Якому двигуну віддати перевагу?
Найбільшого поширення в промисловості отримали електричні двигуни двох видів: змінного струму - трифазні асинхронні і постійного струму - колекторні з різними способами збудження. Який же з них краще використовувати на електровозі?
Двигуни, які можуть бути використані в якості тягових на електровозі, повинні задовольняти як мінімум двом вимогам. Перш за все вони повинні допускати можливість регулювання в широких межах частоти обертання. Це дозволяє змінювати швидкість руху поїзда. Крім того, необхідно мати можливість регулювати в широкому діапазоні силу тяги, т. Е. Крутний момент, що розвивається двигуном. Так, двигуни електровоза повинні забезпечувати значну силу тяги під час рушання поїзда, його розгону, при подоланні крутих підйомів і т. П. І знижувати її при легших умовах руху.
З точки зору організації руху, здавалося б, бажано, щоб поїзди незалежно від зміни опору руху переміщалися з постійною швидкістю або ця швидкість знижувалася б незначно. У цьому випадку залежність між силою тяги F і швидкістю руху v (рис. 11, а) представляла б в прямокутних осях координат вертикальну пряму лінію 1, паралельну осі F, або злегка похилу лінію 2. Залежність між силою тяги, що розвивається двигунами локомотива, і швидкістю його руху називають тягової характеристикою і представляють її графічно, як показано на рис. 11, або у вигляді таблиць.
Зображені на рис. 11, а тягові характеристики є жорсткими. У разі жорсткої характеристики потужність, споживана двигунами і дорівнює добутку сили тяги на швидкість, наприклад, на крутих підйомах, зростає пропорційно збільшенню сили тяги (твір v \ F \ значно менше V2F2, див. Рис. 11, а). Різке збільшення споживаної потужності призводить до необхідності підвищення потужності як самих двигунів, так і тягових підстанцій, збільшення площі перетину контактної підвіски, що пов'язано з витратами коштів і дефіцитних матеріалів. Уникнути цього можна, забезпечивши характеристику двигуна, при якій зі збільшенням опору руху поїзда автоматично знижувалася б його швидкість, т. Е. Так звану м'яку характеристику (рис. 11, б). Вона має вигляд кривої, яку називають гіперболою. Двигун з такою тягової характеристикою працював би при незмінній потужності (V1F1 = V2F2) Однак при русі важких складів на крутих підйомах, коли необхідна велика сила тяги, поїзди рухалися б з дуже низькою швидкістю, тим самим різко обмежуючи пропускну спроможність ділянки залізниці. Приблизно такою характеристикою володіють тепловози, так як потужність їх тягових двигунів обмежена потужністю дизеля. Це відноситься і до паровій тязі, при якій потужність обмежується продуктивністю котла.
Мал. 11. Жорстка (а) і м'яка (б) тягові характеристики
Потужність, що розвивається тяговими двигунами електровоза, практично не обмежена потужністю джерела енергії. Адже електровоз отримує енергію через контактну мережу і тягові підстанції від енергосистем, зазвичай володіють потужностями, незрівнянно більшими потужності електровозів. Тому при створенні електровозів прагнуть отримати характеристику, показану на рис. 11, б штриховий лінією. Електровоз, обладнаний двигунами з такою характеристикою, може розвивати значну силу тяги на крутих підйомах при порівняно високій швидкості. Звичайно, потужність, споживана тяговими двигунами в умовах великих сил тяги, підвищується (v 1 F 1 дещо більше v 1 F 1), але це не призводить до різких перевантажень живильної системи.
Трифазні асинхронні двигуни найпоширеніші. Переваги їх важко переоцінити: простота пристрою і обслуговування, висока надійність, низька вартість, нескладний пуск. Однак, як відомо, частота
обертання асинхронного двигуна майже постійна і мало залежить від навантаження, вона визначається частотою підводиться струму і числом пар полюсів двигуна. Тому регулювати частоту обертання таких двигунів, а отже, і швидкість руху поїздів можна тільки зміною частоти струму живлення і числа пар полюсів, що важко здійснити. Крім того, як вже зазначалося вище, для харчування таких двигунів потрібно влаштовувати складну контактну мережу. Тому асинхронні двигуни до недавнього часу майже не застосовували на електровозах.
