шлифовки коллектора и окончательной отделки якоря производится испытание на замыкание между витками 10–20 В на виток в течение 1–3 с переменным током повышенной частоты. На пробой изоляция испытывается напряжением 3200 В в течение 1 мин током нормальной частоты.
Собранный двигатель испытывается на стенде (рис. 98).
Тяговый двигатель ДК-108 вагонов типа Е и Ем
Остов двигателя имеет цилиндрическую форму. Три прилива служат для жесткого крепления остова к раме тележки и два предохранительных. Диаметр остова 877 мм.
Из остова двигателя выходят шесть кабелей: Я и ЯЯ, К и КК, Н и НН (рис. 99).
Главные полюса предназначены для создания рабочего и дополнительного магнитного потока. Главный полюс состоит из сердечника и катушки. Сердечник собирается из листовой электротехнической стали Ст2. Листы толщиной 1,5 мм прессуются между двумя боковинами толщиной 5 мм и скрепляются заклепками.
Катушка сердечника имеет три слоя. Первый слой (начиная отсчет от остова) имеет 530 витков, намотанных медным проводом диаметром 0,57 мм. Он создает дополнительный магнитный поток при работе двигателя в генераторном режиме. Витки включены параллельно обмоткам двух других катушек и получают питание от высоковольтной цени через автоматический выключатель, предохранитель и контактор ТШ. Второй и третий слои витков соединены последовательно и предназначены для создания основного рабочего магнитного потока в тяговом и тормозном режимах.
Все 30 витков намотаны из шинной меди плашмя (сечение проводника 1,81х22,0). Изоляция катушек кремнийорганическая, допускающая перегрев обмотки на 50°. Катушки второго и третьего слоя проходят компаундирование, насаживаются на сердечники в холодном состоянии, по перед затяжкой болтов их нагревают до 100° током 200 А.
Полюс крепится к сердечнику двумя болтами, которые ввертываются в квадратный стержень, расположенный в теле сердечника (рис. 100).
Дополнительные полюса предназначены для создания дополнительного магнитного потока, который улучшает коммутацию и уменьшает реакцию якоря. Полюс состоит из катушки и сердечника. Сердечник – стальная отливка из стали 25Л1. Катушка выполнена из медной ленты 2,26х22, намотанной на ребро, имеет 26 витков. Изоляция катушки кремнийорганическая. Сердечник крепится к остову двумя болтами. Между полюсом и остовом для уменьшения рассеивания магнитного потока устанавливается латунная прокладка (рис. 101).
Якорь двигателя состоит из сердечника и обмотки. Сердечник выполнен из штампованных лакированных листов электротехнической стали Э-12 толщиной 5 мм. В каждом листе выштампованы 24 вентиляционных отверстия, расположенных в два ряда, отверстие со шпоночной канавкой для насадки на вал и 35 пазов. В верхней части пазы имеют форму ласточкина хвоста, остальная часть паза прямоугольная (рис. 102).
Штампованные листы сердечника собираются на вал и фиксируются шпонкой. Количество листов может изменяться в зависимости от длины сердечника. Листы прессуются между двумя нажимными шайбами. Секции обмотки якоря укладываются по две в паз сердечника (рис. 103).
Секция имеет две активные пазовые части и две лобовые. Каждая секция состоит из пяти проводников, выполненных из медной ленты размером 1,35x10 мм (рис. 104).
Изоляция проводников и секций кремнийорганическая. После укладки секций в пазы якорь пропитывают. Чтобы предупредить выпадание секций из пазов, в пазовую часть закладываются текстолитовые клинья, а в передней и задней части обмотка якоря укрепляется проволочными бандажами (рис. 105).
Вал якоря выполнен из стали 45, имеет предел прочности 70 кгс/мм2, относительное удлинение 16% и относительное сжатие до 40%. После специальной термической обработки вал проходит дефектоскопию на отсутствие трещин. На конце вала (в торце) ставится клеймо дефектоскопии Д и ОТК о проведенном контроле размеров вала. Вал имеет разные посадочные диаметры. На вал напрессовываются коллектор усилием 15 тс, вентилятор – усилием 2–8 тс, железо якоря – усилием 22 тс. Внутренние кольца подшипников и подшипниковые втулки насаживаются на вал в горячем состоянии (рис. 106).
