Электрические машины и преобразователи подвижного состава(Раздел II)

Работа локомотивных тяговых преобразователей характеризуется наличием значительных перенапряжений, воздействующих на элементы преобразователя, при колебаниях напряжения источника питания, срабатывании защиты, боксовании локомотива и т.д.

Преобразовательные установки тепловозов находятся в более легких условиях, чем электровозные, но приходится учитывать имеющие место четырех- и пятикратные по отношению к номинальным перенапряжения. Нагрузка преобразовательных устройств локомотивов резко переменна, что связано с режимом ведения поезда, боксованием колесных пар, изменением напряжения тягового генератора по заданным законам. Силовая электроника связана с преобразованием большого количества энергии, поэтому основное внимание уделяется получению наибольшего КПД преобразователей. Термин «преобразователь» используют безотносительно к назначению силовых электронных устройств. Однако для разных целей были разработаны различные типы преобразователей.

Все они обладают одним общим признаком – управляют потоком энергии посредством включения и выключения полупроводниковых электронных элементов, введенных в основные электрические схемы, или благодаря циклической передаче тока от одного такого элемента к другому (процесс, называемый коммутацией). Наиболее часто преобразователи классифицируют в зависимости от вида коммутации. Обычно различают преобразователи с естественной и принудительной коммутацией. В преобразователях с естественной коммутацией циклическая коммутация диодов происходит под действием переменного напряжения источника питания или сети. Принудительная коммутация в преобразователях осуществляется с помощью дополнительных коммутирующих контуров (см. подразд. 10.7).

   По своему назначению преобразователи подразделяются:
   • на преобразователи с естественной коммутацией, связывающие цепь переменного тока с цепью постоянного тока или наоборот. Эти преобразователи обеспечивают передачу энергии в обоих направлениях. В зависимости от направления потока энергии различают выпрямительный и инверторный режимы их работы;
   • преобразователи с принудительной коммутацией, связывающие цепь постоянного тока с цепью переменного тока. Эти преобразователи также обеспечивают передачу энергии в обоих направлениях, но, как правило, они используются в инверторном режиме;
   • преобразователи с принудительной коммутацией, разделяющие две цепи постоянного тока, называемые также прерывателями постоянного тока;
   • преобразователи с естественной или принудительной коммутацией, разделяющие две цепи переменного тока одной и той же частоты, называемые также прерывателями переменного тока;
   • преобразователи с естественной или принудительной коммутацией, связывающие цепи переменного тока разных частот, называемые обычно преобразователями частоты;
   • специальные преобразователи, представляющие собой комбинации преобразователей, перечисленных выше (преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока и т.п.).

Неотъемлемой частью преобразовательных устройств являются различные схемы управления, регулирования и защиты. Условия работы преобразователей регламентируются ГОСТ 4.139 – 85 и 25953 – 83, по которым устройства должны работать при температурах окружающей среды от -70 до +50°С, в условиях сильного загрязнения воздуха пылью, парами масла и топлива, а также высокой влажности воздуха. Поскольку локомотив может работать на подъездных путях промышленных предприятий, то преобразователи должны устойчиво функционировать в условиях агрессивных сред. Механические воздействия на оборудование подвижного состава, достигающие 3g, могут значительно увеличиваться как по частоте, так и по амплитуде, при неисправностях механической части локомотива или пути.

10.2. Выпрямители.

Выпрямители однофазного тока. Применяются для питания выпрямленным напряжением различных систем и устройств промышленной и транспортной автоматики, обработки и отображения информации, бытовых приборов. Как правило, выпрямители однофазного тока рассчитаны на небольшие мощности (до нескольких киловатт). В тяговом электроприводе на электроподвижном составе (электровозах и мотор-вагонах электропоездов), получающим питание от контактной сети однофазного тока, применяются мощные однофазные выпрямители мощностью от нескольких сотен киловатт до нескольких мегаватт.
Простейшей схемой однофазного выпрямителя является однопульсовая (однополупериодная) схема, выполненная на диоде VD1 с шунтирующим диодом VD2 или без него (рис. 10.1, а).

В практических схемах такой выпрямитель используется крайне редко из-за низкого качества выпрямленного напряжения U_d: оно получается пульсирующим и состоит из отдельных полусинусоидальных импульсов, которые повторяются через каждый период (рис. 10.1, в). Такая форма выпрямленного напряжения получается из-за того, что диод VD1 проводит только одну полуволну напряжения U₂, а вторая им отсекается. Значение выпрямленного напряжения U_d на нагрузке R_н принимают равным среднему значению U_cp пульсирующего напряжения. Пренебрегая падением напряжения на вторичной обмотке трансформатора, получим:

где U₂ – эффективное напряжение вторичной обмотки трансформатора, В.

Двухпульсовые (двухполупериодные) однофазные выпрямители применяют для уменьшения пульсации выпрямленного тока и улучшения использования трансформатора и диодов. Обычно применяют схемы с нулевым выводом или мостовые схемы. В выпрямителе с нулевым выводом (рис. 10.2, а) вторичная (вентильная) обмотка трансформатора имеет три вывода. К двум крайним выводам подключены диоды VD1 и VD2. Потребитель (R_н, L_н) включен между точкой соединения их катодов и средним выводом вторичной обмотки трансформатора.

Трансформатор преобразует однофазное напряжение, подаваемое на его первичную обмотку, в двухфазное. При этом индуцируемые в его обмотках ЭДС сдвинуты по фазе друг относительно друга на 180 эл. град. Рис.

10.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель.
а – принципиальная схема; б и в – графики входного и выпрямленного напряжения соответственно;
Т– трансформатор; Id – выпрямленный ток.

Рис. 10.2. Двухполупериодный однофазный выпрямитель
на основе трансформатора с выводом от средней точки. а – схема выпрямителя,
б и в – графики входного и выпрямленного напряжения соответственно.

Так как оба вентиля включены в две противоположные фазы вторичной обмотки трансформатора, то они проводят ток поочередно по аналогии с предыдущим случаем: положительную полуволну пропускает диод VD1, а отрицательную – VD2. Определим основные расчетные соотношения, воспользовавшись временными диаграммами на рис. 10.2, б и в. Среднее значение выпрямленного напряжения:

Максимальное значение обратного напряжения на диодах:

где U2max – амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, В.

Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора составляет I2 = 0,785Id. Расчетная (типовая) мощность, Вт, преобразовательного трансформатора ST определяется величиной мощности нагрузки Pd:

Мостовой выпрямитель (рис. 10.3) состоит из четырех диодов VD1– VD4, подключенных непосредственно к сети или ко вторичной обмотке трансформатора, который в этом случае не имеет среднего вывода. В течение положительного полупериода ток Id проходит от источника переменного тока через диод VD1, нагрузку Rн и диод VD4 ко второму выводу. В течение следующего, отрицательного, полупериода ток Id проходит от источника через диод VD3, нагрузку Rн и диод VD2 к первому выводу. В оба полупериода ток проходит через нагрузку Rн в одном направлении. Среднее значение выпрямленного напряжения Ud = 0,9U2. Максимальное значение обратного напряжения на диодах:

Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора:

Расчетная мощность обмоток трансформатора:

Коэффициент использования трансформатора по мощности:

Качество выпрямленного напряжения в обоих случаях оценивается коэффициентом пульсации kq, представляющим собой отношение амплитуды переменной составляющей выпрямленного напряжения к его среднему значению. Поскольку kq = 0,66, то можно сделать вывод, что качество выпрямленного напряжения невысокое. Для обеспечения удовлетворительной работы потребителей в большинстве случаев необходим сглаживающий фильтр, улучшающий качество преобразования тока.

Выпрямители трехфазного тока.
Принципы построения и режимы работы трехфазных выпрямителей аналогичны однофазным выпрямителям. Поэтому при анализе схем трехфазных выпрямителей используются аналогичные методы. Особенностью трехфазных выпрямителей является значительно меньшая переменная составляющая выпрямленного напряжения. В связи с этим в неуправляемых трехфазных выпрямителях даже при чисто активной нагрузке ток нагрузки является непрерывным и допущение о полностью сглаженном токе более близко к реальным режимам работы. Это допущение, наряду с другими упрощениями, принятыми при анализе однофазных выпрямителей, будет неоднократно использовано и здесь. В трехфазной (трехпульсовой) схеме используется источник напряжения, обмотки которого соединены в звезду с нулевым выводом (рис. 10.4, а). Диоды VD1– VD3 включают в цепь каждой фазы напряжения, а нагрузку – между точкой, соединяющей катоды диодов, и нулевой точкой 0 источника.

Рис. 10.4. Трехфазный выпрямитель.
а – схема с нулевым выводом; б – графики изменения токов и напряжений источника.

Фазы работают поочередно. Ток нагрузки Id проходит только через тот диод, анод которого в данный момент имеет наиболее высокий положительный потенциал (рис. 10.4, б). При изменении потенциалов на анодах диодов ток соответственно переключается с одного диода на другой. Каждый из диодов в течение одного периода проводит ток на интервале 2π/3 =120 эл. град. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке Rн составляет:

где U2ф – эффективное значение фазного напряжения на холостом ходу, В.

Средний ток, протекающий через диод, Iср = 0,33Id. Максимальное обратное напряжение Ubmax, приложенное к диоду VD1, определяется как разность потенциалов анода диода VD1 и катодов диодов VD2n VD3. Подобным образом определяется максимальное обратное напряжение на других диодах:

Эффективное значение тока в обмотках источника напряжения:

В случае использования трансформатора коэффициент использования его мощности kp = 0,74, и коэффициент пульсации выпрямленного напряжения kq = 0,25. Как видим, степень использования трансформатора здесь выше, чем в однофазных выпрямителях, но все же достаточно низка. Кривые токов вторичных обмоток содержат постоянную составляющую Id/3. Лучшие результаты дает применение трехфазных шестипульсовых выпрямителей.

Рис. 10.5. Мостовой шестипульсовый выпрямитель. а – схема; б – графики изменения токов и напряжений.

   Мостовая шестипульсовая схема выпрямителя, или схема Ларионова, состоит из трехфазного источника напряжения, фазные обмотки которого соединяются в звезду или треугольник, и двух групп диодов:
   - катодной VD1, VD3, VD5 и
   - анодной VD2, VD4, VD6 (рис. 10.5, а).
Диоды групп образуют трехфазный мост. Положительным полюсом является общая точка диодов VD1, VD3, VD5, а отрицательным – общая точка диодов VD2, VD4, VD6. Рассмотрим вариант схемы соединения фазных обмоток в звезду. В мостовой шестипульсовой схеме выпрямителя ток одновременно проводят два диода.
   Первый – это тот из диодов VD1, VD3, VD5, положительный потенциал анода которого максимален,
   второй – из диодов VD2, VD4, VD6, потенциал которого минимален.
В результате на выходе формируется выпрямленное напряжение Ud. Коммутация диодов происходит через каждую шестую часть периода, и выпрямленное напряжение Ud имеет шесть пульсаций за один период питающего напряжения (рис. 10.5, б). Ток диода имеет форму, близкую к прямоугольной, со средней высотой прямоугольника Id и длительностью 2π/3 =120 эл. град. Обратное напряжение на диодах формируется линейными напряжениями. Среднее значение выпрямленного напряжения:

где U2л – эффективное значение линейного напряжения, В. Средний ток через каждый диод Iср = 0,33Id, а максимальное обратное напряжение на диодах составляет:

В схеме эффективно используются диоды и трансформатор, в сердечниках которого отсутствует вынужденное подмагничивание. Качество выпрямленного напряжения в схеме высокое: коэффициент использования трансформатора kp = 0,95, а коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения kq = 0,057. Все это обусловило широкое применение мостовых трехфазных выпрямителей. При соединении обмоток источника напряжения в треугольник линейные токи сохраняют предыдущую форму, а токи в фазных обмотках являются результатом распределения тока Id по двум параллельным ветвям на каждом интервале. В каждый момент ток проводят два диода – один в анодной, другой в катодной группах, а конкретно те диоды, к которым приложено максимальное (по модулю) линейное напряжение. В такой схеме выпрямленное напряжение формируется из участков максимума и минимума линейных значений напряжения питания.

Двенадцатипульсовые схемы выпрямления обеспечивают меньший уровень пульсаций и высших гармонических составляющих в кривой сетевого тока. Кроме того, они позволяют создать агрегат на более высокие напряжения и токи. Двенадцатипульсовые схемы разделяются на эквивалентные и собственные.

Собственные схемы строятся на основе последовательного соединения двух шестипульсовых схем выпрямления, каждая из которых питается от своего трансформатора или другого источника трехфазного тока. Обмотки источника напряжения соединяются так, чтобы их линейные напряжения были сдвинуты относительно друг друга на 30 эл. град. Для этого одну из вторичных обмоток соединяют в звезду, а вторую – в треугольник. При этом в последнем случае фазное напряжение будет √3в раз больше, чем у первой. Результирующее выпрямленное напряжение получается двенадцатипульсовым благодаря суммированию двух шестипульсовых:

Эквивалентные схемы (рис. 10.6) строятся на основе параллельного соединения шестипульсовых выпрямителей. Они нашли широкое применение в выпрямительных устройствах тепловозов с электрической передачей переменно-постоянного тока. Использование таких схем позволяет получить меньшие пульсации выпрямленного напряжения (kq = 0,03), а следовательно, улучшить условия работы тяговых двигателей без установки дополнительных сглаживающих устройств и повысить коэффициент мощности благодаря приближению формы потребляемого тока к синусоидальной. Средние значения выпрямленного напряжения одинаковы и равны общему выпрямленному напряжению Ud1 = Ud2 = Ud. Общий ток нагрузки Id распределяется поровну между обеими трехфазными обмотками. Основные расчетные зависимости для каждой из выпрямительных схем остаются такими же, как для шестипульсовых схем выпрямления.

Рис. 10.6. Эквивалентная двенадцатипульсовая схема выпрямителя.

Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока Ud = f(Id) и отражает все режимы работы: от холостого хода до короткого замыкания (рис. 10.7). Как видно из графика, с увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение снижается. Это объясняется несколькими причинами, которые условно можно разделить на три группы.

1. Падение напряжения Udγ вызванное процессом коммутации и обусловленное индуктивностью источника напряжения. Оно может быть названо индуктивным падением напряжения

2. Падение напряжения на активных сопротивлениях схемы – активные падения напряжения

3. Падение напряжения на силовых полупроводниковых приборах выпрямителя

где n – число последовательно включенных диодов (при мостовой схеме – суммарное число последовательно соединенных диодов в двух противоположных плечах моста);
ΔUV – падение напряжения на одном диоде (ΔUV = = 0,4...1,4В).

В общем случае среднее выпрямленное напряжение схемы:

где Ud0 – среднее выпрямленное напряжение холостого хода, В. Таким образом, уменьшение выпрямленного напряжения связано с возрастанием падений напряжений ΔUdR и ΔUdγ. Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется формулой:

где Рнагр – мощность, потребляемая нагрузкой, Вт;
ΔP – внутренние потери мощности в выпрямителе, Вт.

В величину ΔP входят не только потери мощности в диодах, но и в обмотках источника напряжения, сглаживающем реакторе, а также мощность, расходуемая во вспомогательных устройствах (например, вентиляторах, осуществляющих охлаждение диодов). Общий КПД выпрямителя можно представить в виде произведения:

где ηV – КПД диодов; ηT – КПД источника напряжения. КПД диодов выпрямителя определяется по формуле:

Из этой формулы следует, что КПД диодов существенно возрастает по мере увеличения рабочего напряжения Ud выпрямителя. При этом, чем выше класс применяемых диодов, тем больше ηV. При небольших напряжениях КПД выпрямителя определяется в основном КПД диодов. При переходе же к более высоким напряжениям возрастает влияние источника напряжения и вспомогательных устройств, так как КПД диодов приближается к единице. Например, КПД выпрямительной установки тепловоза 2ТЭ116 достигает 0,98.

Рис. 10.7. Внешняя характеристика двенадцатипульсового выпрямителя.
Ud0 – среднее выпрямленное напряжение на холостом ходу. Ud = f(Id)

Рис. 10.8. Зависимость КПД двенадцатипульсового выпрямителя от тока нагрузки.
η = f(Id)

Большая экономичность полупроводниковых выпрямителей при высоких напряжениях обусловливается также и тем, что они сохраняют высокие значения КПД при изменении нагрузки в широких пределах. Зависимость КПД выпрямительной установки от тока нагрузки Iн показана на рис. 10.8.

10.3. Управляемые выпрямители.

   Управляемые выпрямители однофазного напряжения. В системах регулирования тока обмотки возбуждения тяговых генераторов тепловозов 2ТЭ116, ТЭП70 и ТЭМ7 нашли широкое распространение управляемые выпрямители однофазного напряжения, построенные на управляемых полупроводниковых приборах – тиристорах (силовых транзисторах). Тиристор открывается, если:
   1. замкнута цепь нагрузки и анод (коллектор) имеет более высокий потенциал, чем катод (эмиттер);
   2. на управляющий электрод (базу) подан импульс напряжения положительной полярности необходимой величины и длительности относительно катода (эмиттера). Открывание тиристоров в однофазных и многофазных управляемых схемах выпрямления или преобразования происходит в строго определенные моменты времени. Изменение фазы переднего фронта управляющего импульса относительно переменного анодного напряжения можно осуществить плавное регулирование выходного напряжения преобразователей. С помощью управляемых тиристорных или тиристорно-диодных выпрямителей решаются задачи плавного регулирования среднего значения выпрямленного напряжения (рис. 10.9).

На управляющие выводы тиристоров VS1 и VS2 подаются отпирающие импульсы, вырабатываемые системой автоматического регулирования. С помощью этих импульсов можно открывать тиристоры в заданные моменты времени и изменять общее время, в течение которого каждый тиристор проводит ток. Промежуток времени между моментом подачи положительного напряжения на анод тиристора VS1 или VS2 и моментом подачи отпирающего импульса Iу на их управляющие электроды называется углом управления а. С увеличением угла управления α уменьшается площадь, ограниченная кривой выпрямленного напряжения, и уменьшается его среднее значение Ucp. Наибольшее значение выпрямленное напряжение будет иметь при α = 0 (аналог неуправляемого выпрямителя), а при α = 180 эл. град, оно будет равно нулю. Тиристоры VS1 и VS2 проводят ток поочередно: каждый во время той части периода, когда напряжение на его аноде положительно. Например, если на аноде тиристора VS1 положительный потенциал и на его управляющий электрод подать сигнал управления, то VS1 откроется. Возникнут условия для протекания тока от источника напряжения через тиристор VS1, нагрузку Rн диод VD2 ко второму выводу источника напряжения. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не сменится полярность питающего напряжения. После чего создаются условия для включения в работу тиристора VS2, который откроется после подачи сигнала управления, и ток будет протекать через него, нагрузку Rн, диод VD1 к источнику напряжения. Для получения симметричной формы выпрямленного напряжения должно соблюдаться с достаточной точностью равенство углов управления а обоих плеч выпрямителя. Асимметрия углов управления а приводит к неравномерной загрузке тиристоров VS1, VS2, и диодов VD1, VD2, увеличению пульсаций и появлению в выпрямленном напряжении трудно сглаживаемой низкочастотной составляющей. Кроме того, уменьшается КПД выпрямителя и сужается диапазон регулирования напряжения. Среднее значение выпрямленного напряжения без учета потерь в коммутационный период зависит не только от а, но и от характера нагрузки. При чисто активной нагрузке кривая выпрямленного тока повторяет кривую напряжения:

где U2 – действующее значение напряжения источника, В.

Рис. 10.9. Схема управляемого выпрямителя однофазного тока (а)
и графики изменения напряжений и токов (б). УВ – управляемый выпрямитель.

где Idα – среднее значение тока нагрузки при α = 0, А. Анализ кривых тока дает возможность определить средний ток тиристоров VS1, VS2 и диодов VDh VD2:

Рис. 10.10. Семейство внешних характеристик управляемого выпрямителя
Ud = f(Id)

Увеличение тока нагрузки вызывает снижение среднего значения выпрямленного напряжения из-за тех же потерь, что и в неуправляемом выпрямителе. На рис. 10.10 представлено семейство внешних характеристик управляемого выпрямителя при различных углах управления α. При регулировании выпрямленного напряжения изменением угла управления α, момент коммутации тока с одного тиристора на другой сдвигается по сравнению с неуправляемым выпрямителем на угол α. Одним из важных энергетических показателей выпрямительных установок является коэффициент мощности на входе выпрямителя, который определяет эффективность использования электрической энергии источника напряжения. Коэффициент мощности kp для электрических цепей, напряжения и токи которых несинусоидальны, может быть определен как отношение активной мощности Р к полной мощности S. После соответствующих преобразований получим:

Анализируя полученную зависимость, можно видеть, что при регулировании выпрямленного напряжения путем изменения угла управления тиристоров α, коэффициент мощности kp снижается при увеличении α. Это свидетельствует о возрастании амплитуды высших гармонических составляющих тока и снижении КПД выпрямителя. В связи с этим данные устройства используются, как правило, в качестве маломощных источников регулируемого напряжения.

