Безколекторні тягові двигуни
Істотно підвищити силу тяги і швидкість руху неможливо, не збільшивши потужність тягових двигунів електровозів. Але подальше підвищення їх потужності здійснювати все важче і важче. Цьому перешкоджають насамперед розміри тягового двигуна: довжина його обмежена відстанню між бандажами колісних пар, діаметр - відстанню між віссю колісної пари і валом двигуна - централлю Ц (див. Рис. 3). До сих пір при наявності жорстких габаритних обмежень розмірів двигунів потужність їх підвищували, застосовуючи більш теплостійкі ізоляційні матеріали, посилюючи охолодження, збільшуючи число пар полюсів, застосовуючи компенсаційну обмотку, вибираючи оптимальне напруга для тягових двигунів електровозів змінного струму.
З підвищенням потужності двигунів все більш напруженими працює колекторно-щітковий вузол. Його станом значною мірою визначається тривалість роботи електровоза між оглядами і ремонтами. Підвищення потужності колекторних тягових двигунів не сприяє збільшенню їх надійності та к. П. Д. Тому цілком зрозуміле прагнення створити потужний безколекторний тяговий двигун.
Електровози з асинхронними тяговими двигунами. Протягом всієї історії створення та вдосконалення електровозів не раз намагалися використовувати на них найпростіший і дешевий асинхронний двигун. До недавнього часу цього не вдавалося зробити, так як частоту його обертання можна економічно регулювати тільки зміною частоти струму живлення. Застосовувані раніше з цією метою електромашинні перетворювачі були важкими і громіздкими. Поява тиристорів відкрило шлях для створення легкого і надійного перетворювача частоти.
Пристрій асинхронного тягового двигуна, як зазначалося, нескладно. Він має нерухомий статор і обертовий ротор (рис. 126). Розрізняють асинхронні двигуни з короткозамк-нутим ротором і з фазовим ротором. Як тягових використовують асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором. Сердечник такого ротора, як і статора, збирають з листів електротехнічної сталі. Обмотка ротора складається з мідних стрижнів, розташованих в пазах сердечника і замкнутих з торців кільцями. Обмотка являє собою так зване <беличье колесо>.
У пазах статора покладені три обмотки, зсунуті одна відносно іншої на 120 °. Ці обмотки зазвичай з'єднують <звездой> (Рис. 126, а). При включенні обмоток в трифазну ланцюг по кожній з них проходить змінний струм і створюється три змінних магнітних потоку. Потоки, складаючись, утворюють результуючий потік, що обертається з частотою 3000 об / хв при одній парі полюсів на кожну фазу. Обертається магнітний потік статора двигуна, перетинаючи обмотку ротора, наводить в ній е. д. з. Під дією е. д. з. в обмотці ротора проходить струм, що створює власний магнітний потік. Магнітні потоки статора і ротора взаємодіють, в результаті чого ротор починає обертатися.
Мал. 126. Схема (а), статор (б) і ротор (в) асинхронного двигуна
Частота обертання ротора дещо менше частоти обертання магнітного потоку статора, інакше силові лінії не перетинали б обмотку ротора. Різниця цих частот обертання називається ковзанням. Збільшуючи число пар полюсів, можна отримати інші частоти обертання магнітного потоку 1500, 1000, 750 об / хв і т. Д. Частота обертання ротора буде трохи менше цих значень.
Зазвичай ковзання становить 1 - 3% синхронної частоти. Отже, якщо змінювати частоту напруги живлення в широких межах і тим самим синхронну частоту, разом з нею буде змінюватися і частота обертання ротора. Але, крім частоти, необхідно регулювати і напруга, що підводиться до асинхронного двигуна, для того, щоб отримати тягову характеристику, приблизно таку, як при використанні двигунів постійного струму з послідовним збудженням.
Регулювання напруги здійснюється, як і на вітчизняних електровозах змінного струму, перемиканням вторинної обмотки тягового
трансформатора за допомогою головного контролера Г К (рис. 127) ступенями. Потім в випрямної установці В напруга випрямляється і подається на інвертор І. У випрямлячі здійснюється плавне регулювання напруги, що підводиться до инвертору І.
Відкриваючи і закриваючи тиристори інвертора в певній послідовності, отримують трифазну напругу, яка підводиться до обмотки статора асинхронного двигуна АД. Нагадаємо, що до звичайних асинхронних двигунів підводиться перемінна напруга, а отже, і струм, що змінюється синусоидально. При цьому кожна фаза напруги живлення зрушена щодо іншої на 120 ° ел. як показано на рис. 128. Для наочності зміна напруги кожної фази показано на окремих осях. При формуванні трифазного напруги на електровозі з асинхронними двигунами тиристори інвертора створюють напругу ступінчастою форми в кожній фазі. Частота напруги, що підводиться до асинхронного двигуна, регулюється зміною частоти перемикання цих тиристорів.