В якій же мірі відповідають вимогам, що пред'являються до тяговим двигунам, електричні машини постійного струму? Нагадаємо, що ці машини - генератори і двигуни - розрізняються за способом збудження.
Обмотка збудження може бути включена паралельно обмотці якоря (рис. 12, а) і послідовно з нею (рис. 12, б). Такі двигуни називають відповідно двигунами паралельного і послідовного збудження. Використовують також двигуни, у яких є дві обмотки збудження - паралельна і послідовна. Їх називають двигунами змішаного збудження (рис. 12, в). Якщо обмотки збудження включені згідно, т. Е. Створювані ними магнітні потоки складаються, то такі двигуни називають двигунами приголосного збудження; якщо потоки віднімаються, то маємо двигуни зустрічного збудження. Застосовують і незалежне збудження: обмотка збудження живиться від автономного (незалежного) джерела енергії (рис. 12, г).
Щоб оцінити можливості регулювання частоти обертання двигуна постійного струму, нагадаємо, що при обертанні в магнітному полі провідників обмотки якоря двигуна в них виникає (індукується) електрорушійна сила (е. Д. Е.). Напрямок її визначають, користуючись відомим правилом правої руки. При цьому струм, що проходить по провідникам якоря від джерела енергії, спрямований зустрічно индуцируемой е. д. з. Напруга Uх, підведене до двигуна, врівноважується е. д. е. наводимой в обмотці якоря, і падінням напруги в обмотках двигуна:
де I - струм електродвигуна; га - еквівалентний опір обмоток двигуна.
Значення е. д. з. Е пропорційно магнітному потоку і частоті обертання, з якої провідники перетинають магнітні силові лінії, т. Е.
де з 1 - коефіцієнт, що враховує конструктивні особливості двигуна (число пар полюсів, число активних провідників обмотки якоря і число паралельних гілок обмотки якоря) і розмірності величин, що входять в формулу; Ф - магнітний потік; n - частота обертання якоря двигуна. тоді
U д = з 1 * Ф n + I гд, (3)
n = (U д I гд). (З 1 Ф). (4)
Ця формула дозволяє визначити залежність між частотою обертання і магнітним потоком при постійному значенні прикладеної напруги, еквівалентний опір обмоток двигуна невелика і складає зазвичай менше однієї десятої ома. Отже, частоту обертання двигуна постійного струму можна регулювати, змінюючи підводиться до нього напруга (пряма пропорційність) або магнітний потік збудження (зворотна пропорційність). Обидва способи регулювання частоти обертання застосовуються на електровозах.
Мал. 12. Схеми, що пояснюють способи збудження двигунів постійного струму
Мал. 13. Електромеханічні характеристики двигунів з паралельним (а) і послідовним (б) порушенням
Як залежить крутний момент від струму якоря? Якщо підключити провідники обмотки якоря двигуна до електричної мережі, то проходить по ним ток, взаємодіючи з магнітним полем полюсів, створить сили, що діють на кожен провідник зі струмом. В результаті спільної дії цих сил створюється обертовий момент М, пропорційний струму якоря і магнітного потоку полюсів Ф, т. Е.
де См - коефіцієнт, який враховує розмірність величин, що входять в формулу, число провідників обмотки якоря та інші параметри двигуна.
З цієї формули видно, що обертає момент не залежить від підведеної напруги.
Щоб побудувати тягову характеристику двигуна постійного струму, необхідно встановити, як змінюються частота обертання n і момент М в залежності від струму при різних способах збудження двигунів. Зі збільшенням навантаження двигунів, наприклад в разі подолання підйому, при постійній напрузі Uд буде зростати і струм якоря, так як, щоб подолати додаткове навантаження, двигун повинен розвивати велику силу тяги, а отже, і потужність (як відомо, Р = Uд * I ).
Для двигунів з паралельним збудженням можна вважати, що струм збудження не змінюється зі зміною навантаження. Отже, не змінюється і магнітний потік. Так як опір R я обмотки якоря невелика, то відповідно до формули (3) буде незначно зростати твір R я при постійних Uд і Ф. Це означає, що частота обертання двигуна з паралельним збудженням при збільшенні навантаження трохи зменшується (рис. 13, а ), а крутний момент зростає пропорційно збільшенню струму, що графічно зображується прямою лінією, що проходить через початок координат.