   Однополупериодные управляемые выпрямители трехфазного напряжения.
   На тепловозах ТЭ109, 2ТЭ116УП, 2ТЭ121 устанавливают тяговый агрегат, содержащий тяговый генератор и отопительный генератор. Последний предназначен для питания системы электроснабжения поезда и приводов вспомогательных агрегатов тепловоза. Независимое возбуждение этих генераторов выполнено по системе трехфазная обмотка – управляемый выпрямитель. Формирование тока возбуждения в таких системах осуществляется при помощи двух независимых однополупериодных управляемых (полууправляемых) выпрямителей трехфазного напряжения, схема одного из которых приведена на рис. 10.11, а. Для открытия одного из тиристоров VS1, VS2 или VS3 необходимо соблюсти два условия:
   во-первых, на аноде тиристора должен быть положительный потенциал,
   а во-вторых, на его управляющий электрод должен быть подан сигнал управления.
Предположим, что эти условия выполнены для тиристора VS1. После его открытия ток от источника напряжения через тиристор VS1 и нагрузку Rн потечет к нулевой точке. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет смена полярности напряжения данной фазы или не будет открыт тиристор другой фазы, анод которого имеет более высокий потенциал по сравнению с VS1. Для удобства анализа процессов, происходящих в данной схеме, будем считать, что на выходе источника напряжения сформирована трехфазная система синусоидальных напряжений (рис. 10.11, б), тиристоры – идеальные ключи, активное сопротивление обмоток источника напряжения равно нулю. При этом для выпрямителей относительно небольшой мощности (мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, составляет 3...5% мощности тягового генератора) можно считать, что и индуктивное сопротивление обмотки возбуждения тягового генератора равно нулю. Полный диапазон изменения угла регулирования тиристоров в данном выпрямителе составляет 180 эл. град. Как и в однофазном диодно-тиристорном выпрямителе, в рассматриваемом выпрямителе тиристоры включаются по сигналу от системы управления. Среднее значение выпрямленного напряжения установки можно определить на основании следующего соотношения:

Средние значения токов, протекающих через тиристоры, могут быть определены по формуле:

Максимальное значение обратного напряжения, приложенного к тиристорам, составляет:

Мостовой управляемый выпрямитель.
Для плавного регулирования напряжения, приложенного к тяговому электродвигателю, может использоваться мостовой управляемый выпрямитель трехфазного напряжения (рис. 10.12). Схема выпрямителя выполнена на тиристорах VS1– VS6. В отличие от полууправляемого выпрямителя в данной схеме все процессы симметричны и его характеристики более благоприятны в широком диапазоне регулирования.

Рис. 10.11. Схема трехфазного управляемого выпрямителя (а)
и графики изменения напряжений и токов (б)

Рис. 10.12. Схема мостового управляемого выпрямителя (УВ).
ТЭД – тяговый электродвигатель

   На тиристоры от блока управления подаются сдвоенные (с интервалом в π /3 = 60 эл. град.) импульсы управления или пакеты импульсов длительностью более π/3. Такой алгоритм следования импульсов необходим для одновременного отпирания одного тиристора в катодной группе и одного тиристора в анодной, чтобы образовалась цепь нагрузки (в данном случае тяговый электродвигатель) при включении выпрямителя и в режиме прерывистого тока при глубоком регулировании.
   Открытие одного из тиристоров катодной группы VS1, VS3, VS5 (например, VS1) произойдет при наличии на аноде положительного потенциала и подаче на него импульса управления.
   Открытие одного из тиристоров анодной группы VS2, VS4, VS6 (например, VS6) произойдет при наличии на катоде отрицательного потенциала и подаче на него импульса управления. После этого создается цепь от фазы А источника напряжения через тиристор VS1, тяговый электродвигатель, тиристор VS6 к фазе С источника напряжения.
   Коммутация в этой схеме происходит при смене полярности приложенного к тиристорам напряжения либо при открытии пары тиристоров с более высокими положительными и отрицательным потенциалами соответственно.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

   где ΔUdα - 1,17U2(1 - cosα) – потери, обусловленные отклонением формы выпрямленного напряжения от синусоидального, В;
   ΔUdγ - 1,17U2[cosα - cos (α + γ)] – потери, обусловленные коммумутацией тиристоров, В;
   γ = arccos (1 - (2IdxL / √6U2)) угол коммутации, эл. град.;
   xL – индуктивное сопротивление нагрузки, Ом.

Подставив значения составляющих в выражение (10.19), получим уравнение внешней характеристики выпрямителя:

При изменении угла управления с пределах 0 < α < 60 эл. град, напряжение и ток выпрямителя непрерывны даже при активной нагрузке. Для этого поддиапазона среднее значение выпрямленного напряжения составляет:

При изменении угла управления в пределах 60 ≤ α ≤ 120 эл. град, кривая выпрямленного напряжения Ud при активной нагрузке становится прерывистой и среднее значение выпрямленного напряжения можно определить как:

Предельным углом управления, при котором Ud = 0, в случае активной нагрузки является α mах = 120 эл. град. Управляемые выпрямители выполняют также функцию бесконтактного аппарата, обеспечивающего отключение цепи нагрузки от сети в случае аварийного нарастания тока путем прекращения подачи импульсов управления на тиристоры.

10.4. Инверторы.

   Преобразователь с тиристорами может работать в выпрямительном и инверторном режимах. Как уже отмечалось, выпрямительным режимом называют такой режим, когда электрическая мощность передается из цепи переменного тока в цепь постоянного тока. При инверторном режиме, наоборот, мощность передается из цепи постоянного тока в цепь переменного тока. На железных дорогах используются два вида инверторов:
   1) автономные инверторы для построения электрической передачи мощности локомотивов с приводов переменного тока;
   2) неавтономные инверторы, или ведомые сетью, для преобразования энергии при рекуперативном торможении электровоза или при реостатных испытаниях тепловозов.

   Автономные инверторы – это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток, коммутация тока в которых осуществляется независимо от процессов во внешних электрических цепях. Независимая коммутация обеспечивается дополнительными коммутирующими устройствами внутри самого преобразователя. На выходе такого преобразователя можно получать переменный ток теоретически любой частоты и напряжения и плавно регулировать его от нуля до максимального значения. Благодаря этому свойству автономные инверторы находят все более широкое применение в регулируемых электроприводах с асинхронными электродвигателями. Процессы переключения тока в автономных инверторах зависят от способа принудительной коммутации тока, особенностей электрической схемы, параметров источника питания и нагрузки. Полная коммутация с переключением тока из одной ветви схемы в другую в автономных инверторах происходит за несколько этапов, важнейшими из которых являются:
   - уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля;
   - задержка подачи прямого напряжения на этот тиристор до полного восстановления его запирающей способности;
   - нарастание прямого тока во втором тиристоре.

Эти события могут наступать одновременно или последовательно. Создание средств для осуществления надежной коммутации обычно является одной из наиболее трудных проблем при проектировании автономных инверторов. Принципиально эти средства можно разделить на два класса. К первому классу можно отнести обычные, не полностью управляемые тиристоры, дополненные специальными узлами принудительной коммутации, например, в виде предварительно заряженных конденсаторов и вспомогательных тиристоров. Второй класс составляют запираемые тиристоры и силовые транзисторы, которые закрываются специальными импульсами управления. Инверторы, ведомые сетью, используются для передачи избыточной энергии потребителей в сеть переменного тока частотой 50 Гц, в частности, при рекуперативном торможении электровозов и электропоездов. Ведомые инверторы выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. Управление режимом работы инвертора должно быть таким, чтобы обеспечивалась коммутация тиристоров под действием сети. Необходимым условием работы инвертора является подача на его вход напряжения постоянного тока. Из всего многообразия инверторов можно выделить две большие группы: автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

Однофазный автономный инвертор напряжения.
Эта схема содержит мост главных тиристоров VS1– VS4, встречно включенный мост обратных диодов VD1– VD4, блок управления тиристорами, входной конденсатор фильтра Q, активно-индуктивную нагрузку LнRн и коммутирующий конденсатор Ск (рис. 10.13, а).

Рис. 10.13. Схема однофазного инвертора напряжения (а)
и графики изменения напряжений и токов (б).

   Тиристоры попарно и поочередно отпираются по цепи управления, подключая цепь нагрузки к источнику напряжения. Такой алгоритм переключения обеспечивает формирование в нагрузке напряжения прямоугольной формы. Предположим, что открыты тиристоры VS1, VS4. Тогда ток от источника напряжения Ud через открытый тиристор VS1, нагрузку LнRн и открытый тиристор VS4 протекает ко второму выводу источника напряжения.
   Параллельно нагрузке подключен коммутирующий конденсатор Ск, который в этот период заряжается от источника Ud (полярность заряда конденсатора показана без скобок). Это состояние продолжается до момента открытия тиристоров VS3 и VS2. Если открыть тиристоры VS3 и VS2, то в первый момент времени тиристоры VS1 и VS4 остаются открытыми. Этим создается цепь разряда конденсатора Ск по двум цепям:
   во-первых, от положительно заряженной обкладки (от плюса) Ск через открытые тиристоры VS1 и VS3 на отрицательно заряженную обкладку (на Минус) Ск, а,
   во-вторых, от плюса Ск через открытые тиристоры VS2 и VS4 на минус Ск.
   Для тиристоров VS1 и VS4 ток разряда конденсатора Ск является обратным, который приводит к уменьшению тока этих тиристоров ниже тока удержания, и они закрываются. Окончательный разряд конденсатора Ск происходит через диод VD1 и тиристор VS3, а также через тиристор VS2 и диод VD4.
   Наступает новый цикл работы инвертора. Ток нагрузки Iн протекает в обратном направлении, и заряд конденсатора Ск имеет противоположную полярность (полярность заряда показана в скобках). Это состояние продолжается до момента открытия тиристоров VS1 и VS4. Временные диаграммы работы однофазного инвертора напряжения представлены на рис. 10.13, б. В момент очередного запирания тиристоров энергия, запасенная в Lн, поступает в источник питания через обратные диоды, а конденсатор фильтра Сd исключает уменьшение напряжения питания в моменты коммутации тиристоров. Изменением момента запирания одного из тиристоров в каждой работающей паре можно менять длительность и частоту подачи напряжения источника питания на нагрузку. Эффективное значение напряжения первой гармонической составляющей на нагрузке:

где Iн0 – ток нагрузки в момент коммутации, А.

Трехфазный мостовой инвертор напряжения.
Схема этого инвертора содержит шесть тиристорных ключей VS1–VS6, образующих мост, шесть встречно включенных диодов VD1–VD6, соединенных также по схеме трехфазного моста, и блок управления. Диоды выполняют функции диодов обратного тока, а блок управления обеспечивает переключение тиристорных ключей по заданному алгоритму управления продолжительностью проводящего состояния тиристоров (рис. 10.14). Частота выходного напряжения задается блоком управления посредством изменения цикла переключения тиристорных ключей. Устройства для коммутации тиристоров на схеме не показаны. Тиристоры и диоды трех фаз А, В и С образуют анодную (VS1, VS3, VS5; VD1, VD3, VD5) и катодную (VS2, VS4, VS6; VD2, VD4, VD6) группы.

Рис. 10.14. Схема трехфазного мостового инвертора.

Тиристоры анодной и катодной групп могут переключаться по различным алгоритмам: с однократным и многократным переключением на интервале одного периода выходного напряжения. При однократном переключении в течение периода угол проводящего состояния тиристоров может быть равным 180, 150 или 120 эл. град, или в общем случае: π - α эл. град. Одновременно в проводящем состоянии находятся три тиристора: два в анодной и один в катодной группе или один в анодной и два в катодной. Выходные напряжения инвертора могут быть получены из анализа эквивалентных схем, соответствующих шести возможным состояниям инвертора (рис. 10.15). Напряжение источника питания Ud поступает к фазным нагрузкам в соответствии со схемой подключения в данном интервале. Напряжение между анодной или катодной точками и нулевой точкой нагрузки в одной фазе равняется Ud/3 или 2Ud/3 в зависимости от того, две фазы или одна фаза нагрузки в данный момент связаны с соответствующей шиной. В результате фазные напряжения получают трехступенчатую форму, сохраняющуюся независимо от характера нагрузки. Линейное напряжение имеет при этом форму прямоугольников с углом основания 120 эл. град. Эффективное значение фазного и линейного напряжения инвертора соответственно равно:

Выходные напряжения несинусоидальны, имеют форму с симметрией третьего рода и описываются нечетными функциями, не кратными трем.

Рис. 10.15. Эквивалентные схемы (а) и графики напряжения
на фазных нагрузках в зависимости от состояния тиристоров (б).

Форма тока в цепи нагрузки зависит от характера нагрузки. При RL-нагрузке после очередного переключения тиристоров VS7, VS4, VS6 под действием ЭДС самоиндукции ток в фазе некоторое время сохраняет направление и замыкается по цепи обратных диодов VD2, VD3, VD5 противоположного плеча данной фазы. Этот ток имеет форму, близкую к пилообразной, и содержит кроме постоянной составляющей Iн спектр четных высших гармонических составляющих, кратных шести.

Однофазный мостовой инвертор тока.
Инвертор такого типа представляет собой преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока, источник питания которого обладает большим внутренним индуктивным сопротивлением. Индуктивность Ld обеспечивает постоянство потребляемого тока. Электрическая схема автономного инвертора тока включает в себя мост тиристоров VS1–VS4, RL-нагрузку, коммутирующие конденсаторы С1, С2, отсекающие диоды VD1–VD4 и блок управления (рис. 10.16, а).

Рис. 10.16. Однофазный мостовой инвертор тока.
a – схема; б – графики токов.

Коммутирующие конденсаторы Cl, C2 выполняют функцию источников напряжения, прикладываемого в обратном направлении к тиристорам во время выключения, и обеспечивают обмен реактивной энергией с катушкой индуктивности нагрузки. Предположим, что открыты тиристоры VS1 и VS4, а тиристоры VS3 и VS2 закрыты. Ток нагрузки Iн протекает от источника напряжения Ud через дроссель Ld, тиристор VS1, диод VD1, RL-нагрузку, диод VD4, тиристор VS4 ко второму выводу источника напряжения. Одновременно конденсаторы Cl, C2 заряжаются так, что их левые обкладки положительны (полярность показана без скобок). Ток нагрузки постоянен и равен току источника, т. е. Iн = const, так как индуктивность Ld ≥ Lн. Напряжение нагрузки в данном состоянии цепей равно:

В момент включения тиристоров VS2 и VS3 тиристоры VS1 и VS4 остаются открытыми. Это создает условия для разряда конденсаторов С1 и С2. Конденсатор С1 разряжается от положительного вывода, через открытые тиристоры VS1 и VS3 на отрицательный вывод, а С2 – от положительного вывода, через открытые тиристоры VS2 и VS4 на отрицательный вывод. Для тиристоров VS1 и VS4 ток разряда является обратным, что приводит к мгновенному переключению тока нагрузки с тиристоров VS1, VS4 на тиристоры VS2, VS3 (рис. 10.16, б). Это первая ступень коммутации, в результате которой создаются условия для полного запирания тиристоров VS1, VS4. Напряжение на входе Ud падает до значения:

Напряжение на конденсаторах С7, С2 на этом интервале изменяется линейно в процессе перезаряда постоянным током Iн= Id= const. Конденсаторы полностью разряжены, а тиристоры VS1, VS4 заперты током разряда конденсаторов С1 и С2. В следующий момент конденсаторы С1 и С2 оказываются заряженными током противоположной полярности и напряжение на них в этот момент равно:

Дальнейшее повышение напряжения приводит к смещению отсекающих диодов VD2, VD3 в прямом направлении, и начинается вторая ступень коммутации в инверторе, сопровождающаяся изменением направления тока в цепи нагрузки. Цепь нагрузки оказывается подключенной параллельно конденсаторам, перезаряженным током обратной полярности. Ток источника напряжения Id перераспределяется между нагрузкой и конденсаторами, дополнительно заряжая их и вызывая изменение направления тока Iн. При этом ток диодов VD2, VD3 увеличивается до значения Id, а ток диодов VD1, VD4 уменьшается до нуля. Напряжение на входе инвертора возрастает и превышает значение IdRн. На этом полный цикл коммутации завершается.

Далее процессы повторяются. Отсекающие диоды отключают конденсаторы Cl, C2 от нагрузки на интервале между коммутациями, поэтому они не участвуют в энергообменном процессе. На интервале коммутации происходит обмен энергией между нагрузкой конденсаторами. Емкость конденсаторов должна быть достаточной для обеспечения времени, необходимого для запирания тиристоров. С другой стороны, емкость конденсаторов определяет значение напряжения, до которого они заряжаются. Это напряжение не должно быть слишком высоким, чтобы параметры тиристоров инвертора не приходилось завышать по максимальному напряжению. В этой схеме при резком изменении величины нагрузки или размыкании ее цепи возникают высокие перенапряжения на входе инвертора. Поэтому необходимо предусматривать специальную быстродействующую защиту. Короткие замыкания в цепи нагрузки не представляют большой опасности для тиристоров, так как ток ограничивается дросселем с большой индуктивностью.

Трехфазный мостовой инвертор тока.
По устройству и принципу работы этот инвертор аналогичен рассмотренному однофазному инвертору тока (рис. 10.17) Особенностью является лишь то, что в процессе коммутации конденсаторы С1, СЗ, С5 и С2, С4, С6 включены в каждый контур тока в виде двух параллельных цепей (один конденсатор и параллельно ему два последовательных конденсатора). В процессе работы открытыми являются один или два тиристора в анодной группе и, наоборот, два или один тиристор в катодной группе.

Рис. 10.17. Схема трехфазного мостового инвертора тока.

   Будем считать, что в начальный период времени открытыми оказались тиристоры VS1, VS3 в анодной группе и VS6 в катодной. В этом случае к нагрузке фаз А и В приложены напряжения, равные UA = UB = 1/3 Ud, а к фазе С – напряжение Uc = 2/3 Ud. При этом протекают соответствующие токи IA = IВ = I/3Id, IC = 2/3Id.
   По конденсаторам анодной группы С1, СЗ протекает ток заряда IС1 = IC3 = 1/3Id, а по конденсатору С5 – ток IC5= 2/3Id. Соответственным образом распределены заряды конденсаторов UC1 = UC3 = 1/3Ud и UC5 = 2/3Ud.
   По конденсаторам катодной группы С4, С6 протекает ток заряда IС4 = IC6 = l/3Id, а по конденсатору С2 – ток IC2 = 2/3Id. Соответственным образом распределены заряды конденсаторов UC4 = UC6 = l/3Ud и UC2= 2/3Ud Положительный потенциал у всех конденсаторов на левом выводе.
   Рассмотрим процесс включения тиристора VS2 и выключения тиристора VS1. При коммутации тока с VS1 на VS3 конденсатор С1 включен параллельно конденсаторам С2 и СЗ, соединенными последовательно между собой. При этом ток источника Id распределяется по конденсаторам в соотношении IC1 = 2Id/3 и IС2 = IC3 = Id/3.
   В межкоммутационный интервал перед коммутацией тиристора VS1 в момент ωt = 2π/3 ток нагрузки проводят тиристоры VS1 и VS6. Конденсаторы Cl, C5 заряжены, а конденсатор С3 разряжен.
   Исследуем коммутацию от момента включения VS2 Конденсатор С1 после включения VS2 подключен последовательно к VS1 и запирает последний обратным напряжением. Ток нагрузки теперь протекает через VS3. Ток тиристора VS3 распределяется: 2/3 его протекает через С1, а 1/3 – через СЗ и С5. при этом через отсекающий диод VD3 ток не протекает до тех пор, пока напряжение Uс1 не станет ниже значения IdRA. При дальнейшем снижении Uc1 потенциал анода VD3 становится положительным, диод открывается и его ток нарастает от нуля до значения Id. Ток же диода VD1 уменьшается от значения Id до нуля. Коммутация проходит в два этапа: мгновенное переключение тока в тиристорах и постепенное переключение тока в цепи нагрузки. Действующее значение фазного тока:

10.5. Расчет и выбор силовых полупроводниковых приборов.