Коллектор двигателя состоит из коллекторной коробки, нажимной шайбы, гайки, коллекторных пластин. Пластины изолированы друг от друга миканитовыми прокладками, которые фрезеруются на глубину 1 мм от поверхности коллекторных пластин. От нажимной шайбы и коробки пластины изолированы миканитовым цилиндром и миканитовыми конусами. Подшипниковые щиты, щеткодержатели и щетки имеют такую же конструкцию, как в двигателе ДК-104Г.
Общий вид двигателя ДК-108 показан на рис. 107.
Особенности тягового двигателя ДК-108
1. Уменьшены габаритные размеры.
2. Увеличен зазор между якорем и главными полюсами (у ДК-104 1,5 мм, у ДК-108 3,25 мм). Увеличение воздушного зазора повышает скорость до 26%. При этом увеличивается крутизна характеристики и возрастает ускорение до 1,3 м/с2. При переходе вала реостатного контроллера с одной позиции на другую уменьшаются броски тока, а также уменьшается расход электроэнергии.
3. Двигатель имеет дополнительную обмотку, которая питается от высокого напряжения только на тормозных режимах. Эта подмагничивающая обмотка служит для быстрейшего возбуждения двигателя при работе в генераторном режиме, так как из-за увеличения воздушного зазора между якорем и главными полюсами остаточного магнитного потока не хватает для возбуждения двигателя.
4. Применение кремнийорганической изоляции обмотки якоря, главных и дополнительных полюсов повышает надежность работы двигателя.
Принцип работы тяговых двигателей
Работа электродвигателя основана на взаимодействии проводника, по которому протекает ток с магнитным полем. На проводник с током, помещенный в магнитное поле перпендикулярно его направлению, действует электромагнитная сила, которая вызывает перемещение проводника в определенном направлении.
Она образуется от механической силы, возникающей между электронами, проходящими по проводнику, и магнитным полем. Эти механические силы складываются и образовавшаяся результирующая сила будет выталкивать проводник из магнитного поля. Сила Л действующая на проводник с током в магнитном поле, зависит от магнитной индукции В, тока I и длины проводника l: F = BIl.
Направление силы или движения проводника определяется по правилу левой руки: руку помещают так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца показывали направление тока, тогда большой палец покажет направление движения проводника.
Если поместить в магнитное поле виток с током и расположить его вдоль силовых линий магнита, то, применяя правило левой руки, убедимся, что силы, действующие на проводники, будут направлены в разные стороны. В результате действия этих сил возникает вращающий момент, который вызывает поворот витка.
Электродвигатель имеет несколько витков, последовательно соединенных и расположенных на якоре в виде обмотки. Если пропустить ток через обмотку якоря, то в результате взаимодействия его с магнитным полем главных полюсов возникнут силы, действующие на каждый проводник. При совместном действии этих сил создается вращающий момент на валу двигателя (рис. 108, а).
Принцип работы тяговых двигателей в генераторном режиме
Для остановки состава применяется электрическое торможение, основанное па свойствах обратимости тяговых двигателей в генераторы.
Работа генераторов основана на использовании явлений электромагнитной индукции, т. е. если проводник при своем движении в магнитном поле пересекает магнитные силовые линии, то в проводнике появляется индуктированная ЭДС. Возникновение ЭДС происходит под действием сил магнитного поля на свободные электроны, которые под влиянием магнитных сил начнут двигаться вдоль проводника, создавая на его концах разность потенциалов. Индуктируемая ЭДС Е зависит от магнитной индукции Ф, длины проводника l и скорости перемещения проводника в магнитном поле n: E = СФn.
Направление индуктированной ЭДС определяется правилом правой руки; руку помещают так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, тогда большой палец будет показывать направление движения проводника, а вытянутые четыре пальца покажут направление тока.
Электрическая энергия, вырабатываемая генератором, получается за счет кинетической энергии поезда, т.е. якорь двигателя вращается в магнитном поле от колесных пар через редуктор и карданную муфту. При этом в проводниках обмотки якоря наводится индуктированная ЭДС, а при замыкании внешней цепи (тормозного контура с нагрузкой) по ней пойдет ток.