Приблизно такі ж характеристики матимуть двигуни з незалежним збудженням, якщо не змінюється струм збудження.
Розглянемо ті ж характеристики для двигуна з послідовним збудженням (див. Рис. 12, б). У такого двигуна магнітний потік залежить від навантаження, так як по обмотці збудження проходить струм якоря. Частота обертання якоря, як видно з формули (4), обернено пропорційна потоку і при збільшенні струму якоря I, а значить і магнітного потоку Ф, різко зменшується (рис. 13, б). Момент, що обертає двигуна, навпаки, різко зростає, так як одночасно збільшуються струм якоря і залежить від нього магнітний потік збудження.
Насправді магнітний потік трохи зменшується внаслідок розмагнічуючого дії реакції якоря.
У разі невеликих навантажень магнітний потік зростає пропорційно току, а крутний момент, як це випливає з формули (5), - пропорційно квадрату струму якоря. Якщо навантаження збільшується значно, струм двигуна зросте до такої міри, що настане насичення його магнітної системи. Це призведе до того, що частота обертання буде знижуватися вже в меншому ступені. Але тоді почне більш інтенсивно зростати струм, а значить, і споживана з мережі потужність. При цьому швидкість руху поїзда дещо стабілізується. Залежності частоти обертання якоря n. крутного моменту М і коефіцієнта корисної дії т) від споживаного двигуном струму / називають електромеханічними характеристиками на валу тягового двигуна при постійній напрузі Uд, підводиться до тягового двигуна, і постійній температурі обмоток 115 ° С (згідно з ГОСТ 2582-81).
За електромеханічним характеристикам двигуна можна побудувати його тягову характеристику. Для цього беруть ряд значень струму і визначають за характеристиками відповідають їм частоту обертання і крутний момент. За частотою обертання двигуна нескладно підрахувати швидкість руху поїзда, так як відомі передавальне число i редуктора і діаметр D кола катання колісної пари:
Оскільки в теорії тяги користуються розмірністю частоти обертання якоря тягового електродвигуна, вираженої в об / хв, а швидкість руху поїзда вимірюють в км / год, то формула (6) з урахуванням коефіцієнта узгодження цих розмірностей набирає вигляду
v = 0,188D n / i.
Знаючи, що обертає на валу двигуна, а також втрати при передачі моменту від валу тягового двигуна до колісній парі, які характеризують к. П. Д. Передачі, можна отримати і силу тяги, що розвивається однієї, а потім і всіма колісними парами електровоза.
За отриманими даними будують тягову характеристику FK (і) (див. Рис. 11).
На електричних залізницях як тягові в переважній більшості випадків використовують двигуни постійного струму з послідовним збудженням, що володіють м'якою тягової характеристикою. Такі двигуни, як зазначалося вище, при великих навантаженнях внаслідок зниження швидкості споживають меншу потужність з системи електропостачання.
Тягові двигуни послідовного збудження мають і інші переваги в порівнянні з двигунами паралельного збудження. Зокрема, під час будівництва тягових двигунів встановлюють допуски на точність виготовлення, на хімічний склад матеріалів для двигунів і т. П. Створити двигуни з абсолютно однаковими характеристиками практично неможливо. Внаслідок відмінності характеристик тягові двигуни, встановлені на одному електровозі, при роботі сприймають нерівні навантаження. Більш рівномірно навантаження розподіляються між двигунами послідовного збудження, так як вони мають м'яку тягову характеристику.
Однак двигуни послідовного збудження мають і досить істотний недолік - електровози з такими двигунами схильні до боксування, іноді переходить в розносна. Цей недолік особливо різко проявився після того, коли маса поїзда стала обмежуватися розрахунковим коефіцієнтом зчеплення. Жорстка характеристика в значно більшій мірі сприяє припиненню боксування, так як в цьому випадку сила тяги різко знижується навіть при невеликому ковзанні і є більше шансів на відновлення зчеплення. До недоліків тягових двигунів послідовного збудження відноситься і те, що вони не можуть автоматично переходити в режим електричного гальмування: для цього необхідно попередньо змінити спосіб збудження тягового двигуна.
Засоби для миття