Определение допустимого среднего тока. При некотором среднем прямом токе IFAV в полупроводниковом приборе возникают потери мощности PF. Этой мощности соответствует температура нагрева полупроводниковой структуры θJ, которая не должна превышать максимально допустимого значения θJmах. Температура θJ при данной мощности потерь PF определяется интенсивностью отвода теплоты, определяемой тепловым сопротивлением RT. В состоянии теплового равновесия при протекании тока IFAV мощность выделяющихся тепловых потерь PF равна мощности, отводимой от полупроводниковой структуры. Из этого условия определяется среднее максимально допустимое значение прямого тока, протекающего по полупроводниковому прибору:

где UTO – пороговое напряжение полупроводникового прибора, В; rT – дифференциальное сопротивление, Ом; kФ – коэффициент формы тока.

Определение максимально допустимой амплитуды тока.
Пользуясь выражением (10.25), можно определить максимально допустимый средний ток полупроводниковых приборов. Однако в современных преобразователях и аппаратах в большинстве случаев токовая нагрузка силового полупроводникового прибора имеет импульсный характер. При импульсной нагрузке приборы работают с большими амплитудами токов и меньшими углами проводимости. Расчет по среднему значению тока дает значительное превышение максимальной температуры полупроводниковой структуры по отношению к среднему значению. Поэтому при импульсных нагрузках для заданной частоты следования управляющих импульсов определяют максимально допустимую амплитуду тока. Для такого расчета используется суммарная мощность Pdev потерь в приборах, по которой определяется температура структуры θJ в конце импульса управления. Максимально допустимая амплитуда тока для диодов и тиристоров при импульсной нагрузке определяется по формуле: (10.26) где Pdmax – максимально допустимая мощность суммарных потерь полупроводникового прибора в импульсе, Вт.

   Расчет рабочей перегрузки.
   В случае возникновения аварийного режима полупроводниковые приборы и другие токоведущие элементы схемы преобразователя электрической энергии подвергаются перегрузкам по току. При этом полупроводниковые приборы, как правило, оказываются наиболее слабыми элементами цепи по токовой перегрузке вследствие сравнительно низких значений максимально допустимой рабочей температуры (не более 140°С). Критериями оценки работоспособности приборов при токовых перегрузках являются:
   • перегрузочные характеристики;
   • аварийные перегрузочные характеристики;
   • ударный неповторяющийся ток;
   • защитный показатель.

При этом виде перегрузок диод должен выдержать обратное напряжение, а тиристор, кроме этого, не должен переключаться в открытое состояние без подачи управляющего сигнала.

Перегрузочные характеристики для аварийных режимов определяются исходя из того, что тиристор теряет управляющую способность вследствие превышения максимально допустимой температуры, но не пробивается обратным напряжением. Ударный неповторяющийся ток ITSM и защитный показатель ∫I2FAVdt представляют собой параметры, превышение которых вызывает повреждение приборов вследствие теплового пробоя структуры. Использование этих показателей при расчете предполагает однократное воздействие. Показатель ∫I2FAVdt используют при определении параметров защиты преобразовательного устройства плавкими предохранителями. Для кратковременных перегрузок длительностью в один полупериод (10 мс) допустимый ток перегрузки можно найти исходя из допущения, что переходный тепловой процесс определяется эквивалентным импульсом длительностью t = 6 мс, а переходное тепловое сопротивление равно qT. За это время температура структуры повышается до максимально допустимого значения при мощности потерь РT. Таким образом,

Для более продолжительных перегрузок длительностью от нескольких периодов до 100 с, когда теплота от полупроводниковой структуры начинает рассеиваться в окружающую среду, допустимый ток перегрузки находится из условий работы с длительной серией импульсов перегрузки.

10.6. Групповое соединение полупроводниковых приборов.

Последовательное и параллельное соединение полупроводниковых приборов, применяемое для увеличения допустимых значений тока и напряжения в одной ветви мощного преобразователя, называется групповым соединением. Групповое соединение иногда применяется также для повышения надежности преобразователей, чтобы выход из строя отдельного прибора не нарушал работы всей установки. Из-за технологического разброса вольт-амперной характеристики при параллельном соединении отдельные полупроводниковые приборы перегружаются по току, а при последовательном – по напряжению. При групповом соединении тиристоров условия работы еще более ухудшаются из-за разброса временных характеристик. В динамических режимах приложения прямого напряжения при последовательном соединении тиристор с меньшим временем восстановления может оказаться под воздействием полного напряжения цепи и самопроизвольно включаться. При параллельном соединении тиристор, имеющий меньшее время включения, воспринимает весь ток главной цепи и может выйти из строя по причине теплового пробоя. Для обеспечения надежной работы силовых полупроводниковых приборов при их групповом соединении должны применяться меры для равномерного распределения тока при параллельном и напряжения при последовательном соединениях.

Последовательное соединение диодов.
Если требуется получить большие значения выпрямленного напряжения, применяют последовательное соединение диодов. Построение преобразовательной установки с одиночными диодами в этом случае не представляется возможным из-за недопустимо высокого обратного напряжения, которое будет приложено к силовым полупроводниковым приборам (рис. 10.18, а). Например, в выпрямительных установках тепловозов 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ7 и электровозов ВЛ60, ВЛ80 применяют диоды 7-го и 8-го классов, рассчитанные на номинальное напряжение 700…800 В. Однако номинальное напряжение на выходе выпрямительной установки составляет 1450...1650 В, а обратное напряжение в переходных процессах может достигать 4000 В.

Рис. 10.18. Последовательное включение силовых полупроводниковых приборов.
а – схема соединения; б – вольтамперные характеристики вентилей;
в – схема соединения с выравниванием обратных напряжений.

Число последовательно соединенных диодов в каждой фазе выпрямительной схемы с нулевым выводом или в каждом плече мостовой схемы выбирают так, чтобы напряжение на одном диоде при нормальном рабочем режиме не превышало его номинального повторяющегося обратного напряжения: nпосл = kнерkпUобрmax / kвUном (10.28) где kнер – коэффициент неравномерности распределения напряжения по последовательно включенным приборам (для лавинных диодов kнер = 1,0, для других kнер = 1,2...1,3); kп – коэффициент перенапряжений (kп = 1,2); Uобрmax – максимальное обратное напряжение, приложенное к диоду, В; kв– коэффициент, который зависит от типа применяемых диодов (для кремниевых диодов kв = 1,2). Перенапряжения на отдельных диодах, включенных последовательно, вызываются различными сопротивлениями отдельных диодов и различием их вольтамперных характеристик (рис. 10.18, б). Например, при последовательном включении диодов VD1 и VD2 с различными вольтамперными характеристиками общее обратное напряжение Uобр распределяется между ними неравномерно, так как при некотором общем обратном токе Iобр к диодам приложены разные напряжения Uобр1 и Uобр2. При увеличении температуры диодов эта разница и Iобрmах могут значительно возрасти. При последовательном включении диодов для равномерного распределения напряжения между ними параллельно диодам включают шунтирующие резисторы RШ. Эти резисторы образуют делитель напряжения, который делит общее обратное напряжение Uобр, приложенное ко всем диодам, на равные части Uобр1 = Uобр2 независимо от внутренних сопротивлений диодов. Сопротивления шунтирующих резисторов выбирают так, чтобы протекающий по ним ток был в несколько раз больше наибольшего обратного тока, протекающего через включенные последовательно диоды. Во избежание больших потерь энергии рекомендуется специально подбирать последовательно включаемые диоды по их вольтамперным характеристикам: диоды должны иметь одинаковый класс, близкие обратные ветви характеристики и одинаковые температурные коэффициенты. Лавинные диоды, которые допускают большие значения обратных токов, соединяют последовательно без шунтирующих резисторов. Если напряжение на каком-либо диоде, например VD1, достигает напряжения стабилизации, при котором происходит лавинный пробой, то дальнейшего увеличения обратного напряжения на данном диоде не происходит. Поэтому для лавинных диодов запас максимально допустимого напряжения составляет 1,3...1,5 Uoбpmах вместо 2...3 Uобрmах для обычных диодов. В случае применения тиристоров для выравнивания обратных напряжений используют резисторные делители напряжения и RС-цепочки (R1C1, R2C2), обеспечивающие снижение скорости нарастания прямого напряжения dUd /dt (рис. 10.18, в).

Параллельное соединение диодов.
Для получения большого выпрямленного тока применяется параллельное соединение диодов (рис. 10.19, а). Число параллельно включенных диодов выбирают так, чтобы ток, проходящий через каждый диод, не превышал номинального тока. При параллельном соединении нескольких диодов из-за различия прямых ветвей их вольтамперных характеристик распределение тока между диодами оказывается неравномерным. Больший ток протекает через диод, имеющий меньшее падение напряжения, т.е. более крутую вольтамперную характеристику (рис. 10.19, б). Например, при параллельном соединении диодов VD1 и VD2 с различными вольтамперными характеристиками напряжение A UB, приложенное к диодам, при включении в прямом направлении одинаково, а токи разные. Ток Iв2, проходящий через диод VD2, больше тока Iв1 в диоде VD1. Такая неравномерность в распределении тока нагрузки приводит к недопустимому нагреву диода и требует снижения мощности преобразователя. Для сглаживания неравномерности в распределении токов по отдельным параллельным ветвям специально подбирают диоды по их прямым вольтамперным характеристикам. При этом стремятся, чтобы параллельно включенные диоды имели близкие по величине падения напряжения (разность не более 0,02 В). Но даже и в этом случае неравномерность в распределении токов составляет около 20%. На это значение приходится снижать общий ток Id выпрямительной установки.

Количество параллельно включенных диодов можно ориентировочно определить исходя из соотношения: nпар = kнерkпIdmax / Iном (10.29)

Рис. 10.19. Параллельное включение силовых полупроводниковых приборов.
а – схема соединения, б – вольтамперные характеристики вентилей.

где kнер – коэффициент неравномерности распределения токов по параллельно включенным приборам (для большинства диодов промышленного применения kнер = 1,2...1,3); kп – коэффициент возможных перегрузок по току (kп = 1,2); Idmax – максимальный выпрямленный ток, А; Iном – номинальный ток диода, А.

При конструировании полупроводникового преобразователя задачу деления тока решают в каждом конкретном случае на основе технико-экономического обоснования. В частности, в локомотивных выпрямительных установках эта задача решена за счет более чем двукратного запаса по мощности. Длительный период монопольное положение среди силовых полупроводниковых приборов, используемых в статических преобразователях энергии, занимали силовой биполярный транзистор и обычный тиристор. Применение этих приборов позволило сделать качественный скачок в развитии силовой электроники. Однако присущие им недостатки в дальнейшем стали сдерживающими факторами в этой области. Принципиальными недостатками биполярного транзистора являются значительная мощность, потребляемая на управление, и большое напряжение насыщения. Недостатки тиристора – неполная управляемость и сравнительно низкое быстродействие (fs ≤ 1 кГц). Это проявляется в необходимости принудительной коммутации тиристора при его выключении. В результате затрудняется практическая реализация схем выпрямительно-инверторных преобразователей. Новые перспективы в принципиальном совершенствовании параметров транзисторов в части существенного снижения мощности управления и повышения быстродействия открыло создание силового МОП-транзистора. В настоящее время МОП-транзисторы используются на рабочие напряжения, не превышающие 400 В. Из-за относительно высоких значений сопротивления мощные МОП-транзисторы уступают биполярным в отношении потерь мощности в проводящем состоянии. Компромиссным техническим решением, позволившим реализовать положительные качества как биполярных, так и МОП-транзисторов, стало создание IGBT-транзисторов (биполярный транзистор с полевым управлением). Эти транзисторы обладают хорошими частотными свойствами (fs > 20 кГц), крайне низкими значениями мощности управления и падения напряжения (2,5... 3,5 В) в проводящем состоянии при рабочих напряжениях до 1700 В и токе 1200 А. Благодаря этим качествам область использования IGBT-транзисторов постоянно расширяется и начинает занимать доминирующее положение в устройствах преобразовательной техники средней и большой мощности. На основе IGBT-транзисторов в настоящее время разрабатывается большинство силовых электронных устройств. Практически все крупнейшие фирмы мира, производящие электронную продукцию, развивают новые технологии IGBT-транзисторов. Появилась возможность создания унифицированной схемы выпрямительно-инверторного преобразователя энергии VT1– VT6. С использованием модулей IGBT-транзисторов разработан статический преобразователь энергии для привода переменного тока скоростного электропоезда «Сокол» (рис. 10.20).

Рис. 10.20. Статический преобразователь энергии электропоезда «Сокол»

Для увеличения допустимого диапазона рабочих мощностей статического преобразователя энергии IGBT-транзисторы могут работать параллельно. При этом для обеспечения оптимального распределения токов должно быть выполнено следующее условие: параллельно включенные IGBT -транзисторы должны быть расположены рядом друг с другом для обеспечения одинаковых условий работы. По этой причине они выполняются в виде модулей из двух, четырех или шести транзисторов с отсекающими диодами на общей подложке.

Рис. 10.21. Выпрямительная установка УВКТ-5 тепловоза.

Все силовые электрические соединения должны быть выполнены симметрично и с минимальной индуктивностью соединений. Соединения между схемой управления и параллельно включенными IGBT-транзисторами также должны быть симметричны и обладать минимальной индуктивностью. Значения порогового напряжения затвора и напряжения насыщения открытого транзистора должны быть близкими.

Параллельно-последовательное соединение диодов.
В мощных высоковольтных полупроводниковых преобразователях электроэнергии применяется параллельно-последовательное соединение диодов. В этом случае предпочтение отдают лавинным диодам, так как технология их изготовления обеспечивает более равномерную структуру р – n-перехода и меньший разброс вольтамперных характеристик, чем у простых диодов. Например, в одном плече тепловозной выпрямительной установки УВКТ-5 имеется десять параллельных ветвей по два последовательно соединенных диода в ветви (рис. 10.21).

10.7. Системы управления статическими преобразователями.

   Требования к системам управления полупроводниковыми преобразователями. Эти системы должны соответствовать следующим требованиям.
   1. Создавать синхронизированную с напряжением питающей сети m-фазную систему импульсов управления, каждый из которых способен включить силовой полупроводниковый прибор, применяемый в схеме преобразования.
   2. Обеспечивать требуемый сдвиг по фазе импульсов управления относительно напряжения питания.
   3. Для надежного открывания силовых полупроводниковых приборов, применяемых в преобразователях напряжения и имеющих различные значения сопротивления управляющего перехода, вырабатывать такие значения тока и напряжения управления, которые обеспечивают их гарантированное включение с учетом максимальной мощности, выделяемой на управляющем переходе. Так как сопротивление управляющего перехода силовых полупроводниковых приборов обычно составляет 20...30 Ом, а выпрямленный ток Id = 50...500 А, то напряжение на выходе устройства управления должно быть не более 12 В. Это свойство силовых полупроводниковых приборов дает возможность применять в системах управления маломощные полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, интегральные микросхемы и т.п.).
   4. Обратное напряжение, подаваемое на управляющий электрод силовых полупроводниковых приборов, не должно превышать 1,0 В. Наличие обратного напряжения на управляющем электроде может привести к увеличению обратного тока и выходу его из строя.
   5. Для четкого открытия силовых полупроводниковых приборов и уменьшения мощности потерь во всех режимах работы формируемые импульсы управления должны иметь крутой передний фронт.
   6. Для предотвращения неравномерной нагрузки фаз симметрия управляющих импульсов, подаваемых на приборы различных фаз, должна поддерживаться с точностью 1...2 эл. град, во всем диапазоне фазового управления.
   7. Для возможности регулирования выходного напряжения от нуля до максимального значения должен быть обеспечен полный диапазон изменения угла управления α.

Основные узлы систем управления.
Разработано большое количество систем управления силовыми полупроводниковыми приборами, число которых непрерывно возрастает. Это обусловлено широким развитием силовой полупроводниковой техники и постоянным расширением областей ее применения. Современные системы управления выполняются на основе полупроводниковых и магнитных элементов. С развитием микроэлектроники широкое применение в системах управления находят различные интегральные микросхемы и микропроцессорные устройства. В качестве магнитных элементов преимущественно используются импульсные трансформаторы. По способу обработки сигналов системы управления делятся на аналоговые, в которых входной и выходной сигналы представляют собой непрерывные величины, и цифровые, в которых входной и выходной сигналы являются дискретными величинами. Входные устройства предназначены для формирования напряжений управления, подаваемых на управляющие электроды и синхронизированных с переменным напряжением U2, и распределения их по каналам управления соответственно алгоритму подключения силовых полупроводниковых приборов. Так, при трехканальной системе управления выпрямителями на тиристоры должны поступать отпирающие импульсы, сдвинутые относительно друг друга на угол 120 эл. град. Для управления тиристорами шестифазного выпрямителя с нулевой точкой система управления должна формировать отпирающие импульсы, сдвинутые один относительного другого на угол 60 эл. град. Чаще всего в качестве входных устройств используются микропроцессорные устройства. Они включают в себя три основные, достаточно четко выраженные как функционально, так и конструктивно составные части (подсистемы): вычислительную, интерфейсную и электропитания (рис. 10.22).

Рис. 10.22. Функциональная схема микропроцессорной системы регулирования.

   Аппаратура микропроцессорных систем осуществляет ввод информации от датчиков или командных устройств, логическую обработку этой информации в заданной последовательности и вывод полученных результатов для управления исполнительными устройствами. Задачи, решаемые каждым конкретным устройством, определяются алгоритмом его работы – упорядоченной последовательностью действий с конечным числом операций, приводящей к получению определенного результата. Последовательность выполнения операций (программа работы) закладывается в структуру электрической схемы и связи между программными и аппаратными средствами – электронными и электромеханическими элементами, входящими в состав системы. Практика создания микропроцессорных автоматических систем подтвердила целесообразность их выполнения в виде специализированных модулей, проблемно и функционально ориентированных в рамках определенных задач, алгоритмов и функций. Под модулем в данном случае понимается конструктивно законченное устройство, позволяющее самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать вычислительные или управляющие задачи заданного класса.
   Характерной особенностью такого построения систем является то, что независимо от решаемых задач электрическая схема и набор функциональных модулей могут оставаться постоянными. Различие в системах сводится к реализации заданных алгоритмов управления.
   Вычислительная часть системы обычно представлена модулем процессора – кристаллом большой или сверхбольшой интегральной микросхемы (СБИС), который содержит все логические элементы, необходимые для образования полноценной вычислительной системы.
   По своим возможностям и быстродействию он примерно соответствует микроЭВМ, но не имеет (за ненадобностью) клавиатуры, дисковода, жесткого диска, видеосистемы и столь большого, как у его стационарного прототипа, объема оперативной памяти. Вычислительная часть предназначена для обработки числовой информации о состоянии объекта регулирования и определения необходимых управляющих воздействий на объект. Микропроцессор со вспомогательными устройствами называется микроконтроллером, который по своей природе является роботом. Он обладает массой возможностей, но не сделает ничего, если ему не сообщить, что делать. Указания для него находятся в памяти, например в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), которое хранит управляющую программу.

   Внутренняя структура, или, как говорят, архитектура микроконтроллера, определяется его функциями. Обработку и пересылку данных микропроцессор, входящий в состав микроконтроллера, осуществляет с помощью наборов электрических импульсов, соответствующих его машинному языку.
   Алфавит этого языка имеет всего два символа: 0 и 1. Выбор такого алфавита объясняется тем, что технически наиболее просто различить одно из двух возможных состояний элементарного электрического сигнала. Для осуществления операций с двоичными сигналами в составе микропроцессора имеется набор цифровых устройств – триггеров, регистров, счетчиков, сумматоров и различных комбинационных логических схем. К основным характеристикам микропроцессора относят:
   • длину слова (число битов в одной кодовой комбинации)
   • число и схему организации внутренних регистров.
   • число портов для ввода и вывода информации.
   • набор команд.
   • быстродействие – число операций за одну секунду.

Чем выше численное значение указанных характеристик, тем большими возможностями обладает микропроцессор. Синхронизация работы микропроцессорной системы представляет собой точное временное согласование работы всех ее частей для выполнения заданных операций. Минимальный промежуток времени, фиксируемый в микроконтроллере периодом системных тактовых сигналов, соответствует времени выполнения одной микрооперации.
Этот показатель определяет максимальное быстродействие машины по отношению к элементарным преобразованиям информации. Системные тактовые сигналы поступают в том или ином виде на все устройства микропроцессорной системы. Интерфейсная часть системы (от англ. interface – стык, область контакта, взаимодействия) включает в себя средства ввода аналоговых сигналов, дискретных и частотных сигналов датчиков, а также средства вывода аналоговых, дискретных и управляющих сигналов. Кроме того, к интерфейсной части системы относятся датчики, обеспечивающие первичное преобразование аналоговых сигналов. Электрические схемы вычислительного устройства и статических преобразователей должны быть гальванически развязаны. Гальваническая развязка высоковольтных (объекта регулирования) и низковольтных (вычислительного устройства) цепей предназначена для исключения повреждения последних пиковыми выбросами напряжения. Такие выбросы всегда присутствуют в цепях, коммутирующих индуктивные нагрузки (катушки реле, контакторы и электропневматические вентили). Развязка является необходимым условием надежной работы вычислительного устройства микропроцессорной системы.