Для нормальной работы тягового двигателя в генераторном режиме необходимо, чтобы по обмоткам якорей проходил ток в обратном направлении по сравнению с тяговым режимом, а по обмоткам возбуждения – в том же направлении, усиливая остаточный магнитный поток рабочим потоком.
Такое токопрохождение обусловлено работой силовой цепи вагона в тормозном режиме. Двигатели соединяются между собой параллельно с перекрещивающими обмотками возбуждения. При таких условиях схема работает устойчиво и тормозной момент генераторов будет направлен против момента вращения колесных пар, создавая тормозное усилие (рис. 108, б).
Реакция якоря
Воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле главных полюсов называется реакцией якоря.
При прохождении тока по обмоткам якоря в проводниках создается противодействующее магнитное поле, которое будет ослаблять главный магнитный поток. Кроме того, часть обмотки якоря
будет создавать поперечное магнитное поле. Оба этих поля воздействуют на главный поток, смещая его магнитные силовые линии в сторону, обратную направлению вращения. Это приводит к уменьшению общего магнитного потока, смещению нейтральной линии и искрообразованию на коллекторе. Для компенсации реакции якоря устанавливаются дополнительные полюса, магнитный поток которых направлен против магнитного потока якоря, что ослабляет вредное воздействие реакции якоря (рис. 109).
Коммутация
При работе двигателя между коллекторными пластинами и щетками возникает искрение. Причины искрения бывают электрические и механические. К механическим причинам относятся: слабое давление щеток на коллектор, плохая притирка их по поверхности коллектора, некачественная продорожка и плохо отшлифованная поверхность коллекторных пластин.
Так как щетки разделяют обмотку якоря на несколько параллельных ветвей и при его вращении каждая секция обмотки переходит из одной параллельной ветви в другую, то это сопровождается резким изменением направления тока в секции и замыканием этой секции накоротко щетками.
Если щетка накрывает первую коллекторную пластину, то ток, проходящий через щетку и пластину, разветвляется па две части, протекая по каждой параллельной ветви (рис. 110).
При дальнейшем вращении коллектора щетка перекрывает накоротко коммутирующую секцию, по которой будут проходить равные токи. Когда щетка накрывает вторую коллекторную пластину, ток в коммутируемой секции будет направлен противоположно первоначальному направлению (рис. 110).
Процесс изменения тока за время коммутации в коммутируемой секции происходит от плюса к минусу очень быстро. Поэтому вокруг коммутирующей секции возникает изменяющееся магнитное Поле, которое вызывает ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции.
Действие этих ЭДС в замкнутой накоротко секции создает добавочный ток коммутации, который уменьшает ток на набегающем крае щетки и увеличивает на сбегающем крае. Это изменяет равномерность плотности тока под щетками и вызывает искрение.
Для уменьшения влияния ЭДС самоиндукции в замкнутом витке и коммутационного тока используется магнитное поле дополнительных полюсов. Это поле индуктирует в короткозамкнутых витках ЭДС, направленную против ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции в коммутирующих секциях.
Процесс коммутации определяется по степени искрения под щетками. Оценка степени искрения производится по следующей шкале:
1 – искрения под щетками нет;
1 1/4 – слабое точечное искрение у небольшого числа щеток;
1 1/2 – точечное искрение у половины щеток;
2 – искрение под всеми щетками;
3 – значительное искрение.
При степенях 2 и 3 двигатели к дальнейшей эксплуатации не пригодны.
Основные характеристики тяговых двигателей
Эксплуатационные свойства двигателя характеризуются зависимостями между изменениями отдельных его величин, называемых электромеханическими характеристиками двигателя. Они показывают зависимость скорости вращения вала якоря, вращающего момента на валу и КПД двигателя от тока нагрузки. Характеристики снимаются при испытании двигателя на стенде. Кроме электромеханических характеристик на валу двигателя при тяговых расчетах пользуются кривыми зависимости скорости движения и силы тяги, развиваемой двигателем на ободе колеса.
Вращающий момент
При прохождении тока по обмотке якоря двигателя происходит взаимодействие тока якоря с магнитным потоком обмотки возбуждения. При этом возникает вращающий момент М = IФСМ, где СМ – постоянная величина.