У инверторе передбачено спеціальний пристрій, надійно відновлює управляючі властивості тиристорів при зриві инвертирования. Реверсування тягових двигунів здійснюють, перемикаючи ланцюги управління тиристорів інвертора, так як для зміни напрямку обертання асинхронного двигуна досить поміняти місцями будь-які дві підводиться фази живильної напруги.
На основі розробок науково-дослідних і навчальних інститутів на Новочеркаському електровозобудівному заводі побудований електровоз змінного струму з асинхронними тяговими двигунами ВЛ80а на базі електровоза ВЛ80к. Потужність кожного тягового двигуна становить 1200 кВт, т. Е. В 1,5 рази більше, ніж колекторного двигуна електровоза ВЛ80к. Один з варіантів (12-вісний, потужність годинного режиму 11400 кВт) електровоза з асинхронними тяговими двигунами отримав позначення вл86ф. Він розроблений у співдружності з фінською фірмою "Стрёмберг".
Електровози з вентильними синхронними двигунами. Як безколекторних тягових двигунів на електровозі можна використовувати і синхронні двигуни зі статичними (вентильними) перетворювачами - так звані вентильні двигуни.
Пояснимо принцип роботи вентильного двигуна. На його статорі розташована трифазна обмотка, а на роторі - обмотка збудження постійного струму (рис. 129). Початок і кінець обмотки порушення з'єднані з двома кільцями, електрично ізольованими одне від іншого. Фазні обмотки статора з'єднані в <звезду>; початку їх підключені до перетворювача - инвертору І (або джерела постійного струму). Інвертор І живиться від випрямляча В, підключеного до вторинної обмотці тягового трансформатора. Якщо, наприклад, в будь-який момент часу відкриті тиристори VS1 і VS5 інвертора, струм від випрямляча В пройде через тиристор VS1, обмотки статора I і //, тиристор KS5, обмотку збудження ОВ і повернеться в випрямляч. При зазначеному стрілками напрямку струму в обмотках I, II і обмотці збудження результуючий магнітний потік статора, взаємодіючи з потоком обмотки збудження, створить крутний момент, і ротор повернеться за годинниковою стрілкою. Перемикаючи в певному порядку висновки обмотки статора, можна забезпечити безперервне обертання ротора.
Мал. 127. Структурна схема електровоза з асинхронними двигунами
Мал. 128. Діаграма фазних напруг асинхронного тягового двигуна
Мал. 129. Принципова схема вентильного двигуна
Таким чином, за принципом дії вентильний двигун подібний машині постійного струму, у якої колектор замінений системою силових керованих вентилів инверторной установки. На відміну від двигуна постійного струму вентильний двигун має тільки три комутованих виведення при трифазній обмотці замість кількох сотень колекторних пластин. Крім того, обмотка збудження в вентильному двигуні стала рухливою, а якір - нерухомим. Вентильна комутація струму в обмотках допускає значне напруження між висновками - до декількох тисяч вольт. Нагадаємо, що звичайний механічний колектор задовільно працює при напрузі між колекторними пластинами не більше 30-32 В (максимальне допустиме 37-42 В). Перемикання висновків обмотки статора в необхідній черговості і відповідно зміна положення ротора здійснює система управління, що має спеціальний датчик положення ротора.
Вентильний двигун є багатофазної машиною, обмотка якоря якої живиться від перетворювача, керованого синхронно з обертанням ротора, забезпеченого обмоткою збудження. Таким чином, вентильний двигун складається з електричної машини, вентильного перетворювача і зв'язує їх системи управління.
Новочеркаським електровозобудівним заводом спочатку був побудований дослідний зразок восьмиосного вантажного електровоза ВЛ80В з вентильними тяговими двигунами. Після випробування його була випущена невелика партія подібних електровозів для експлуатаційних випробувань. Електровози обладнані системою автоматичного управління, що діє в режимах тяги і електричного гальмування. На електровозі застосовано незалежне збудження вентильних двигунів від випрямлячів-збудників, що змінюють струм порушення пропорційно току обмотки якоря двигуна. Ротор двигуна має шість полюсів, ток до обмотці збудження підводиться через два кільця і щітки.
Частота обертання двигуна регулюється зміною напруги, що підводиться. Напруга вторинної обмотки, а отже, і випрямляча регулюється приблизно так само, як і на електровозах змінного струму з колекторними двигунами. Виключено тільки зустрічну включення регульованим і нерегульованим обмоток трансформатора і кілька підвищено їх напруга. Після того як до двигунів буде підведено номінальну напругу, подальше збільшення швидкості здійснюється регулюванням магнітного потоку збудження.
На досвідчених електровозах ВЛ80В схема випрямлення і перетворення струму дещо відрізняється від зображеної на рис. 129. На рис. 129 показані окремо випрямляч В і інвертор І, т. Е. Приведена так звана схема з явним ланкою постійного струму. На електровозі ВЛ80В випрямляч і інвертор суміщені.
Засоби для миття