Под гальванической развязкой подразумевается передача сигнала от источника к приемнику при отсутствии их (источника и приемника) гальванической связи (т.е. непосредственной связи электрическими проводниками). Для передачи электрического сигнала между гальванически развязанными цепями чаще всего используется либо энергия магнитного поля (трансформаторная развязка, рис. 10.23), либо энергия светового излучения (оптронная развязка, рис. 10.24), чаще всего для уменьшения внешних воздействий в инфракрасном диапазоне. При работе с высоковольтными аналоговыми электрическими сигналами (например, напряжение и ток силовой схемы локомотива) их гальваническая развязка, а также, при необходимости, первичное масштабирование (пропорциональное понижение уровня) сигнала осуществляется в специальных устройствах, называемых датчиками. При измерении неэлектрических величин датчики осуществляют также преобразование физической природы сигнала.

Рис. 10.23. Схема трансформаторной гальванической развязки.

Рис. 10.24. Схема оптронной гальванической развязки.
DA – оптрон; Un – напряжение питания.

Например, перемещение реек топливных насосов высокого давления (ТНВД) преобразуется с определенным масштабным коэффициентом в электрическое напряжение на соответствующем входе интерфейсной части микропроцессорной системы. Подсистема электропитания предназначена для формирования напряжений питания, необходимых для работы всех составных частей системы. Она обязательно присутствует в бортовых системах регулирования силовых установок транспортных средств, поскольку бортовые сети последних не приспособлены для питания подобных устройств, но может отсутствовать в стационарных системах, питаемых от внешних источников питания. Все сказанное справедливо для любой микропроцессорной системы автоматического регулирования и управления (локомотива, автомобиля, самолета, прокатного стана и т.д.).

Работа микропроцессорной системы.
Логика работы микропроцессорной системы, т.е. порядок ее взаимодействия с объектом, полностью определяется управляющей программой вычислительной части системы. Управляющей программой называется циклически замкнутая, непрерывно выполняемая вычислительной частью системы последовательность операций. Эта последовательность обеспечивает определенный порядок взаимодействия микропроцессорной системы регулирования с объектом регулирования. Сам порядок взаимодействия, реализуемый управляющей программой, называется алгоритмом работы системы.

   Фазосдвигающие устройства используются в системах управления статическими преобразователями для регулирования фазы управляющих импульсов. Схемы получения управляющих импульсов и сдвига их по фазе в реальных фазосдвигающих устройствах бывают различными. В электромагнитных системах управления (например, на тепловозе 2ТЭ116 это блок БА-520) переменное напряжение сначала изменяется по форме, а затем сдвигается по фазе (рис. 10.25).
   Блок БА-520 состоит из функциональных узлов:
   - синхронизирующей цепи (СЦ),
   - преобразователя напряжения (ПН),
   - широтно-импульсного модулятора (ШИМ),
   - сдвигающей цепочки (РЦ) и
   - двух блокинг-генераторов (БГ).

   СЦ – синхронизирующая цепь;
   ПН – преобразователь напряжения;
   ШИМ – широтно-импульсный модулятор;
   РЦ – сдвигающая цепочка;
   БГ1 и БГ2 – блокинг-генераторы.

Входное переменное напряжение подается на синхронизирующую цепь, осуществляющую переключение транзисторов ПН синхронно с частотой напряжения питания. Преобразователь напряжения питает ШИМ, который через сдвигающую цепочку (РЦ) запускает поочередно блокинг-генераторы. На выходах блокинг-генераторов формируются импульсы заданной длительности и напряжения. Фазосдвигающее устройство (рис. 10.26) содержит генератор опорного напряжения (ГОН), выходное напряжение которого равно напряжению U2 и нуль-орган (НО). На вход нуль-органа, кроме опорного напряжения Uoп, в данном случае имеющего пилообразную форму, подается внешнее напряжение Uу. В момент равенства напряжений Uoп и Uy нуль-орган переключается. При изменении значения Uy изменяется момент времени переключения нуль-органа, в результате изменяется фаза управляющих импульсов относительно начала положительной полуволны напряжения U2.
Нуль-орган фазосдвигающего устройства имеет выходной сигнал малой мощности и произвольной формы. Поэтому для получения управляющих импульсов требуемой формы и длительности, гальванической развязки системы управления с силовой частью статического преобразователя, усиления импульсов и размножения их при групповом соединении силовых полупроводниковых приборов предназначен один узел, именуемый обычно формирователем импульсов (ФИ).

Рис. 10.26. Функциональная схема (а) и диаграммы работы (б) фазосдвигающего устройства:
ГОН – генератор опорного напряжения; НО – нуль-орган; ФИ – формирователь импульсов

Рис. 10.27. Схема транзисторного формирователя импульсов.

На рис. 10.27 приведена схема транзисторного формирователя импульсов. Когда с выхода нуль-органа на базу транзистора VT1 поступает импульс напряжения управления Uно, транзистор VT1 открывается и через первичную обмотку трансформатора Т протекает кратковременный импульс тока. Со вторичной обмотки трансформатора усиленный короткий импульс тока Iу поступает на управляющий электрод тиристора VSL. При параллельном или последовательном соединении тиристоров трансформатор Т может иметь несколько выходных обмоток. Резистор R2 ограничивает коллекторный ток во время насыщения трансформатора. Диод VD1 защищает транзистор от перенапряжения при его выключении. Диод VD2 не пропускает отрицательные импульсы вторичной обмотки трансформатора Т на управляющий электрод тиристора. Для управления мощными тиристорами широкое применение нашли формирователи импульсов на маломощных тиристорах с малыми токами управления (рис. 10.28). В исходном состоянии конденсатор С заряжается от источника задающего напряжения Uп через VD1. При подаче импульса напряжения Uвх, поступающего с выхода нуль-органа, открывается вспомогательный тиристор VS1 и конденсатор С разряжается по цепи: первичная обмотка трансформатора T – R2 – VS1. Параметры этой цепи выбирают так, чтобы в первичной обмотке протекал короткий импульс тока, а на вторичной – индуцировался узкий импульс тока Iу с крутым передним фронтом для гарантированного открытия силового тиристора VS2.

Рис. 10.28. Схема тиристорного формирователя импульсов.

Использование трансформаторов для гальванической развязки системы управления и силовой части преобразователя имеет некоторые недостатки. В процессе коммутации тиристоров импульсами тока большой амплитуды в разрядных цепях сопровождается высоким уровнем помех. Из-за наличия паразитных (электромагнитных и емкостных) связей между первичной и вторичной обмотками эти помехи распространяются по соединительным проводам. Более перспективным средством обеспечения гальванической развязки в цепях преобразователя и повышения помехозащищенности является применение схем формирователей импульсов с оптоэлектронными приборами. В качестве управляемого элемента в таких формирователях импульсов используются диодные, транзисторные и тиристорные оптоэлектронные приборы. На рис. 10.29 представлена одна из типовых оптоэлектронных схем, используемых в качестве конечного узла формирователя импульсов для коммутации силового тиристора VS1. Схема состоит из входного формирователя сигнала управления, выполненного на инверторе DD1, оптрона гальванической развязки DA1 и силового транзистора VT1. Диоды VD1 и VD2 служат для защиты силового транзистора VT1 и выходного транзистора оптрона DA1 от превышения напряжения и напряжения обратной полярности.

Работа схемы сводится к следующему. При низком уровне напряжения Uно на входе инвертора DD1 на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения, в результате чего светодиод и фототранзистор оптрона DA1 находятся в закрытом состоянии. Делитель напряжения R5–R4 подает на затвор силового транзистора VT1 напряжение положительной полярности, которое удерживает его в открытом состоянии. В этих условиях импульсы управления силовым тиристором VS1 не формируются. Если на входе инвертора DD1 устанавливается высокий уровень напряжения, то на его выходе будет низкий уровень. При этом светодиод оптрона DA1 открывается положительным напряжением Uп1, и его излучение в свою очередь открывает фототранзистор оптрона DA1. В результате шунтируется переход затвор – сток силового транзистора VT1 и последний закрывается, подавая импульс управления от Uп2 через резистор R6 на управляющий электрод силового тиристора VS1.

Рис. 10 29. Схема формирователя импульсов системы УСТА
(унифицированная система тепловозной автоматики)

Описанная схема формирователя импульсов обеспечивает полную гальваническую развязку цепей управления и нагрузки преобразователя, а также помехозащищенность схемы в закрытом состоянии. Это обусловлено тем, что светодиод оптрона имеет собственный порог срабатывания.

Коммутация тиристоров преобразователей напряжения.
Для принудительного запирания тиристора, включенного в цепь постоянного тока, приходится применять специальные меры. Выключить тиристор можно, уменьшая прямой ток ниже значения тока удержания, но в этом случае время запирания тиристора будет относительно большим. Чтобы закрыть тиристор в течение минимального времени, к нему нужно приложить обратное напряжение. Тиристор запирается с помощью искусственной (принудительной) коммутации, которая осуществляется кратковременным пропусканием через него тока в обратном направлении. В результате чего его анодный ток уменьшается до значения тока выключения. Обратный ток и напряжение могут быть получены от специального источника постоянного тока, но в большинстве случаев этим источником является предварительно заряженный конденсатор, называемый коммутирующим. Если для выключения силовых тиристоров используются специальные коммутирующие тиристоры, то коммутация называется искусственной. В этом случае для выключения силовых тиристоров на коммутирующие тиристоры подают управляющие импульсы. В тех случаях, когда снижение тока силового тиристора происходит в результате колебательного процесса в контуре коммутации без применения коммутирующих тиристоров, говорят о естественной коммутации.

По скорости замедления тока разряда конденсатора различают системы с мгновенной и замедленной коммутацией. В системах с замедленной коммутацией производные тока ограничиваются индуктивностью коммутирующих реакторов.

   При искусственной коммутации к тиристорам предъявляют ряд требований:
   - иметь минимальные значения времени включения (менее 10 мкс) и выключения (менее 25 мкс);
   - иметь по возможности близкие электрические параметры;
   - выдерживать значительные скорости нарастания тока (более ЮОА/мкс) и напряжения (более 100 В/мкс).
Для этой цели лучше всего подходят тиристоры ТЧ (высокочастотные) и ТБ (быстродействующие). Коммутирующие конденсаторы также должны обеспечивать при разряде высокую скорость нарастания тока, большую амплитуду и надежно работать при высокой температуре.
   Применяя искусственную коммутацию, можно создавать бесконтактные выключатели и переключатели постоянного тока, автономные инверторы, преобразователи частоты в устройствах импульсного регулирования напряжения. В схеме рис. 10.30, а запирание тиристора VS1 обусловлено резонансным характером нагрузки в его цепи. При отпирании тиристора VS1 рабочий ток, проходящий через него, заряжает конденсатор С с полярностью, указанной на схеме в скобках. Затем рабочий ток в колебательном контуре, образованном реактором L и конденсатором С, спадает до нуля. Конденсатор перезаряжается (полярность указана без скобок), его ток изменяет свое направление, тиристор VS1 запирается. Время, в течение которого тиристор VS1 находится в открытом состоянии, равно половине периода собственных колебаний резонансного контура: t = π√LC. Нагрузка Rн может быть включена как параллельно конденсатору С, так и последовательно с резонансным контуром LC. В схеме на рис. 10.30, б запирание тиристора VS1 также происходит из-за резонансного изменения направления проходящего через него тока, но это осуществляется с помощью вспомогательного LC-контура. До включения тиристора VS1 конденсатор С заряжается (полярность указана в скобках). Когда тиристор VS1 открывается, он шунтирует контур LC, конденсатор С перезаряжается через реактор L и его полярность изменяется на обратную (эта полярность указана без скобок). Во время этого процесса через тиристор VS1 протекают два тока – ток нагрузки и ток перезаряда конденсатора. Вначале эти два тока совпадают по направлению, затем ток разряда конденсатора начинает протекать через тиристор VS1 в направлении, противоположном току нагрузки. Когда суммарный ток падает до нуля и затем изменяет свое направление, тиристор VS1 закрывается. Для увеличения продолжительности открытого состояния тиристора VS1 при искусственной коммутации в таких схемах иногда используют реакторы или автотрансформаторы с нелинейной индуктивностью (с насыщающимися сердечниками, имеющими прямоугольную петлю гистерезиса).

Рассмотренные способы коммутации широко используются в автономных инверторах и регуляторах, служащих для частотно-импульсного регулирования напряжения. На схеме рис. 10.30, в тиристор VS1 запирается параллельно подключенными конденсатором С и тиристором VS2. Переключение тиристоров производится устройством управления, импульсы которого подаются поочередно на управляющие электроды тиристоров VS1 и VS2. Когда тиристор VS1 открыт, через резистор Rн2 и конденсатор С протекает ток заряда и на конденсаторе устанавливается полярность, указанная в скобках. При отпирании тиристора VS2 конденсатор С разряжается на тиристор VS1 в направлении, противоположном протеканию тока нагрузки, и тиристор VS1 запирается. После закрытия тиристора VS1 конденсатор С начинает заряжаться через резистор Rнl и приобретает противоположную полярность. При повторном открытии тиристора VS1 происходит перезаряд конденсатора С. Он разряжается на тиристор VS2, вследствие чего этот тиристор запирается. Этот способ коммутации тиристоров широко применяется в автономных инверторах. На схеме рис. 10.30, г запирание силового тиристора VS1, включенного в цепь нагрузки Rн, осуществляется коммутирующим конденсатором С или LC-контуром, подключаемым к тиристору VS1 коммутирующим тиристором VS2 малой мощности. Перезаряд коммутирующего конденсатора С происходит через цепочку, содержащую индуктивность L и диод VD1. Предварительно открытием коммутирующего тиристора VS2 конденсатор С заряжается через нагрузочный резистор Rн и приобретает полярность, указанную в скобках. Затем открывается силовой тиристор VS1 и происходит перезаряд конденсатора через резонансный контур, образованный конденсатором Си индуктивностью L. Если бы в этот контур не был включен диод VD1, то происходил бы непрерывный процесс заряда и разряда конденсатора, и ток в контуре изменял бы свое значение и направление с резонансной частотой. Однако диод VD1 не позволяет этому току изменять свое направление. Поэтому происходит лишь однократный перезаряд конденсатора С, и он приобретает полярность, указанную на схеме без скобок. При повторном включении коммутирующего тиристора VS2 конденсатор С разряжается на силовой тиристор VS1, и он закрывается. При этом конденсатор С снова перезаряжается через нагрузочный резистор Rн и приобретает первоначальную полярность, т.е. оказывается подготовленным для нового цикла работы. Этот способ коммутации широко применяется в регуляторах, которые служат для широтно-импульсного регулирования напряжения.

Рис. 10.30. Схемы коммутации тиристоров. а – естественная коммутация; б – с помощью дополнительного LC-контура;
в – с помощью коммутирующего конденсатора С, г – с помощью коммутирующего тиристора VS2;
д – с помощью дополнительного источника напряжения GB

В схеме рис. 10.30, д силовой тиристор VS1 запирается импульсами тока, которые подаются от внешнего источника напряжения. В простейшем случае в качестве ключа, подключающего к тиристору VS1 источник обратного напряжения GB, может служить транзистор VT1. Можно также подавать импульс обратного тока от внешнего импульсного генератора через трансформатор тока, включенный последовательно с нагрузкой.

Глава 11.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ.

11.1. Тяговые генераторы тепловозов.

Тяговые генераторы тепловозов предназначены для преобразования механической энергии дизеля в электрическую, которая передается тяговым электродвигателям. В момент пуска дизеля тяговые генераторы постоянного тока работают кратковременно в режиме электродвигателя с последовательным возбуждением, приводя во вращение коленчатый вал дизеля. Технические характеристики тяговых генераторов тепловозов постоянного тока приведены в табл. 11.1.

   На тепловозах тяговый генератор может быть соединен с дизелем одним из двух возможных способов.
   При первом способе станина генератора жестко соединена с картером дизеля, а корпус якоря – с коленчатым валом. Кроме того, станина имеет лапы, которыми опирается на поддизельную раму. Вследствие того, что магнитная система и якорь закреплены независимо и жестко, для получения минимальных биений цилиндрической поверхности коллектора по отношению к щеткодержателям вал центрируется в щите сферическим подшипником. Нагрузка на этот роликоподшипник определяется несоосностью якоря и магнитной системы с щеткодержателями.
   Таким способом соединены тяговые генераторы с дизелями типов Д50, ПД1М на тепловозах серий ТЭМ1, ТЭМ2.

Второй способ предусматривает соединение вала якоря тягового генератора с коленчатым валом дизеля через полужесткую муфту. Станина тягового генератора опирается лапами на поддизельную раму.
На тепловозах 2М62 (с дизелем 14Д40), ТЭ40 (с дизелем Д70), ТЭШО (с дизелем 11Д45), ТЭ109, V300, 2ТЭ116, 2ТЭ121 (с дизелем Д49) используется этот способ соединения. Устройство тяговых генераторов постоянного тока различных типов имеет свои особенности, хотя здесь можно выделить и общие технические решения. Наиболее типичным по конструкции является тяговый генератор ГП311Б тепловозов 2ТЭ10 всех модификаций. Основными узлами этого генератора (рис. 11.1) являются якорь, магнитная система, состоящая из станины, главных и добавочных полюсов, подшипниковый щит, траверса со щеткодержателями и торцовый патрубок для подвода охлаждающего воздуха.

Таблица 11.1. Технические характеристики тяговых генераторов тепловозов

Характеристики	Тип тягового генератора
Характеристики	МПТ-84/39	МПТ-120/49	ГП300Б	ГП311Б	ГП3ПВ	ГП312
Серия тепловоза	ТЭМ1	ТЭ10, ТЭП10, 2ТЭ10Л	ТЭМ2, ТЭМ2М	2ТЭ10М, ЗТЭ10М, 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В	ТЭП60, 2ТЭП60	М62, 2М62
Мощность, кВт	700	2000	780	2000	2000	1270
Ток продолжительного режима, А	1200	4260	1210	4320	4320	3570
Напряжение, В1	900/700	700/470	870/645	700/465	635/465	570/365
Частота вращения, об/мин	740	850	750	850	750	750
Тип обмотки якоря	Петлевая	Лягушачья	Петлевая	Петлевая	Петлевая	Петлевая
Число полюсов: главных2 добавочных	8 8	10 10	8 8	10 10	10 10	10 10
Воздушный зазор, мм: под серединой главного полюса под добавочным полюсом	4 6,8	3 15	4 8	5 15,5	5 15,5	5 9,5
Число коллекторных пластин	380	465	380	465	465	444
Масса, кг	4500	9500	5000	8900	9000	7400

В числителе указано максимальное напряжение, а в знаменателе – номинальное. Все типы генераторов имеют независимое возбуждение.

Конструкция якоря. Якорь тепловозных тяговых генераторов (см. рис. 11.1) изготовляют с укороченным валом 1. Такая конструкция, называемая «безвальной конструкцией», позволяет снизить массу тягового генератора и температуру нагревания обмотки, а кроме того, уменьшить трудоемкость изготовления и ремонта. Радиально-осевая система охлаждения якоря, примененная в генераторе ГП311Б, требует свободного подвода воздуха в центральную часть якоря (для входа в радиальные каналы). С этой целью корпус имеет ребристую конструкцию и состоит из сварнолитого барабана 19, к которому приварены два литых фланца. Задний фланец используется для соединения с валом дизеля, а передний – для напрессовки коллектора 4. К барабану корпуса приварены диски продольных ребер 18.

Рис. 11.1. Разрез генератора ГП311Б.
1 – вал; 2 – подшипник; 3 – манжета (изоляция коллектора); 4 – коллекторная пластина; 5 – подшипниковый щит; 6 – щеткодержатель, 7– траверса; 8– пусковая обмотка; 9– обмотка возбуждения; 10– сердечник главного полюса; 11 – станина; 12 – сердечник добавочного полюса; 13 – сердечник якоря; 14 – защитная шайба; 15 – бандаж; 16 – обмотка якоря; 17 – нажимная шайба; 18 – ребро вала якоря; 19 – барабан; 20 – опора станины; 21 – смотровое окно; 22 – нажимная коническая шайба.