Нагрузкой для двигателя является механическое сопротивление, которое преодолевает состав при движении. При равенстве силы сопротивления и вращающего момента двигателя якорь будет вращаться с постоянной скоростью. В случае перемены нагрузки вращение якоря будет ускоряться или замедляться, что вызовет изменение противоЭДС и вращающего момента, так как изменится ток в якоре. Следовательно, ток в якоре зависит от нагрузки: при увеличении нагрузки ток в якоре возрастает, при уменьшении – снижается.
Электродвижущая сила двигателя
При вращении якоря его проводники пересекают магнитные силовые линии главных полюсов, поэтому в обмотке якоря индуктируется ЭДС. Направление этой ЭДС противоположно направлению тока, протекающего в якоре и определяется по правилу правой руки или по закону Ленца. Такая ЭДС называется противоЭДС или обратной ЭДС двигателя. Она зависит от магнитного потока Ф и скорости вращения якоря n: E = СФn.
Кроме этого, магнитный поток секций замыкается через одни и те же пазы (зубья) якоря и охватывает соседние проводники, лежащие в этих пазах. При этом каждый из потоков при своем изменении наводит не только ЭДС самоиндукции в стороне секции, током которой он создан, но и ЭДС взаимоиндукции во всех остальных проводниках. Полная ЭДС, появляющаяся в секциях обмотки якоря с учетом самоиндукции и взаимоиндукции, называется реактивной ЭДС. Для ее уничтожения применяются дополнительные полюса, магнитный поток которых наводит ЭДС в коммутирующих витках, направленную против реактивной ЭДС.
Сила тока
Сила тока, протекающего через обмотку якоря двигателя при его работе, определяется по формуле I = (U – E) / R, где R – сопротивление.
Частота вращения якоря
Частота вращения якоря определяется но формуле n = (U – IP) / СФ.
Мощность, потребляемая двигателем
Полезная мощность Рп на валу двигателя всегда меньше потребляемой на величину потерь электрических, магнитных и механических: Рп = Р – ΔP, где Р – потребляемая мощность; ΔP – потери мощности.
Мощность, потребляемая двигателем, определяется по формуле P = UI.
Тяговые двигатели в условиях эксплуатации с переменной нагрузкой характеризуются тремя значениями мощности: часовой, длительной и максимальной.
Часовой мощностью называется наибольшая мощность, развиваемая на валу, при которой двигатель с холодного состояния в течение часа достигает предельной температуры.
Длительной называется наибольшая мощность, развиваемая на валу, при которой двигатель может работать 5–6 ч без превышения допустимой температуры нагрева.
Максимальной называется мощность, при которой двигатель может работать короткие промежутки времени без механических деформаций его деталей и появления недопустимой степени искрения.
Коэффициент полезного действия
Отношение полезной мощности на валу двигателя к потребляемой из сети называется коэффициентом полезного действия двигателя, который всегда меньше единицы: η = Рп / P = (P – ΔP) / R.
Полезная мощность на валу двигателя: Pп = Рη =UIη.
Пуск двигателя
В момент пуска скорость вращения якоря двигателя и противоЭДС равны нулю. Пусковой ток при включении неподвижного двигателя можно было бы рассчитать по закону Ома. Но так как обмотка якоря имеет малое сопротивление, то пусковой ток мгновенно достиг бы большего значения и произошло бы разрушение коллектора и пробой обмотки якоря. Для ограничения пускового тока в цепь двигателя вводится дополнительное сопротивление Iп = U / (Rдв + Rдоп).
С момента вращения якоря двигателя в нем возникает ЭДС, которая направлена против приложенного напряжения. Это приводит к уменьшению пускового тока: Iп = (U – E) / (Rдв + Rдоп).
С уменьшением пускового тока уменьшается вращающий момент и созданная этим моментом сила тяги, которая не будет обеспечивать заданного ускорения двигателя. По мере разгона двигателя для сохранения силы тяги и заданного ускорения дополнительные сопротивления выводятся из цепи ступенями. Поэтому пределы колебания тока подбираются такими, чтобы среднее значение его во время пуска соответствовало той силе тяги, при которой двигатель получил бы заданное ускорение.