Сердечник 13 якоря состоит из пяти штампованных сегментов, которые собирают на продольные шпильки, проходящие через отверстия в сегментах.
Мощные тяговые генераторы ГП311Б, МПТ-120/49, МПТ-120/55А имеют диаметр якоря 1 200 мм. Их сердечники собраны из сегментов, так как наибольший стандартный размер листа электротехнической стали 1000×2000 мм. Собранный и спрессованный сердечник удерживается на корпусе двумя стальными обмоткодержателями, стянутыми шпильками и прикрепленными к корпусу болтами и призонными штифтами. Назначение штифтов – предотвратить смещение обмоткодержателей под действием угловых ускорений при пуске дизеля и работе генератора. Радиальный натяг между сердечником и корпусом якоря создается расклиниванием шпонок при нагретом сердечнике. Каждый лист сердечника якоря имеет 155 пазов. Для создания радиальных каналов сердечник разделяют на пакеты и между ними прокладывают листы с распорками (для вентиляции).

Конструкция коллектора. Коллектор генератора ГП311Б (рис. 11.2) относится к арочному типу и собран из 465 трапециевидных пластин 4 повышенной твердости (до 100 НВ). Материалом для них служит твердотянутая коллекторная медь с присадкой серебра от 0,07 до 0,14% или кадмия. Легирующие присадки примерно вдвое увеличивают износостойкость коллектора. В тяговых генераторах мощностью 2000 кВт с большим диаметром якоря (1200 мм) применяют коллекторные пластины с ленточными (гибкими) петушками, изготовленными из медной ленты сечением 2×20 мм. Нижняя часть петушка припаяна твердым припоем к коллекторной пластине, а к верхней части приклепана и припаяна полоска, в которую впаивают припоем ПОС-61 концы катушек обмотки якоря и уравнительные соединения. Между гибкими петушками установлены изолирующие прессованные прокладки для предохранения от замыканий при пайке концов обмотки. В тяговых генераторах меньшей мощности (МПТ-84/39, ГП300Б, МПТ-99/47А) петушки выполнены из коллекторной меди и припаяны к пластинам твердым медно-фосфористым припоем. Для уменьшения массы коллектора и площади боковой поверхности пластин в них сделаны отверстия. Пластины изолированы друг от друга коллекторным миканитом толщиной 1 мм. Используется коллекторный миканит марок КФГ и КФШ толщиной (0,8... 1,2 ± 0,04) мм.

Рис. 11.2. Коллекторная пластина генератора ГП311Б:
1 – петушок; 2 – крепление петушка; 3 – коллекторная пластина; 4 – накладка; 5 – изоляция

В коллекторе арочного типа пластины имеют выточки в форме «ласточкина хвоста», в которые входят конусные части корпуса якоря с одной стороны и нажимной шайбы 22 (см. рис. 11.1) с другой. Пластины стянуты этими стальными конусами и шпильками из легированной стали марки 12ХН2, термически обработанными для достижения высокой прочности и вязкости. От корпуса они изолированы манжетами 3 толщиной 2 мм из формовочного миканита марок ФМГ и ФФГА на термореактивной глифталевой смоле.
Выступающую часть манжеты предохраняют от повреждения бандажом и покрывают, как и торцовые части пластин, изоляционной эмалью. Чтобы внутренние части коллектора не увлажнялись, места посадки нажимной шайбы на корпус коллектора уплотняют (герметизируют) с помощью пропитанного шнура и снаружи промазывают стык густыми цинковыми белилами. Диаметр коллектора 850 мм, длина рабочей части 370 мм.

Устройство обмотки якоря. Чтобы получить большее число параллельных ветвей без увеличения числа полюсов применена многоходовая петлевая обмотка. Сложные якорные обмотки выполняют в тяговых генераторах, предназначенных для тепловозных дизелей большой мощности, работающих при сравнительно высокой частоте вращения. Тяговые генераторы мощностью 1350 кВт и выше выполняют с двухходовой петлевой или лягушечьей обмоткой якоря (генераторы МПТ-99/47А). Первые выпуски генераторов ГП311Б также имели двухходовую лягушечью обмотку, состоящую из двухходовой петлевой обмотки и волновой обмотки, уложенной в пазы 1 – 17. Секция волновой обмотки соединена с пластинами 1 и 92, а петлевой – с пластинами 44 и 46. Секции петлевой и волновой обмоток присоединяют к одним и тем же петушкам коллектора. Секции волновой обмотки, помимо своих основных функций, выполняют роль уравнительных соединений для петлевой обмотки и наоборот. В каждом пазу якоря уложены 12 проводников 4 из шинной меди размером 2,83×5,5 мм (рис. 11.3). Катушка состоит из трех элементарных одновитковых секций и изолируется на полное рабочее напряжение. В прорезь петушка коллектора впаивают четыре проводника, расположенных по вертикали. Каждый проводник изолирован одним слоем микаленты (вполнахлеста) ЛФЧ1 толщиной 0,1 мм. Три проводника полукатушки изолированы тремя слоями микаленты толщиной 0,13 мм (вполнахлеста) и скреплены одним слоем встык стеклянной ленты толщиной 0,1 мм. В лобовых частях катушек проводники изолированы одним слоем микаленты вполнахлеста, а между слоями обмотки кладут миканитовую изоляцию толщиной не менее 1 мм. Концы пазов якоря дополнительно изолированы картоном и миканитом. На дно паза уложена миканитовая прокладка 8. Для защиты изоляции от загрязнения охлаждающим воздухом, который непосредственно омывает части катушки и проходит через радиальные вентиляционные каналы сердечника, катушку дополнительно изолируют коробочкой из электрокартона толщиной 0,3 мм.

Тяговые генераторы ГП311Б выпуска 1971 г. и позднее имеют петлевую ступенчатую двухходовую несимметричную обмотку якоря с полным числом уравнительных соединений первого рода, уложенных со стороны коллектора. Эти генераторы работают более устойчиво, чем тяговые генераторы с лягушечьей обмоткой. Кроме того, ступенчатая двухходовая обмотка позволяет применять стеклобандаж для крепления лобовых частей без ухудшения коммутации. Опыт эксплуатации показал, что использование стеклобандажей на якорях повышает надежность работы тяговых генераторов (см. рис. 11.1). Несимметричная двухходовая обмотка якоря позволяет разместить уравнительные соединения на одной стороне якоря. Однако для этого необходимо, чтобы и, а также отношения z/p и k/р являлись нечетными числами, где z – число пазов якоря; р – число пар полюсов; k – число коллекторных пластин; и – число коллекторных пластин на паз. Получается совокупность двух отдельных обмоток, совмещенных на якоре и работающих параллельно.

Рис. 11.3. Разрез паза якоря генератора ГП311Б:
1 – клин; 2 – прокладка под клин; 3 – изоляция проводников; 4 – проводник обмотки; 5 – защитная изоляция; 6 – прокладка между секциями; 7 – корпусная изоляция; 8 – прокладка на дно паза.

Число щеток равно числу полюсов, но при этом ширина каждой щетки такова, что одновременно могут работать две обмотки. Двухходовая несимметричная ступенчатая (одна из секций в каждом пазу имеет увеличенный на единицу шаг по пазам) петлевая обмотка уложена в пазы 1 и 16, 1 и 17. Катушка петлевой двухходовой обмотки состоит из трех элементарных одновитковых секций, выполненных из провода ПЭТВСД сечением 2,8×6,3 мм. Изоляция катушки якорной обмотки от корпуса выполнена тремя слоями стеклослюдинитовой ленты ЛСПЭ-934-ТП и одним слоем стеклянной ленты ЛЭС (вполнахлеста). Кроме того, паз выстилается пленочной стеклотканью. Уравнительные соединения выполнены из меди ПММ сечением 1,32×6,3 мм. Каждый их пяти проводников изолирован одним слоем слюдинитовой ленты ЛС (вполнахлеста), а все вместе – изолированы стеклянной лентой ЛСЭ, пропитанной лаком КО-916К. Крепление лобовых частей обмотки осуществляется бандажами из стеклобандажной ленты, пропитанной термореактивным лаком. Ленту накладывают с силой натяжения до 400 кН. Величина натяжения и режим термообработки (запечки) ленты после наложения контролируются автоматически с целью получения монолитного высокопрочного бандажа. Обмотка якоря имеет изоляцию класса В.

   Устройство щеткодержателей. Чтобы не допускать вибрации и смещения щеткодержателей, щит 5 (см. рис. 11.1) выполняют в виде сварной конструкции, состоящей из ребер и колец. Ребра наклонены к оси машины, что обеспечивает жесткость и легкость конструкции. В центральной части щита установлена и закреплена болтами съемная ступица.
   Такая конструкция позволяет заменить подшипник без снятия тягового генератора с тепловоза и его разборки. На щите размещена поворотная траверса в виде сварного кольца с посадочным и зубчатым венцами и десятью U-образными накладками. К этим накладкам прикрепляются через изоляторы дюралюминиевые бракеты (кронштейны). На каждом бракете укреплено по девять щеткодержателей со щетками и токособирательные шины.
   Траверсу фиксируют в положении, соответствующем нейтрали, с помощью стопорных болтов. При обслуживании нижних щеток и щеткодержателей траверсу поворачивают 131 / 203 вручную с помощью шестерни. В некоторых тяговых генераторах подшипниковые щиты не имеют поворотной траверсы. В этом случае щиты снабжены овальными отверстиями под болты крепления, позволяющими поворачивать щит, для расположения щеток на геометрической нейтрали. Задний сварной патрубок (щит) защищает тяговый генератор от загрязнения. Для присоединения напорного воздухопровода он имеет два люка. На более ранних тяговых генераторах применяли щеткодержатели наклонного (реактивного) типа. С 1979 г. на тяговых генераторах ГП311Б устанавливают радиальные щеткодержатели с постоянным давлением на щетку. Корпус щеткодержателя наклонного типа отлит из кремнистой латуни и имеет две прорези: с наклоном 30° к радиусу коллектора (для набегающей щетки) и 10° (для сбегающей щетки). Усилие нажатия на щетки марки ЭГ-74 осуществляется спиральными пружинами через курки. Сила нажатия на щетку регулируется изменением затяжки пружины путем перестановки ее конца с одного зубца храповика на другой и устанавливается в пределах 8...12 Н. Щетки армированы токоведущим проводом (медным шунтом). Армирование уменьшает нагрев щетки, особенно в верхней части, повышает стабильность протекания тока между щеткой и коллектором, улучшает коммутацию. На тяговых генераторах устанавливают в основном армированные щетки с открытыми наконечниками, которые прикрепляются винтами к бракету. Положение щеткодержателей относительно поверхности коллектора в корпусе щеткодержателя регулируют прорезью под болтом. Расстояние от коллектора до щеткодержателя составляет 2...3 мм. Бракеты расположены так, что оси щеткодержателей находятся на нейтрали. Чтобы обеспечить надежность крепления щеткодержателей, точность размещения щеток и стабильность нажатия на них, привалочные поверхности щеткодержателя и бракета выполняют гребенчатыми (рифлеными) и, кроме того, применяют ленточные рулонные пружины. Корпус щеткодержателя имеет гнездо, в которое устанавливается разрезная щетка с резиновым амортизатором (накладкой) толщиной 12 мм. В амортизаторе выполнены четыре отверстия для токоведущих проводов и прямоугольный выступ, входящий в соответствующий паз на верхнем торце щетки. Амортизаторы увеличивают срок службы щеток, улучшают коммутацию и предупреждают отколы щеток. Использование радиальных щеткодержателей на генераторах ГП311Б позволяет уменьшить количество щеток в 2 раза.

Магнитная система. На станине тягового генератора расположены главные и добавочные полюса с катушками, составляющие его магнитную систему. При диаметре якоря 1000 – 1200 мм. тяговые генераторы имеют число пар полюсов 2p = 10 или 12.

Станина представляет собой кольцевой магнитопровод, изготовленный из толстолистового стального проката гибкой (в холодном состоянии) и сваркой, с двумя приваренными лапами, которыми она опирается на поддизельную раму. Сердечник главных полюсов набирают из листов холоднокатаной электротехнической стали 3411 толщиной 1 мм. Листы покрыты лаком, спрессованы под давлением 29 МПа и стянуты заклепками. В каждом листе сердечника выштамповано прямоугольное отверстие, куда закладывается стальной стержень с резьбовыми отверстиями для крепления полюса к станине. На сердечниках главных полюсов размещены катушки обмоток независимого возбуждения 5 и пусковой 2 (рис. 11.4).

Катушки намотаны на каркас, выполненный из листовой стали толщиной 1 мм. Каркас имеет прокладки 7 и 3 – удерживающие рамки, изготовленные из прочной и теплостойкой пластмассы. На каркас наложена изоляция 4 из четырех слоев гибкого стекломиканита на кремнийорганическом лаке и одного слоя стеклоленты. Пусковая обмотка 2 выполнена в виде отдельной шайбы и расположена у полюсного башмака. Поверх нее установлена стеклотекстолитовая изоляционная шайба, выше которой намотана обмотка независимого возбуждения.

Рис. 11.4. Катушка главного полюса генератора ГП311Б:
1, 3 – прокладки, 2 – пусковая обмотка, 4 – корпусная изоляция,
5 – обмотка возбуждения, 6 – выводы пусковой обмотки.

Такое расположение катушек обеспечивает хороший отвод теплоты. В процессе намотки каждый слой катушки независимого возбуждения промазывают кремнийорганическим лаком К-47К или компаундом К-54. Пустоты заполняют замазкой П-11. Готовую катушку пропитывают в лаке К-47К, запекают и покрывают эмалью ГФ-92. Из десяти главных полюсов генератора пять имеют перекрещенные выводы, а пять – открытые. Это сделано для чередования полярности полюсов и упрощения конструкции соединительных шин. В генераторах ГП300Б (ТЭМ2), МПТ-84/39 (ТЭМ1) и других обмотку независимого возбуждения и пусковую наматывают на общий каркас. Пусковую обмотку наматывают из широкой медной полосы непосредственно на изолированный каркас, а обмотку независимого возбуждения – на пусковую. Между катушками укладывают миканитовую изоляцию.

Сердечник добавочных полюсов изготавливают из толстолистовой стали СтЗ (рис. 11.5). Он сужен в части, обращенной к якорю. К нижней части сердечника приклепаны латунные или дюралюминиевые угольники 5. Катушка опирается на эти угольники и фиксируется накладкой и пружиной. Сердечник 6 полюса изолирован от катушки спрессованным и спеченным миканитом или стеклотканью на эпоксидной смоле.

Рис. 11.5. Добавочный полюс генератора ГП311Б.
1 – башмак, 2 – изоляционная прокладка; 3 – проводник; 4 – изоляция; 5 – угольник; 6 – сердечник.

Катушка добавочного полюса состоит из шести витков шинной меди в качестве проводника 3. Крайние витки изолированы двумя слоями микаленты и одним слоем стеклоленты 2. Между витками уложены стеклотекстолитовые прокладки толщиной 2 мм. Готовую катушку покрывают эмалью ГФ-92. Между угольником 5 и полюсом помещена немагнитная прокладка, создающая второй воздушный зазор. Полюс в сборе пропитывают в термореактивном лаке и запекают. Для предотвращения перемещения катушки на сердечнике из-за усыхания изоляции и других деформаций укладывают пружинную рамку из ленточной стали. Между сердечником полюса и станиной помещен набор из шести стальных прокладок общей толщиной 3 мм, служащих для регулирования зазора под добавочным полюсом при настройке коммутации.

11.2. Генераторы пассажирских вагонов.

На пассажирских вагонах постройки ГДР, ПНР и ВНР установлены генераторы постоянного тока с параллельным или смешанным возбуждением.
На вагонах без кондиционирования воздуха постройки ГДР применяются генераторы типа 23/07.11 или его модификации 23/07.15, 23/07.17, 23/07.19 и 23/07.21, а на вагонах постройки ПНР – однотипный с ним генератор PW-114a. На вагонах с кондиционированием воздуха используются генераторы DUGG-28B и K694L. Основные технические характеристики этих генераторов приведены в табл. 11.2. Ток нагрузки генератора Iн, а следовательно, и ток в обмотке якоря Iя определяются мощностью подключенных к генератору потребителей и током заряда аккумуляторной батареи. Ток обмотки возбуждения Iв зависит от работы регулятора напряжения РНГ, который изменяет его так, чтобы обеспечить стабилизацию напряжения генератора.

Генераторы типа 23/07 и однотипный с ними генератор PW-114а представляют собой четырехполюсные машины закрытого исполнения с литой станиной 1 (рис. 11.6). В верхней ее части имеются лапы для крепления генератора к раме тележки. Сердечники полюсов 11 собраны из листовой электротехнической стали и прикреплены к станине болтами. Листы изолированы между собой для уменьшения вихревых токов при работе машины. На полюсах имеются катушки обмотки возбуждения 9. Подшипниковый щит 2, установленный со стороны коллектора, закрыт съемным ленточным кожухом, который позволяет осматривать коллектор 8 и щеточный аппарат 6. Якорь генератора выполнен из изолированных листов электротехнической стали, собранных в сердечник 10, напрессованный на вал 15. Обмотка якоря волновая ступенчатая, выполнена из якорных катушек, состоящих из одновитковых секций. Якорные катушки уложены в пазы сердечника якоря в два слоя. Ступенчатая обмотка, при которой одна из секций каждой якорной катушки уложена в соседнем пазу, улучшает коммутацию. Со стороны, противоположной коллектору, на валу якоря установлена муфта для соединения генератора с редукторно-карданным приводом. Щеточная траверса 5 установлена на подшипниковом щите 2 и может свободно поворачиваться на его втулке на 90°, (поворот ее ограничивается упорными болтами). При изменении направления вращения якоря траверса под действием силы трения щеток о коллектор поворачивается на 90°, и щетки изменяют свое положение относительно полюсов (смещаются на одно полюсное деление). Вследствие этого полярность щеток остается неизменной. В генераторе смонтировано четыре щеткодержателя 6, в каждом из которых установлено по одной щетке марки ЭГ-14. Противолежащие щеткодержатели соединены между собой попарно, и провода от них подходят к выводным зажимам. Пружины, смонтированные в щеткодержателях, обеспечивают требуемое давление щеток на коллектор.

Генератор 23/07.11 отличается от генератора 23/07.21 конструкцией станины и элементами крепления. Этот генератор подвешен на раме тележки и приводится во вращение с помощью ременного привода. Для этого на его валу установлен шкив, а в верхней части станины прикреплена литая коробка, на которой смонтирован вал для подвески генератора к раме вагона и пружина для натяжения ремня.

Таблица 11.2. Технические характеристики генераторов пассажирских вагонов

Тип генератора	Номинальная мощность, кВт	Частота вращения, об/мин	Рабочее напряжение, В	Масса, кг
23/07.21	4,9	550...2900	53...65	185
23/07.11	4,5	650...2400	53...65	185
PW-114a	4,55	650...2600	53 ..65	185
DUGG-28B	28	600...3000	110...138	1200
K694L	21,5	600...3000	110...135	1200

Рис. 11.6. Генератор пассажирского вагона типа 23/07.
1 – станина; 2, 13 – подшипниковые щиты; 3 – подшипник; 4 – кабельная коробка; 5 – траверса; 6– щеткодержатель; 7 – вентиляционная решетка; 8 – коллектор; 9 – обмотка возбуждения; 10 – сердечник якоря; 11 – сердечник полюса; 12 – лапа; 14 – обмотка якоря; 15 – вал.

11.3. Тяговые электродвигатели тепловозов.

Тепловозы с электрической передачей имеют индивидуальный привод колесных пар. На тепловозах, электровозах и электропоездах применяют тяговые двигатели с последовательным возбуждением. Их узлы и элементы во многом подобны. Все двигатели постоянного тока имеют независимую воздушную систему охлаждения нагнетательного осевого типа с подачей воздуха со стороны коллектора.
Тяговые электродвигатели грузовых тепловозов и электровозов выполняют в большинстве случаев с опорно-осевой подвеской, и только двигатели пассажирских электровозов ЧС2, ЧС4, ЧС6, ЧС8, ЭП1, пассажирских тепловозов ТЭП60, ТЭП70, ТЭП75, ТЭП80, 2ТЭ121 и электропоездов имеют опорно-рамную подвеску.

   Конструкция электродвигателя ЭД118Б. По конструкции все тяговые электродвигатели тепловозов одинаковы. С 1975 г. на тепловозах мощностью 2210 кВт устанавливаются двигатели ЭД118Б (рис. 11.7) и осваиваемый ЭД125Б. Технические характеристики тяговых электродвигателей тепловозов представлены в табл. 11.3. Станины машин с 2р = 4 обычно 135 / 203 восьмигранные с широкими горизонтальными и вертикальными гранями, в которых располагаются главные полюса. В узких гранях, ориентированных под 45° к горизонтали и вертикали, размещают добавочные полюса. Двигатели с 2р = 6 имеют цилиндрические станины.
   В торцовых частях станина имеет расточки (горловины) для посадки подшипниковых щитов. Станина имеет два опорных прилива («носика»), предназначенных для закрепления электродвигателя на тележке тепловоза. На корпусе имеются также приливы с резьбой (бонки) для крепления кожуха зубчатой передачи. К торцовой стенке корпуса со стороны коллектора приварены кронштейны для крепления щеткодержателей 10.
   В верхней части станины со стороны коллектора имеется вентиляционное отверстие, соединенное брезентовой гармошкой (рукавом) с каналом, через который нагнетается воздух для охлаждения электродвигателей. Выход воздуха осуществляется с противоположной стороны через три отверстия в корпусе двигателя, защищенных сетками и щитками. Кабельные выводы крепятся к станине зажимами из древесно-слоистого пластика, называемыми клицами. Якорь опирается на два роликовых подшипника 5 (8Н9241711М) и 27 (8Н32330М), установленных в стальных подшипниковых щитах: малом 6 (со стороны коллектора 8) и большом 25 (со стороны шестерни).

Рис. 11.7. Разрез тягового электродвигателя ЭД118Б.
1 – передний бандаж; 2 – коническая нажимная шайба; 3 – вал, 4 – нажимная шайба подшипника; 5, 27 – подшипники; 6, 25 – подшипниковые щиты; 7 – балансировочный груз; 8 – коллектор; 9 – щетка; 10 – щеткодержатель; 11 – изолятор; 12 – уравнительные соединения; 13 – сетка; 14 – обмотка якоря; 15– обмотка добавочных полюсов; 16 – сердечник добавочных полюсов; 17 – болт; 18 – станина; 19 – сердечник якоря; 20 – стальная пластина; 21 – щека; 22 – обмотка возбуждения; 23 – сетка; 24 – канал для выхода воздуха; 26 – атмосферный канал; 28 – лабиринтная шайба; 29 – задний бандаж; 30 – смазочный канал; 31 – сердечник главного полюса.

Выточки в щитах под роликовые подшипники и посадочные поверхности щитов должны быть строго концентричны. Биение этих поверхностей допускается не более 0,1 мм. С внутренней стороны подшипникового щита расположено кольцо с лабиринтными канавками. В подшипниковом щите 6 со стороны коллектора 8 установлен опорно-упорный подшипник 5, наружное кольцо которого имеет буртики с двух сторон, а внутреннее – только с одной. К торцу вала 3 якоря шайбой и болтами прикреплено упорное кольцо. Подшипник воспринимает усилия, направленные вдоль вала якоря. Продольный разбег якоря составляет 0,08...0,5 мм. В подшипниковом щите 25 со стороны шестерни, находится опорный подшипник 27, внутреннее кольцо которого насажено на вал 3 якоря, вслед за лабиринтным кольцом. Крышка подшипника имеет снаружи лабиринтные канавки, в которые входят выступы посаженной на вал лабиринтной шайбы 28. Она предотвращает вытекание смазки из подшипника. Для предохранения от проникновения смазки внутрь двигателя служит воздушный канал (дренажное отверстие) в щите с комбинированными уплотнениями.

Таблица 11.3. Технические характеристики тяговых электродвигателей тепловозов

Характеристики	Тип тягового двигателя
Характеристики	ЭДТ200Б	ЭДТ104	ЭД118АТ	ЭД118Б	ЭД120А	ЭД121
Серия тепловоза	ТЭМ1	ТЭ10, ТЭП10, 2ТЭ10Л	ТЭМ2, ТЭМ2М, М62, 2М62	2ТЭ116, 2ТЭ116А, 2ТЭ10, ТЭП60	ТЭМ7	ТЭП70
Мощность, кВт	152	307	257	305	135	413
Ток продолжительного режима, А	725	710	650	720	800	830
Напряжение, В	235	470	435	463	205	542
Частота вращения, об/мин: длительная максимальная	425 2200	605 2480	247 1300	585 2290	245 1890	704 2320
Передаточное отношение	4,69	4,93	4,41	4,41	4,41	3,12
Воздушный зазор, мм: под серединой главного полюса под дополнительным полюсом	2,75 4	4,50 8	7,0 10	7,0 10	7,0 10	7,0 10
Число коллекторных пластин	150	232	216	216	216	216
Масса, кг	2250	2850	3100	3100	3000	2950

   Конструкция электродвигателя ЭД126. Станина тягового электродвигателя ЭД126 тепловоза 2ТЭ121 представляет собой сварной цилиндр, к которому крепятся шесть главных и шесть добавочных полюсов. Тяговые электродвигатели являются реверсивными, и частота вращения вала при вращении в разные стороны при одной и той же нагрузке не должна отличаться более чем на 4% (ГОСТ 2582– 81). Этим обусловлены жесткие требования к установке щеток по нейтрали. Допуск на расположение кронштейнов щеткодержателей после приварки их к корпусу составляет ±0,5 мм.
   Главные полюса (рис. 11.8) имеют сердечники 3, набранные из штампованных листов малоуглеродистой стали Ст2 толщиной 2 мм. Листы сердечников спрессованы и стянуты четырьмя заклепками с потайными головками. Для возможности утопления головок заклепок и равномерного распределения усилия крайние листы изготовлены более толстыми. В середине каждого листа сердечника выштамповано отверстие, куда после сборки запрессовывают стальной стержень. Сердечник крепится к станине тремя болтами, ввернутыми в стержень. При этом стягивающее усилие от стержня равномерно передается на листы сердечника. Головки болтов заливают кварцкомпаундом, препятствующим просачиванию влаги внутрь станины. Катушка главного полюса намотана из шинной меди на широкое ребро (плашмя) в два слоя. Витки катушки изолированы друг от друга асбестовой электроизоляционной бумагой 10. Катушка состоит из двух полукатушек с числом витков 11 и 8, соединенных между собой последовательно. Такая конструкция обеспечивает лучшее заполнение межкатушечного пространства и определяется условиями размещения главных полюсов. Наружная изоляция катушки (корпусная изоляция) 12 имеет четыре слоя ленты ЛСКН-160-ТТ и по одному слою стеклянной ленты и электроизоляционной пленки. В местах соприкосновения катушки со станиной 4 дополнительно устанавливают прокладки <5 из стеклоткани и стеклотекстолита СТЭФ-1-0,5. Между слоями катушки также укладывают межкатушечную изоляцию 8 из стеклотекстолита. Каждый слой изоляции промазан компаундом. Катушку с изоляцией спрессовывают и запекают, а затем покрывают эмалью.
   По другой технологии витковая изоляция катушек главных полюсов выполнена из асбестовой бумаги, слои катушки изолированы один от другого стеклотекстолитовой прокладкой. Для обеспечения закрепления катушки на сердечнике зазоры между ними заполняют асбестовой лентой ЛАЭ и затем пропитывают в компаунде «Монолит-2». Изоляция класса F.

Рис. 11.8. Разрез главного полюса тягового электродвигателя ЭД126.
1 – башмак; 2 – сердечник полюса; 3– крепление сердечника полюса; 4 – станина; 5 – пружинная рамка; 6 – прокладка; 7– изоляция катушки; 8 – межкатушечная изоляция; 9– компаундная заливка; 10 – асбестовая электроизоляционная бумага; 11 – проводник; 12 – корпусная изоляция.

Две катушки главных полюсов имеют открытые, а две – перекрещенные выводы. Между катушкой и станиной установлена стальная прокладка толщиной 1 мм для предохранения изоляции катушки от грубо обработанной поверхности станины. Со временем высота катушки уменьшается вследствие усыхания изоляции. Поэтому чтобы предупредить перемещение катушки по сердечнику при ударах и вибрациях, между катушкой и башмаком полюса прокладывают рамку 5, создающую после затяжки болтов давление на катушку. Во избежание повреждения изоляции катушка отделена от башмака предохранительной рамкой из тонколистовой стали.

Добавочные полюса состоят из сердечников и катушек (см. рис. 11.7). Воздушный зазор под добавочными полюсами равен 9 мм. Сердечники добавочных полюсов изготовляются сплошными из толстолистовой литой или прокатанной стали Ст3, так как их размеры и поток, проходящий через них, невелики, и потери, вызываемые вихревыми токами, также незначительны.
Башмак сердечника уже, чем основное его тело, поэтому для удержания катушки с двух сторон башмака приклепаны немагнитные полюсные наконечники из латуни или дюралюминия. Для надежности крепления полюсные наконечники посажены на угольник (см. рис. 11.5). Чтобы предупредить перемещение катушки вдоль сердечника (при усыхании изоляции), между ней и станиной установлена пружинная рамка. Между сердечником и станиной поставлены дюралюминиевые немагнитные прокладки, увеличивающие воздушный зазор в магнитной цепи, для уменьшения рассеивания магнитного потока и снижения влияния вихревых токов на коммутацию. Катушка добавочного полюса выполнена из шинной меди, намотанной на узкое ребро. Между витками катушки установлены прокладки из асбестовой электроизоляционной бумаги. Полностью изолируют от корпуса только три-четыре витка: с каждой стороны двумя-тремя слоями ленты Л С (вполнахлеста) и стеклянной лентой ЛЭС. Со стороны станины и наконечника располагают прокладки из стеклотекстолита. Для повышения теплоотдачи наружную поверхность средних витков катушки не изолируют, а от корпуса изолируют их пятью прокладками из асбестовой электроизоляционной бумаги. Класс изоляции F. Катушка надета на стальной каркас. Для изоляции от корпуса ее вместе с каркасом пропитывают в компаунде и затем покрывают электроизоляционной эмалью. Межкатушечные соединения, выполненные шинами или гибкими кабелями, при неудовлетворительном креплении вибрируют, что приводит к изломам как самих соединений, так и выводов катушек. Поэтому предпочтение отдают шинным межкатушечным соединениям, выполненным из двух голых медных лент и прикрепленных к корпусу бандажом с резиновыми прокладками, гасящими высокочастотные вибрации. Сердечник якоря набран из штампованных листов электротехнической легированной стали марок 2211, 2212 (толщиной 0,5 мм), покрытых тонким слоем лака с обеих сторон. Листы набираются по массе (363 кг). Толщина крайних листов составляет 1 мм. В каждом листе выштамповано 54 паза и два ряда вентиляционных отверстий (32 шт.) диаметром 27 мм. Середина каждого паза совпадает с серединой коллекторной пластины. Нажимные шайбы, одновременно являющиеся обмоткодержателями, отлиты из стали. Со стороны шестерни на валу установлена задняя шайба (открытого типа), со стороны коллектора –- передняя. Открытая шайба улучшает охлаждение задних лобовых частей обмотки. Собранный сердечник без обмотки покрывают эмалью (коричневым грунтом) ФЛ-03К и запекают. Нажимные шайбы перед укладкой обмотки якоря покрывают стеклотканью, пропитанной в эпоксидном лаке, опрессовывают и запекают. Это создает монолитный слой изоляции.

Рис. 11.9. Коллектор тягового электродвигателя ЭД126:
7, 6 – нажимные шайбы, 2, 5 – миканитовые манжеты, 3 – стяжной болт, 4 – коллекторная пластина, 7 – балансировочный груз, 8 – изоляционная втулка.

   Коллектор имеет диаметр 400 мм (рис. 11.9). Пластины 4 коллектора (их всего 216 шт.) изготовлены из твердотянутой профильной меди, легированной кадмием или серебром. Пластины штампуют как единое целое с петушками. В нижней части они имеют форму ласточкина хвоста, позволяющего прочно скрепить коллектор. Втулка 8 и нажимная коническая шайба коллектора, конусные выступы которых входят в выточки пластин, сжаты под прессом и стянуты двенадцатью болтами 3. Пластины изолированы друг от друга коллекторным миканитом КФШ толщиной 1,2 мм, а от корпуса – миканитовыми втулкой 8 и манжетами 2 и 5 марки ФФГА толщиной 2 мм. Выступающий конец миканитовой манжеты защищен от внешних воздействий бандажом из стеклянной ленты, покрытым сверху эмалью.
   Каждая четвертая пластина имеет более глубокую прорезь, в которую дополнительно впаивают концы уравнительных соединений.
   Якорь электродвигателей имеет петлевую обмотку с уравнительными соединениями первого рода. Она состоит из 54 катушек и имеет изоляцию класса F. Шаг обмотки якоря по пазам: у1 = 1–14, а шаг по коллектору уk = 1–2. Катушка обмотки якоря состоит из четырех элементарных одновитковых секций, расположенных по ширине паза (горизонтальная укладка). Каждая секция в свою очередь состоит из трех параллельных проводников, расположенных по высоте паза. Это делается с целью уменьшения потерь от вихревых токов, наводимых потоком рассеяния. В пазах катушка изолирована тремя слоями стеклослюдинитовой ленты ЛСЭП толщиной 0,1 мм вполнахлеста и одним слоем стеклоленты ЛЭС толщиной 0,1 мм вполнахлеста. Каждый проводник покрывается изоляцией из одного слоя стеклоленты толщиной 0,1 мм. В задних лобовых частях между элементарными секциями дополнительно устанавливают прокладки из стеклоленты. Передние лобовые части дополнительно имеют между витками секции прокладки из слюды, чтобы избежать витковых замыканий при осадке и бандажировке обмотки. Концы катушек в изгибах дополнительно изолируются одним слоем полиамидной пленки ПМА толщиной 0,04 мм. На дно паза и под клин устанавливают прокладки из стеклотекстолита толщиной 0,35 мм. Обмотка якоря удерживается в пазах стеклотекстолитовыми клиньями толщиной б мм, а в лобовых частях – стеклобандажами.

Особенности конструкции других электродвигателей. В электродвигателе ЭД118А применяют стеклобандаж, который наматывается с натяжением 1,3 кН. Стеклобандаж изготовляют из стеклоленты ЛСБ-F размером 0,2×20 мм (стеклянные волокна расположены только в продольном направлении и склеены эпоксидным связующим компаундом). Бандажи в процессе сушки запекают, и они становятся монолитными. Преимущество стеклобандажа в том, что он не разрушается при круговом огне на коллекторе. Под передними лобовыми частями обмотки якоря находятся уравнительные соединения, выполненные из меди МГМ размером 1,68×5,1 мм (с изоляцией 2,23×6,87 мм). Выводы уравнительных соединений присоединяют к коллекторным пластинам 1 и 109, 5 и 113.
Для крепления балансировочных грузов в конусе коллектора и на заднем обмоткодержателе предусмотрены специальные канавки. Щеткодержатель имеет литой латунный корпус, который укреплен в кронштейне, вваренном в торцовую стенку станины. В корпус запрессованы два стальных пальца, служащих для крепления щеткодержателей в кронштейне. Пальцы изолированы от корпуса прессматериалом АГ-4С или твердым изоляционным слоем из эпоксидного компаунда, на который надеты изоляторы из прессматериала К-78-51. В щеткодержателе расположены три пары разрезных щеток марки ЭГ-61 (12,5×40×60 мм). Разрезные щетки полезны в случае неровности коллектора или выпучивания одной из коллекторных пластин: сначала на неровности подскакивает одна, а затем вторая половинка щетки, благодаря чему контакт щетки и коллектора сохраняется постоянно. Кроме того, разрезные щетки создают хорошую политуру коллектора и тем самым улучшают условия коммутации. Резиновые амортизаторы на щетках поглощают небольшие толчки и удары, не допуская отрыва щеток от коллектора. В корпусе щеткодержателя имеются два гнезда для щеток. В одно гнездо вставлена одна пара щеток, в другое – две пары. Щетки прижимаются к коллектору спиральными пружинами. Нажатие (42...48 Н) регулируется поворотом втулки, находящейся в центре пружины. Щетки снабжены гибкими шунтами, прикрепленными болтами к корпусу щеткодержателя. Для удобства осмотра и замены щеток на щеткодержателях установлены стойки с заплечиками, позволяющие фиксировать пружины в приподнятом состоянии. Вентиляция электродвигателей типа ЭД118 параллельная, независимая. Охлаждающий воздух нагнетается двумя вентиляторами – по одному на каждую тележку. Струя воздуха от вентилятора поступает в полость электродвигателя через вентиляционное отверстие, расположенное в верхней части станины над коллектором, и дальше движется двумя параллельными потоками подобно тому, как это описано для тягового генератора. Нагретый воздух выбрасывается через отверстия в станине, защищенные сетками и щитками. Щиток у нижнего отверстия направляет поток нагретого воздуха параллельно рельсовому пути.

Тяговый электродвигатель ЭД125Б по конструкции существенно отличается от ЭД118Б. Вместо стяжных болтов коллектор скрепляется пружинным разрезным кольцом. Промежуточная втулка (барабан), соединяющая все механические части якоря, позволяет легко заменить поврежденный вал. Обмотка якоря имеет изоляцию класса Н (полиимид), что позволяет примерно вдвое увеличить ресурс якоря до замены обмотки. Добавочные полюса крепятся к корпусу сквозными (проходными) болтами с гайками, главные полюса – с помощью выступающего из сердечника стержня и болтов, а щеткодержатели в кронштейнах – с помощью привалочной поверхности в виде «елочки».

Тяговые электродвигатели ЭД126 с опорно-рамным подвешиванием устанавливаются на тепловозы 2ТЭ121 с диаметром колес 1250 мм. Станина электродвигателя круглая, сварная из стального проката, имеет опорные площадки и литые из стали подшипниковые щиты. К щиту и корпусу со стороны коллектора прикреплены поворотная траверса с щеткодержателями и ее ручной шестеренный привод. На щите со стороны привода имеются отверстия для выхода охлаждающего воздуха с направляющими и защитными козырьками. Магнитная система шестиполюсная, крепления главных и добавочных полюсов такие же, как на электродвигателе ЭД125Б, а поперечные размеры примерно в 1,3 раза больше, чем у ЭД118Б и ЭД125Б.

Смазочное устройство электродвигателей ЭД118Б и ЭД125Б имеет две независимые системы смазки: циркуляционную, как у ЭД108А, и фитильную (польстерную), как у ЭД118А, ТЛ-2К, НБ-412К, НБ-418К6 (рис. 11.10). Циркуляционная система смазки включает в себя шестеренный насос, приводимый во вращение от оси колесной пары, и ванну (камеру) со смазкой. Польстерная система имеет закрепленный в обойме фитиль, пружинное нажимное устройство и ванну со смазкой, закрытую крышкой. Смазку (ЖРО ТУ32 ЦТ 520 – 73) для роликовых подшипников тяговых электродвигателей запрессовывают шприц-прессом через масленку.

Рис. 11.10. Моторно-осевой подшипник и система смазки электродвигателей ЭД118Б и ЭД125Б.
1, 2 – оси; 3 – фиксатор, 4 – поплавок; 5 – втулка; 6 – крышка; 7 – пробка; 8 – крышка моторно-осевого подшипника; 9 – пружина; 10 – рычаг; 11 ~ пластинчатая пружина; 12 – корпус; 13 – скоба; 14 – коробка; 15 – польстер; 16 – болт; 17 – постель; 18 – вкладыш; mm и max – минимальный и максимальный уровни смазки.

11.4. Тяговые электродвигатели электровозов.

Тяговые электродвигатели электровозов (табл. 11.4) имеют конструкцию, во многом схожую с конструкцией тяговых двигателей тепловозов. Особенности их конструкции рассмотрим на примере двигателя НБ-418К6 мощностью 790 кВт (рис. 11.11). Станина двигателей с односторонней зубчатой передачей выполнена аналогично станине тепловозных двигателей. При двухсторонней передаче крутящего момента с обеих сторон вала 5 якоря устанавливаются одинаковые опорные подшипники 4 и 17 и косозубые шестерни.

Таблица 11.4. Технические характеристики тяговых электродвигателей электровозов.