На вагонах метрополитена сопротивления выводятся автоматически под контролем реле ускорения в зависимости от силы тока тяговых двигателей. После вывода последней ступени сопротивления скорость вращения якоря будет определяться изменением нагрузки, приложенной к валу двигателя. Такое изменение скорости вращения происходит автоматически.
Регулирование частоты вращения якоря двигателя
Частоту вращения якоря можно регулировать изменением дополнительного сопротивления в цепи, подводимого напряжения и магнитного потока главных полюсов.
Изменение сопротивления производится при помощи силовых контакторов реостатного контроллера, которые под контролем реле ускорения «закорачивают» определенные секции сопротивлений (рис. 1 11, а).
С увеличением напряжения частота вращения якоря возрастает, так как напряжение в контактной сети постоянное, то изменить его можно перегруппировкой двигателей. Двигатели переключаются с последовательного соединения на последовательно-параллельное (рис. 111,6). При последовательном соединении напряжение на каждом двигателе моторного вагона: Uдв = Uсети/n (так в тексте), где n – число двигателей моторного вагона.
При последовательно-параллельном соединении групп двигателей напряжение увеличивается: Uдв = Uсети/2 (так в тексте).
Для регулирования частоты вращения якоря двигателя путем изменения магнитного потока применяются секционирование и шунтирование обмоток главных полюсов (рис. 111, в).
Способ секционирования обмоток главных полюсов усложняет технологию изготовления и имеет ограниченное число ступеней ослабления поля. При этом способе обмотка главного полюса разбивается на секции и имеет специальные отводы.
Способ шунтирования обмоток возбуждения применяется на вагонах типа Д, Е, Ем. В этом случае параллельно обмоткам возбуждения подключается сопротивление и индуктивный шунт. Это даст возможность получить несколько ступеней ослабления поля у тяговых двигателей.
Степень ослабления магнитного потока тягового двигателя характеризуется коэффициентом ослабления поля β. При включении индуктивного шунта и резисторов параллельно обмотке возбуждения изменяется ток возбуждения Iв, а число витков главных полюсов остается неизменным. Коэффициент β определяется отношением силы тока в обмотке возбуждения к силе тока якоря Iя: β = Iв / Iя (так в тексте).
При отключении шунтирующей цепи поле у двигателей будет 100%-ным. При включении контактора Ш1 на вагонах типа Д происходит ослабление поля, т. е. 65% тока проходит по обмоткам возбуждения и 35% – по шунтирующей цепи. При включении контактора РК12 происходит ослабление поля: 40% тока будет проходить по обмоткам возбуждения, а 60% – по шунтирующей цепи.
Тяговые двигатели вагонов типа Е и Ем имеют четыре ступени ослабления поля на тяговых и пять –на тормозных режимах. Индуктивный шунт в шунтирующей цепи служит для равномерного распределения тока между обмотками возбуждения и шунтирующей цепью в неустановившихся режимах, т. е. при внезапном исчезновении, повышении или понижении напряжения.
Активное сопротивление обеспечивает заданное токораспределение между обмотками возбуждения и шунтирующей цепью в установившихся режимах работы двигателей.
При увеличении напряжения ток в цепи двигателей быстро растет и в обмотках возбуждения возникает ЭДС самоиндукции, противоположная току возбуждения. Такая же ЭДС возникнет и у индуктивного шунта, обеспечивая равномерное распределение тока по обмоткам возбуждения и индуктивному шунту. Без индуктивного шунта большая часть тока пошла бы через шунтирующее сопротивление, что привело бы к большому ослаблению поля и резкому уменьшению противоЭДС
Это вызвало бы увеличение силы тока в якорях, опасной дли изоляции обмотки, и сильное искрение под щетками с последующим возникновением кругового огня по коллектору.
Изменение направления вращения якорей двигателей
Реверсирование якорей производится изменением направления тока в обмотках возбуждения или в обмотках якорей (рис. 112, а).
При замкнутых контактах В ток по обмоткам возбуждения будет проходить от точки К1 к точке КК1 и от нее через точку КК3 к точке К3. При таком направлении тока происходит движение вагона Вперед. При замкнутых контактах Н ток меняет свое направление по обмоткам возбуждения на обратное. Вагон будет двигаться Назад.
Изменение направления тока в обмотке якорей двигателей применяется на вагонах типа Е и Ем (рис. 112, б).