Характеристики	Тип тягового электродвигателя
Характеристики	НБ-412М	НБ-412К	НБ-413	НБ-414В	НБ-418К	НБ-420А	ТЛ-2	AL4846eT	AL444nP
Серия электровоза	ВЛ60	ВЛ60К	ВЛ80В	ВЛ80	ВЛ80К	ВЛ82	ВЛ10	ЧС2	ЧС4
Мощность, кВт часовая длительного режима	690 550	775 675	775 690	810 740	790 740	700 640	650 -	700 618	900 860
Напряжение длительного режима, В	1450	1600	900	950	950	1500	1500	1500	800
Ток, А часового режима длительного режима	515 410	515 410	925 820	900 830	880 820	495 450	466 -	495 435	1210 1150
Частота вращения, об/мин длительного режима максимальная	755 1680	880 1680	935 2050	1030 2250	890 1990	900 2000	770 1625	630 1150	1150 1860
Диаметр якоря, мм	740	740	740	740	590	660	740	900	710
Длина якоря, мм	440	440	385	385	420	480	440	360	280
Число пазов	75	75	111	87	87	58	75	87	87
Число коллекторных пластин	525	525	333	348	348	348	525	609	261
Масса, кг	4220	4850	4300	4000	4300	4500	4700	5250	2950

Моторно-осевые подшипники (см. рис. 11.10) состоят из приливов к остову с цилиндрическими расточками, вкладышей и шапок, которые крепят к остову четырьмя болтами. Они имеют камеры, где размещается смазка и устройство для ее подачи. Для лучшей фиксации шапок в приливах остова вдоль цилиндрической расточки для вкладыша имеются пазы, а на посадочной стороне шапок – соответствующие продольные выступы, входящие в эти пазы. Вкладыши моторно-осевых подшипников выполнены разъемными (из двух половин) и отлиты из латуни марки ЛКС80-3-3 с заливкой баббитом толщиной 3...4 мм.
Наконечники главных полюсов имеют очертание, обеспечивающее неравномерный воздушный зазор: минимальный под серединой полюса и увеличивающийся к его краям для улучшения распределения индукции в воздушном зазоре машины, а в конечном счете – для улучшения распределения напряжения между коллекторными пластинами, величины и места его максимального значения. В компенсированных машинах устанавливается специальная компенсационная обмотка, которая снижает возможность возникновения кругового огня на коллекторе (рис. 11.12). Компенсационная обмотка 3 в виде отдельных катушек укладывается в пазы башмаков главных полюсов и закрепляется в них текстолитовыми клиньями. В этом случае дуги полюсных наконечников выполняются концентричными с поверхностью якоря и образуют равномерный воздушный зазор. В настоящее время в двигателях с круглым остовом катушки обмотки возбуждения главных полюсов наматывают обычно на узкое ребро. Это позволяет формовать катушки по радиусу, сопрягая с расточкой в станине. В результате обеспечивается лучшее охлаждение катушек, большая их компактность и прочность и, кроме того, уменьшается высота сердечника главных полюсов, а следовательно, и диаметр станины.

Рис. 11.11. Разрез тягового электродвигателя НБ-418Б.
1 – станина; 2 – шина; 5, 20 – подшипниковые щиты; 4, 17 – подшипники; 5 – вал; 6 – коллектор; 7 – траверса; 8 – воздуховод; 9 – щеткодержатель; 10 – уравнительные соединения; 11 – выводы обмотки возбуждения, 12– обмотка возбуждения, 13 – сердечник главного полюса; 14 – компенсационная обмотка; 15 – обмотка якоря; 16 – лабиринтное уплотнение; 18– кожух; 19– бандаж; 21 – обмотка добавочного полюса; 22 – сердечник добавочного полюса; 23 – якорь.

Рис. 11.12. Главный полюс тягового электродвигателя НБ-418Б с компенсационной обмоткой.
а – главный полюс, б – катушка компенсационной обмотки, 1 – обмотка возбуждения, 2 – сердечник полюса, 3 – компенсационная обмотка.

К концам обмотки приклепывают и припаивают припоем ПМФ выводные скобы с патронами или выводные провода с наконечниками. В качестве межвитковой изоляции используют асбестовую бумагу или электронит толщиной 0,3...0,5 мм, выступающие за ленту меди на 1... 2 мм на каждую сторону. Крепление сердечников и катушек главных полюсов аналогично креплению в тяговых электродвигателях тепловозов. Вал 8 якоря тяговых двигателей изготовляют из хромоникелевой стали 20ХН3А с термической обработкой (рис. 11.13).

Рис. 11.13. Якорь тягового электродвигателя.
1 – кольцо подшипника, 2, 3 – шайбы якоря, 4, 9 – бандажи обмотки якоря, 5 – коллектор,
6 – сердечник якоря, 7 – втулка, 8 – вал, 10 – обмотка якоря, 11 – упорная шайба.

Вал имеет минимально возможное число переходов по диаметру, причем выполняются они в виде галтелей определенного радиуса для предупреждения концентрации напряжений. Конусность концов вала 1:10. Втулка якоря имеет цилиндрическую форму и отливается из стали 25Л1. Сердечник 6 якоря собирают из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм марок 1212, 1213, 1322, 3411 или 3412. В листах выштамповывают пазы для размещения обмотки, отверстия аксиальных вентиляционных каналов, место для посадочной шпонки.

Рис. 11.14. Изоляция катушки якоря.
1 – проводник; 2 – изоляция проводника; 3 – корпусная изоляция; 4 – защитная изоляция.

Обмотка якоря 10 у всех современных тяговых двигателей электровозов петлевая с уравнительными соединениями первого рода, у тяговых двигателей электропоездов – волновая с числом параллельных ветвей 2а = 2. Секции современных тяговых двигателей выполняют с цельными головками, чаще всего закрываемыми бортом обмоткодержателя (двигатели НБ-406, -412М, -412К, -414, -418К; ДК-103, -106Б; РТ-51Д, -113; 1.ДТ.003). У двигателей последних выпусков (НБ-418Кб, -514, -520; AL4846eT, -4846Т, -4442nP; TAO-649B1, -649А1; GB317/23a) головки секций – открытые. Это снижает нагрев обмоток, но увеличивает вероятность их повреждения. Материал проводников – прямоугольная голая мягкая обмоточная медь МГМ или обмоточный провод. Изоляция 2 отдельных проводников (шинок) 1 обмотки якоря обычно соответствует классу В и выполняется микалентой ЛФЧ толщиной 0,1 мм одним слоем вполнахлеста (рис. 11.14). Корпусная изоляция 3 секции делается также микалентой ЛФЧ толщиной 0,1 или 0,13 мм вполнахлеста. Число слоев зависит от напряжения машины по отношению к земле. Поверх корпусной накладывают защитную изоляцию 4 из стеклоленты толщиной 0,15 мм, один слой встык. В последнее время для изоляции якорных катушек применяют липкий эскапон, создающий монолитную изоляцию. Во всех тяговых двигателях обмотка якоря крепится в пазовой части клиньями из текстолита марки Б, стеклотекстолита марки СТ или прессовочной массы АГ-4, под которые уложены прокладки. Отдельные катушки изолированы друг от друга прокладками. В электровозных двигателях пульсирующего тока (НБ-412М, -412К, -418К6, -514, -520) шинки секций укладывают в пазах вертикально. При этом уменьшаются добавочные потери в меди якоря, и улучшается отвод теплоты от меди обмоток. Некоторая технологическая сложность такой укладки заключается в выкручивании концов секций на 90°, их развальцовке для введения в шлицы пластин коллектора и последующем отжиге для снятия внутренних напряжений. Концы секций перед впаиванием лудят припоем ПОС-40 в паяльной ванне. При укладке и креплении обмотки якоря для усиления изоляции катушек в местах выхода из пазов сердечника якоря устанавливают U-образные скобочки из гибкого миканита. Изоляцию нажимных шайб в местах расположения лобовых соединений катушек якоря выравнивают так, чтобы уровень ее после опрессовки был выше дна шлица коллекторных пластин на 1 мм и находился на уровне дна пазов якоря. Иногда эта изоляция выполняется в виде заранее отформованных жестких миканитовых полуколец (например, у двигателя ДК-103).

Бандажи тяговых двигателей ДК-103, -106, НБ-406, ТЛ-2К, AL646eT, -4846zT, TAO-649B1, -649А1 и GB317/23a выполнены из луженой магнитной или немагнитной проволоки, скреплены скобочками из белой луженой жести и пропаяны припоем ПОС-40. У всех двигателей, кроме ТАО-649А1 и -649В1, бандажная проволока – круглая (диаметром 2 мм), а у названных двигателей – прямоугольная (1,5×3 мм). В случае необходимости бандажи накладывают в два слоя. Двигатели НБ414, -418К6, -420Б, -514, -520 выпускают со стеклобандажами из непрерывных параллельно ориентированных стеклонитей, пропитываемых полиэфирной смолой. Общая толщина бандажа 4 мм. Двигатели НБ-412М, -412К и РТ-51Д выполнены с металлическими бандажами или стеклобандажами.

Коллекторы тяговых двигателей выполняют арочного типа со стальными нажимными конусами. Материал коллекторных пластин – твердая медь холодной протяжки трапецеидального сечения марки Ml с пределом прочности 300 МПа (30 кгс/мм2) и кадмиевая с пределом прочности 350 МПа (35 кгс/мм2). Петушки чаще всего составляют единое целое с пластиной, но иногда (двигатели НБ-418К и -420Б) их приваривают. Шлицы пластин лудят припоем ПОС-40. Изоляцию между коллекторными пластинами изготовляют из твердого коллекторного миканита марки КФШ или КФА, содержащего не более 3% склеивающих веществ. Изоляционные цилиндры, помещаемые между кольцом коллекторных пластин и коробкой коллектора, имеют толщину 1,25...2,0 мм. Коллекторная коробка в современных двигателях отечественного производства объединяется с передним обмоткодержателем якоря и напрессовывается на втулку якоря. Часть миканитовой манжеты, выступающую за торец коллекторных пластин, бандажируют стеклянной электроизоляционной лентой и покрывают термостойкой эмалью ГФ-92-ХК. Щеточный аппарат у тяговых двигателей электровозов и электропоездов постоянного тока состоит из кронштейнов щеткодержателей, укрепляемых на станине двигателя, и установленных на них корпусов щеткодержателей со щетками. У электровозных двигателей пульсирующего тока шестиполюсного исполнения кронштейны щеткодержателей устанавливают на поворотной траверсе для подведения к смотровым люкам любого из шести щеткодержателей. Корпуса щеткодержателей изготовляют из латуни ЛС-59-1 и ЛК-80-3. Щетки устанавливают марок ЭГ-2А и -74. Для двигателей постоянного тока – цельные щетки, а для двигателей пульсирующего тока с более трудными условиями коммутации – составные из двух частей. Чтобы разгрузить нажимные пружины от токов, щетки обычно соединяют с корпусом 145 / 203 щеткодержателя токоведущим проводом.

В современных тяговых двигателях усилие нажимного устройства передается на щетку через резиновую накладку, демпфирующую колебания щетки. Нажимные устройства в щеткодержателях выполняют или со спиральными пружинами из плоской ленты, или с цилиндрическими винтовыми пружинами из круглой проволоки. В тяговых двигателях последних выпусков (НБ-418К6, -514, -520) щеткодержатели имеют винтовые цилиндрические пружины из пружинной стали 60С2.

Глава 12.
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

12.1. Назначение и условия работы вспомогательных машин.

По назначению вспомогательные машины локомотивов можно разделить на несколько групп.

1. Машины – регуляторы, выполняющие основные функции по регулированию энергетической цепи тепловоза. К этой группе относятся многообмоточные возбудители постоянного тока специального исполнения. Они принимают сигналы по различным параметрам энергетической цепи (напряжение и ток тягового генератора, скорость дизеля и т.п.) и, управляя возбуждением главного генератора в соответствии с этими сигналами, обеспечивают нужную характеристику передачи. На отечественных и некоторых зарубежных тепловозах для этой цели используются возбудители с расщепленными полюсами.

2. Машины, передающие сигналы от тиристорных и магнитных усилителей к системе возбуждения генератора. Для этой цели используются возбудители постоянного или переменного тока.

3. Машины переменного тока, питающие силовые обмотки магнитных усилителей (подвозбудители). Эти машины обычно имеют повышенную частоту (400 Гц) с целью уменьшения размеров магнитных усилителей и самой машины.

4. Машины, осуществляющие обратную связь по частоте вращения дизеля (тахогенераторы), соединенные с валом.

5. Машины – источники питания цепей управления и вспомогательных цепей. Вспомогательные генераторы работают параллельно с аккумуляторной батареей и питают цепи управления аппаратов, задающие обмотки возбудителей и магнитных усилителей, а также вспомогательные двигатели, цепи освещения и сигнализации. На некоторых локомотивах устанавливают генераторы для питания электрического отопления пассажирских поездов. Генераторы управления ЭПС (электроподвижного состава) служат для питания низковольтных цепей управления, освещения и подзарядки аккумуляторной батареи. Мотор-генераторы необходимы для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей при электрическом торможении; их устанавливают только на электровозах с рекуперативным торможением.

6. Электродвигатели вспомогательных агрегатов (мотор-вентиляторы и мотор-компрессоры). Мотор-вентиляторы предназначены для подачи охлаждающего воздуха в тяговые двигатели, а на некоторых электровозах и тепловозах также в пусковые и тормозные сопротивления. Мотор-компрессоры обеспечивают питание сжатым воздухом пневматических тормозов, работу электрических аппаратов с пневматическим приводом.

7. Пусковые электродвигатели (стартер-генераторы). На тепловозах с гидравлической и механической передачами, а также с тяговыми генераторами переменного тока для пуска дизеля применяют двигатели постоянного тока, питающиеся от аккумуляторной батареи. На электровозах постоянного тока обычно все электродвигатели вспомогательных машин питаются постоянным током. К контактной сети может быть непосредственно подключен каждый двигатель или два последовательно включенных двигателя, например двигатели вентиляторов. Двигатели также могут питаться от специального преобразователя (делителя напряжения), дающего напряжение, величина которого отличается от напряжения контактной сети. При питании электродвигателей непосредственно от контактной сети возникают трудности с обеспечением надежной коммутации, так как повышается среднее напряжение между смежными коллекторными пластинами. Наибольшие трудности возникают при переходных режимах, во время пуска электродвигателей или при резких колебаниях напряжения на токоприемнике. Эти процессы обычно сопровождаются значительными бросками тока, которые могут вызывать сильное искрение под щетками или даже круговой огонь по коллектору. При последовательном включении двух двигателей обеспечить их устойчивую коммутацию несколько легче, поскольку напряжение на зажимах каждого двигателя понижается вдвое. Недостаток этой системы заключается в том, что при выходе из строя одного из последовательно соединенных двигателей необходимо отключить всю группу двигателей. При питании электродвигателей через специальный преобразователь обеспечивается более легкая коммутация всех двигателей, но увеличивается общее количество оборудования и снижается надежность всей системы, повышаются вес машин и их стоимость. В связи с этим система вспомогательных машин, питающихся непосредственно от контактного провода, получила распространение на всех отечественных электровозах постоянного тока, а также на электровозах ЧС1, ЧС2 и ЧСЗ. Номинальным напряжением для двигателей вспомогательных машин в зависимости от характера их включения является номинальное напряжение на токоприемнике или номинальное напряжение, разделенное на число машин, которые включены последовательно постоянно.

Как и все электрооборудование электровозов, двигатели вспомогательных машин подвержены воздействию чрезмерных перенапряжений, возникающих в контактной сети. Их величина может достигать 10...15кВ, а в отдельных случаях даже 30кВ при продолжительности воздействия 1000...5000 мкс. Вспомогательные генераторы тепловозов приводятся во вращение непосредственно от коленчатого вала дизеля через специальные редукторы, а электродвигатели запитываются от вспомогательных генераторов, тяговых генераторов или генераторов собственных нужд. При расположении вспомогательных машин в кузове улучшается защита от пыли, влаги и других внешних воздействий. Однако при этом повышается температура окружающего воздуха за счет теплоты, выделяемой работающим в кузове оборудованием. При работе электровоза превышение температуры воздуха в кузове над температурой наружного воздуха может составлять 30°С и более.

Электродвигатели компрессоров работают в режиме повторно-кратковременных включений, частота и длительность цикла которых зависят от расхода сжатого воздуха и режима тяги поезда электровозом. При поездной работе электровоза в среднем бывает 5 – 10 пусков в час.
Это предъявляет жесткие требования к коммутационной устойчивости и перегрузочной способности электродвигателей компрессоров. По опыту эксплуатации рабочий режим электродвигателя компрессора соответствует ПВ = 30%, но при определении его мощности за расчетный принимают режим при ПВ = 50% с циклами включения и отключения по 5 мин.

Электродвигатели вентиляторов и генераторы управления обычно работают в длительном режиме. Пуск электродвигателей вентиляторов также сопровождается резкими бросками тока, достигающими семикратного номинального значения. Поэтому двигатели вентиляторов часто остаются включенными не только при движении электровоза, но и на остановках. Режим работы мотор-генератора является кратковременным и определяется длительностью рекуперативного торможения. В зависимости от условий эксплуатации продолжительность рекуперативного торможения может составлять 5...25% общего времени движения по перегону. При этом максимальная длительность работы в режиме рекуперации не должна превышать 30...40 мин. Пуск мотор – генератора также очень затруднен, так как величина броска тока при пуске иногда в 5 – 7 раз превышает ток установившегося режима.

12.2. Конструкция вспомогательных электрических машин электровозов.

Несмотря на существенные различия вспомогательных машин по назначению, мощности, характеристикам и другим показателям, они имеют общие элементы конструкции. Все двигатели вентиляторов и компрессоров являются одно-коллекторными, четырехполюсными последовательного возбуждения, а двигатели преобразователей – четырехполюсными смешанного возбуждения. Применение последовательного возбуждения в двигателях вентиляторов и компрессоров обусловлено тем, что такие двигатели имеют наиболее простую схему включения, характеризуются большим пусковым моментом и высокой перегрузочной способностью. Двигатели последовательного возбуждения также обладают лучшими эксплуатационными характеристиками при неустановившихся процессах работы оборудования. Все это повышает их надежность по сравнению с другими типами двигателей.

Однако двигатели последовательного возбуждения из-за нестабильности частоты вращения при изменениях нагрузки не пригодны для привода таких машин как возбудители рекуперации. Для автоматической стабилизации режима применяют двигатели смешанного возбуждения. Величину среднего межламельного (между коллекторными пластинами) напряжения у вспомогательных машин допускают большей, чем в тяговых двигателях; нередко она достигает 40...42 В. Для повышения стабильности работы при значительных колебаниях напряжения и улучшения пусковых характеристик магнитные системы вспомогательных машин выполняют обычно слабо насыщенными. Выполнение генераторов со слабо насыщенной магнитной системой облегчает регулирование напряжения и поддержание его в заданных пределах при значительных колебаниях частоты вращения двигателя привода, которые вызваны колебаниями напряжения на токоприемнике. Обмотки полюсов и якорей вспомогательных машин изготовляют из медного провода с изоляцией классов А или В. В основном эти машины выполняют с самовентиляцией, однако известны случаи выполнения вспомогательных машин и с независимой вентиляцией (НБ-431А).

12.2.1. Мотор-генераторы (преобразователи)

Мотор-генераторы состоят из высоковольтного двигателя, включенного на напряжение контактной сети, и низковольтного генератора, подающего напряжение на обмотки возбуждения тяговых двигателей при рекуперативном торможении. Обе эти машины, как правило, выполняют в общем остове, а якоря собирают на одном валу. Мотор-генератор НБ-430В (рис. 12.1) – самовентилируемый агрегат. Вентилятор 11 расположен на конце общего вала со стороны коллектора генератора 9. Двигатель преобразователя – четырехполюсный, смешанного возбуждения; генератор – шестиполюсный, также смешанного возбуждения.

Остов двигателя 4 неразъемный, цилиндрической формы, отлит из стали 25Л-1. Обмотки последовательного и независимого возбуждения намотаны из прямоугольного медного провода ПБД. Изоляция катушек выполнена из лакоткани толщиной 0,2 мм тремя слоями вполнахлеста и одним слоем киперной ленты толщиной 0,45 мм вполнахлеста. Катушки независимого возбуждения генератора выполнены из круглого медного провода ПБД. Они изолированы одним слоем тафтяной ленты толщиной 0,25 мм, по одному слою ленты из лакоткани толщиной 0,2 мм вразбежку и киперной ленты толщиной 0,45 мм вполнахлеста.

Катушки независимого возбуждения из медного прямоугольного провода намотаны двумя витками на каждый полюс. Их изоляция состоит из одного слоя асбестовой ленты, положенной вразбежку, шести слоев вполнахлеста микаленты толщиной 0,13 мм и одного слоя вполнахлеста киперной ленты толщиной 0,45 мм.

Рис. 12.1. Мотор-генератор НБ-430В.
1, 12 – подшипниковые щиты, 2, 10 – щеточные устройства двигателя и генератора, 3 – коллектор двигателя, 4 – остов, 5 – сердечник якоря двигателя, 6, 8 – обмотки якорей, 7– сердечник якоря генератора, 9 – коллектор генератора, 11 – вентилятор, 13 – реле оборотов.

   Сердечники добавочных полюсов преобразователя выполнены из стальных поковок.
   Корпусная изоляция катушек полюсов двигателя состоит из одного слоя вполнахлеста тафтяной ленты толщиной 0,25 мм, трех слоев вполнахлеста лакоткани толщиной 0,2 мм и одного слоя вполнахлеста киперной ленты толщиной 0,45 мм. Корпусная изоляция катушек добавочных полюсов генератора состоит из двух слоев вполнахлеста микаленты толщиной 0,13 мм и киперной ленты толщиной 0,45 мм, наложенной одним слоем вполнахлеста и одним – вразбежку. Сердечники якорей 5 и 7 насажены на вал без якорной втулки.
   Коллектор двигателя 3 имеет 343 пластины, а коллектор генератора 9 – 228. Толщина межламельной изоляции соответственно равна 1 и 0,8 мм. Диаметр и длина рабочей поверхности коллектора двигателя равны 390 и 32 мм, а коллектора генератора – 380 и 200 мм. Волновая обмотка 6 якоря двигателя состоит из 343 четырехвитковых секций, выполненных из медного провода ПЭЛШД, по семь секций в каждой катушке. Каждая катушка якорной обмотки изолирована лентой из лакоткани толщиной 0,1 мм (семь оборотов), лентой из лакоткани толщиной 0,2 мм и тафтяной лентой толщиной 0,25 мм, наложенных по одному слою вполнахлеста. В пазу расположено 14 сторон секций, которые имеют 56 эффективных проводников. Обмотка якоря укреплена на сердечнике бандажом из стальной проволоки диаметром 1,5 мм, 30 витков которого приходятся на пазовую часть и 86 витков – на лобовые части. Петлевая обмотка 8 якоря генератора состоит из 228 одновитковых секций, выполненных из медного провода, изолированного одним слоем микаленты толщиной 0,075 мм вполнахлеста. Катушка имеет четыре секции. Катушки якоря генератора изолированы микалентой толщиной 0,1 мм по три слоя вполнахлеста и стеклолентой толщиной 0,1 мм, наложенной одним слоем встык. Обмотка закреплена бандажом из стальной проволоки диаметром 1,5 мм (30 витков на сердечнике и 75 на лобовых частях).

На мотор-генераторе НБ-436В установлены две поворотные траверсы щеткодержателей, укрепленные на подшипниковых щитах. На траверсе двигателя смонтированы четыре однощеточных щеткодержателя. Траверса генератора имеет шесть пальцев, каждый из которых несет пять щеткодержателей. Сила нажатия на щетку равна 12...15 Н (1,2...1,5 кгс) для двигателя и 10...12 Н (1,0...1,2 кгс) для генератора и обеспечивается регулированием нажимного устройства щеткодержателей. Щетки ЭГ-2А двигателя имеют размеры 10×25 мм, генератора – 16×32 мм. Якорь преобразователя опирается на роликовые подшипники. Со стороны двигателя установлен фиксирующий подшипник 80-92317Л1, со стороны генератора – плавающий 80-32317Л1 Наружные кольца запрессованы в подшипниковые щиты 1 и 12, изготовленные из стального литья, а внутренние на вал якоря. Подшипниковые щиты запрессованы в остове и закреплены шестью болтами с пружинными шайбами. Конструкции преобразователей НБ-429А и НБ-436В не имеют принципиальных отличий.

12.2.2. Электродвигатели привода вспомогательных агрегатов.

Электродвигатели типа НБ-430А, ТЛ-110М и -101. Эти электродвигатели служат для привода ротора вентилятора и якоря генератора управления. Ротор вентилятора насажен на вал электродвигателя со стороны, противоположной коллектору. Якорь генератора управления смонтирован на консольной части вала электродвигателя со стороны коллектора, а остов генератора укреплен торцовой частью на подшипниковом щите двигателя. Остов 4 двигателя ТЛ-110М (рис. 12.2) отлит из стали 25Л-1, имеет цилиндрическую форму, четыре лапы для крепления в кузове электровоза и две горловины по торцам, закрытые подшипниковыми щитами 7 и Р. Остов двигателя ТЛ-101 – сварной из листовой стали толщиной 30 мм. В подшипниковых щитах установлены роликовые подшипники якоря. У двигателей ТЛ-110М и -101 со стороны коллектора смонтирован упорный подшипник 2H92317KI, а с противоположной стороны – радиальный роликоподшипник 2H32417KI.

Главные полюса двигателей расположены по вертикальной и горизонтальной осям. Основные листы сердечников главных полюсов набраны из листовой стали Ст2кп толщиной 1,5 мм и сжаты заклепками между крайними листами толщиной 5 мм. Главный полюс прикреплен к остову тремя шпильками. Сердечники добавочных полюсов массивные литые или из толстолистового проката. На нижней части сердечника установлены латунные наконечники для закрепления катушки. Для обеспечения надежной коммутации при переходных режимах между остовом и сердечником добавочного полюса предусмотрены немагнитные прокладки толщиной 3 мм. Катушки главных полюсов двигателей ТЛ-110М и НБ-430А намотаны прямоугольным проводом соответственно марки ПБД и ПСД.

Рис. 12.2. Электродвигатель ТЛ110М:
1, 9 – подшипниковые щиты; 2 – щеткодержатель, 3 – коллектор, 4 – остов, 5, 7 – нажимные шайбы;
6 – сердечник якоря, 8 – обмотка якоря; 10 – вентилятор, 11 – вал.

   Корпусная изоляция катушек главных полюсов двигателя НБ-430А состоит из шести слоев лакоткани толщиной 0,2 мм и одного слоя тафтяной или киперной ленты толщиной 0,4... 0,45 мм, намотанных вполнахлеста, а двигателя ТЛ101 – из шести слоев микаленты ЛФЧ1 толщиной 0,13 мм вполнахлеста. Необходимая форма катушки достигается применением картонных прокладок и деревянных клиньев. Катушки добавочных полюсов двигателей ТЛ110М и НБ430А намотаны медным проводом ПБА прямоугольного сечения, а двигателя ТЛ101 – проводом ПСД. Корпусная изоляция их выполнена так же, как корпусная изоляция катушек главных полюсов. Выводные концы катушек полюсов изготовлены из провода ПС-3000 или ПС-4000 сечением 1,45×4,4 мм. Сердечник якоря 6 двигателей набран из листов электротехнической стали 1212 и 1213 толщиной 0,5 мм, изолированных с обеих сторон лаковой пленкой. Двигатели ТЛ110М, -101 и НБ430А имеют коллектор 3 с 343 пластинами.
   Диаметр его равен 390 мм, а длина рабочей части – 32 мм. Обмотка якоря 8 волновая, с неразрезными катушками (у двигателя НБ-430А катушки трехвитковые из круглого медного провода ПЭЛШД). Корпусная изоляция якорных катушек в пазовой части состоит из 7,5 слоев лакоткани толщиной 0,1 мм и одного слоя полотняной ленты, наложенных вполнахлеста. Слои проводников в секции по высоте отделены один от другого прокладками из электрокартона толщиной 0,1 мм. Корпусная изоляция катушек якоря двигателя ТЛ-101 выполнена лентой, намотанной в шесть слоев из стеклолакоткани ЛСБ толщиной 0,2 мм и покрытой одним слоем вполнахлеста стеклоленты толщиной 0,1 мм. Охлаждение двигателя осуществляется насаженным на его вал вентилятором 10 с радиальными лопатками.
   Щеткодержатель 2 состоит из литого латунного корпуса, кронштейна, фарфорового изолятора и механизма нажатия на щетку. На кронштейне корпус щеткодержателя укреплен с помощью гребенки, позволяющей регулировать зазор между корпусом и коллектором. Кронштейны установлены на поворотной траверсе, закрепленной на подшипниковом щите. Пальцы имеют изоляцию из изодина или из прессмассы АГ-4 и фарфоровый изолятор. Нажатие на щетку осуществляется витой плоской пружиной.

Электродвигатель А2934/4. Этот электродвигатель рассчитан на номинальное напряжение 1500 В и представляет собой четырехполюсную самовентилируемую машину последовательного возбуждения с добавочными полюсами. Корпусная изоляция двигателя рассчитана на напряжение 3000 В. Конструкция двигателя во многом аналогична конструкции двигателя ТЛ-110М. Коллектор диаметром 385 мм имеет 385 пластин.
Алюминиевый ротор вентилятора прикреплен к стальному диску, насаженному на вал двигателя со стороны, противоположной коллектору. Вал двигателя опирается на два роликовых подшипника: упорный со стороны коллектора и радиальный со стороны, противоположной коллектору. На двигателе смонтированы два щеткодержателя, укрепленные изолированными пальцами на поворотной траверсе. Траверса закреплена на подшипниковом щите.

Электродвигатель НБ404А. Для привода компрессора Э-500 используется самовентилируемый четырехполюсныи двигатель последовательного возбуждения НБ404А (рис. 12.3). Для упрощения сочленения двигателя с компрессором его вал 12 входит непосредственно в картер компрессора, и на него посажена шестерня 9 компрессора. В связи с этим двигатель не имеет подшипникового щита и якорного подшипника со стороны передачи. Станина и подшипниковый щит со стороны коллектора – стальные, литые. В щите установлен двухрядный сферический роликоподшипник 3612 (11).
Сердечники главных полюсов набраны из стальных (Ст2) листов толщиной 1,5 мм; сердечники добавочных полюсов – литые. Сердечники главных полюсов укреплены в остове шпильками М20, а добавочных полюсов – болтами М20. Под добавочными полюсами предусмотрен второй зазор, равный 2 мм. Катушки главных полюсов имеют по 749 витков, а добавочных – по 400 витков. Для навивки катушек использован провод ПБД диаметром 1,62 мм. Корпусная изоляция катушек состоит из шести слоев вполнахлеста лакоткани толщиной 0,2 мм и одного слоя вполнахлеста хлопчатобумажной ленты толщиной 0,4 мм.

Рис. 12.3. Компрессор Э-500 с электродвигателем НБ404А.
1 – плита; 2 – подшипник коленчатого вала; 3 – шатун; 4 – поршень; 5 – заглушки; 6– цилиндр низкого давления; 7– клапанная коробка; 8 – цилиндр высокого давления; 9 – шестерня компрессора; 10 – сапун; 11 – подшипник вала якоря; 12 – вал; 13 – якорь электродвигателя; 14 – корпус компрессора; 15 – большое зубчатое колесо; 16 – коленчатый вал компрессора.

Рис. 12.4. Электродвигатель НБ431А.
1 – подшипниковый щит; 2, 10 – подшипники; 3 – передняя нажимная шайба; 4 – остов; 5 – катушка добавочного полюса; 6 – сердечник добавочного полюса; 7 – обмотка якоря; 8 – задняя нажимная шайба; 9 – сердечник якоря; 11 – вал; 12 – бандажи; 13 – сердечник главного полюса; 14 – катушка главного полюса; 15 – пружинный фланец; 16 – коллектор; 17– щеткодержатель; 18 – щетка; 19 – траверса.

Сердечник якоря 13 изготовлен из электротехнической стали 1212 или 1213 толщиной 0,5 мм. Волновая обмотка якоря навита из провода ПЭЛШД. Корпусная изоляция катушек якорной обмотки состоит из 7,5 слоев лакоткани толщиной 0,1 мм вполнахлеста и одного слоя полотняной ленты вполнахлеста.

Электродвигатель НБ431А. Для привода компрессора КТ-6 предназначен четырехполюсный двигатель НБ-431А последовательного возбуждения, низкооборотный (рис. 12.4). Частота вращения двигателя в номинальном режиме равна 440 об/мин. Двигатель имеет независимую систему вентиляции. При номинальной мощности 21 кВт и ПВ = 50% расход охлаждающего воздуха составляет 14 м3/мин яри статическом напоре в коллекторной камере 9 мм вод. ст. Работа двигателя без принудительной вентиляции возможна при номинальной мощности и ПВ = 20%.

12.2.3. Генераторы управления.

Генераторы цепей управления – низковольтные машины, рассчитанные на работу при номинальном напряжении 50 В. Они работают при больших колебаниях потребляемой мощности и в сравнительно широком диапазоне частоты вращения. Частота вращения изменяется в зависимости от напряжения на токоприемнике, так как генераторы управления приводятся во вращение двигателями последовательного возбуждения. При этом напряжение на зажимах генератора должно составлять 50 В, а при усиленном подзаряде батареи – 65...70 В. Генераторы управления имеют параллельное возбуждение, поэтому они менее чувствительны к колебаниям нагрузки и напряжения по сравнению с генераторами последовательного возбуждения.

Генератор управления ТЛ-110В. Это четырехполюсная машина без добавочных полюсов и собственных подшипниковых щитов (рис. 12.5). Станина 6 генератора с торцовой стороны закреплена на подшипниковом щите 8 электродвигателя ТЛ110М, установленном со стороны коллектора. Станина двигателя либо отлита из стали 25Л-1, либо сварена из стального проката марки Ст3 и имеет цилиндрическую форму. Сердечник главного полюса 5 набран из листов стали Ст2 толщиной 1,5 мм и скреплен стальными заклепками. Каждый полюс прикреплен к остову двумя стальными шпильками М16. Катушка Главного полюса 7 намотана из обмоточного провода ПСД диаметром 2,12 мм и имеет 510 витков. Корпусная изоляция катушек выполнена из стеклослюдинитовой ленты ЛСЭП-934-ТПл сечением 0,13×20 мм в три слоя с перекрытием вполнахлеста. Воздушный зазор между якорем и полюсами составляет 2,2 мм. Якорь генератора насажен консольно на цилиндрическую часть вала электродвигателя ТЛ-1 ЮМ. Сердечник якоря 4 набран из листов электротехнической стали 1312 толщиной 0,5 мм. Обмотка якоря 9 волновая и состоит из 27 катушек, уложенных в пазы якоря. Выводы обмоток припаяны к петушкам коллектора оловом 02 (ГОСТ 860-75) с флюсом КСп (ОСТ 160.614.011-71). Обмотка якоря в пазах и ее лобовые части закреплены стеклобандажной лентой ЛСБ-F 0,2×20 мм. Катушки 7 якорной обмотки изготовлены из провода ПЭТВСД сечением 1,25×6,0 мм, имеющего восемь элементарных проводников, расположенных по высоте паза в два ряда по четыре проводника. Корпусная изоляция состоит из двух слоев стеклослюдинитовой ленты ЛСЭК-5СПл толщиной 0,11 мм и одного слоя фторопласта толщиной 0,03 мм, уложенных вполнахлеста, а также одного слоя стеклоленты толщиной 0,1 мм, уложенной встык. Коллектор 2, состоящий из 107 пластин, насажен на стальную втулку. Щеточный аппарат 1 имеет траверсу поворотного типа, на которой укреплены четыре изоляционных пальца со щеткодержателями. В щеткодержателях установлены щетки ЭГ-2А. Генератор имеет независимую вентиляцию.

Рис. 12.5. Генератор управления ТЛ110В.
1 – щеточный аппарат, 2 – коллектор; 3 – нажимная шайба; 4 – сердечник якоря; 5– сердечник главного полюса; б– станина; 7– катушка главного полюса; 8 – подшипниковый щит; 9 – обмотка якоря; 10 – втулка; 11 – крышка.

Генераторы управления ДК405А и -405К. Это четырехполюсные генераторы без добавочных полюсов, не имеющие вала якоря и подшипниковых щитов. Детали якоря собраны на втулке, которая насажена на конец вала двигателя, а остов генератора торцовой частью закреплен на подшипниковом щите двигателя. Сердечники главных полюсов шихтованы из листовой стали толщиной 1,5 мм, а катушки намотаны из круглого медного провода ПБД. Корпусной изоляцией служат: один слой вполнахлеста ленты из лакоткани толщиной 0,2 мм, один слой тафтяной ленты толщиной 0,25 мм и один слой вполнахлеста киперной ленты толщиной 0,45 мм. Втулка якоря отлита из стали вместе с задней нажимной шайбой. Сердечник якоря фиксирован на втулке шпонкой и нажимной шайбой. Листы сердечника штампованы из электротехнической стали 1211 толщиной 0,5 мм. Для предотвращения распушения крайние листы сердечника изготовлены из стали Ст2 толщиной 1 мм. Обмотка якоря волновая, имеет 27 катушек, выполненных из медного проводника прямоугольного сечения. Корпусной изоляцией катушек служит лента из лакоткани ЛИП толщиной 0,1 мм (2/4 оборота) и один слой вполнахлеста киперной ленты толщиной 0,45 мм. Обмотка якоря закреплена бандажами из проволоки диаметром 1,5 мм. Коллектор обычной конструкции собран на литом корпусе и скреплен нажимным конусом и специальной кольцевой гайкой, навернутой на корпус коллектора и застопоренной двумя болтами.
Щеткодержатели установлены на поворотной траверсе. Вентиляция генератора независимая, осуществляется вентилятором двигателя.

   Генераторы управления 3А-1731/4 и ПАЛ. В отличие от генераторов ДК405 эти генераторы изготовляют как самостоятельные электрические машины. Их устанавливают на остове двигателя вентилятора, а вращающий момент передается клиновой ременной передачей.
   Конструкция этих генераторов аналогична конструкции генераторов ДК-405А и -405К.
   Катушки главных полюсов генератора 3А-1731/4 намотаны из изолированного круглого провода, а добавочных –- из голого медного провода прямоугольного сечения. Якорь имеет обычную конструкцию. Обмотка якоря волновая, закреплена на сердечнике клиньями.

12.3. Конструкция вспомогательных электрических машин тепловозов.

12.3.1. Возбудители и вспомогательные генераторы.

Возбудители предназначены для питания постоянным током обмотки независимого возбуждения тягового генератора непосредственно или через выпрямитель (синхронные), а вспомогательные генераторы – для питания различных нагрузок собственных нужд тепловоза. Возбудители и вспомогательные генераторы постоянного тока имеют унифицированную конструкцию и выполняются в виде двухмашинных агрегатов с общим валом. Благодаря этому уменьшаются габаритные размеры и масса, а также упрощается монтаж и привод их на тепловозе. Наиболее распространенными и характерными по устройству и эксплуатации их возбудителей и вспомогательных генераторов являются агрегаты А-706Б и МВТ-25/9 + МВГ-25/11. Характеристики возбудителей и вспомогательных генераторов приведены в табл. 12.1. и 12.2.

Двухмашинный агрегат А-706Б. Этот агрегат установлен на тепловозах 2ТЭ10М, 2ТЭ10В, 2М62, ТЭП60 и состоит из вспомогательного генератора ВГТ-275/120 и возбудителя В-600 защищенного исполнения с самовентиляцией (рис. 12.6).

Таблица 12.1. Характеристики возбудителей тепловозов.

Тип возбудителя	Серия тепловоза	Мощность, кВт	Напряжение, В	Ток, А	Частота вращения, об/мин
МВТ-25/9	ТЭМ2, ТЭМ2М	5,6	75	75	2000
В-600	2ТЭ10М, ТЭП60, 2ТЭП60, М62, 2М62, 2ТЭ10В	20,6	165	125	1800

Таблица 12.2. Характеристики вспомогательных генераторов тепловозов.

Тип вспомогательного генератора	Серия тепловоза	Мощность, кВт	Напряжение, В	Ток, А	Частота вращения, об/мин
МВГ-25/11	ТЭМ2, ТЭМ2М	5,75	75	77	2000
ВГТ-275/120	2ТЭ10М, ТЭП60, 2ТЭП60, М62, 2М62, 2ТЭ10В	12	75	160	1800

Сердечники главных полюсов 13 и 19 набраны из листов стали и стянуты заклепками. На сердечнике 13 главного полюса возбудителя расположены обмотка независимого возбуждения возбудителя 11, получающая питание от амплистата (амплистат – магнитный усилитель с внутренней обратной связью), и размагничивающая обмотка 10, получающая питание от вспомогательного генератора (ВГ). На сердечнике 19 главного полюса ВГ намотана катушка параллельного возбуждения. Катушки имеют открытые и перекрещенные выводы, от корпуса они изолированы микалентой и тафтяной лентой. Для предотвращения продольного сдвига катушек между ними и башмаком сердечника устанавливают пружинные рамки. В станинах 12 и 17 укреплено по пять добавочных полюсов (место шестого полюса занято выводами обмотки). Сердечники добавочных полюсов ВГ 18 и возбудителя 14 стальные литые, катушки одинаковы и изолированы микалентой и тафтяной лентой. К подшипниковым щитам 2 крепятся изоляционные траверсы 5, имеющие по шесть щеткодержателей 6. Корпуса щеткодержателей отлиты из латуни. В каждый корпус устанавливается по одной щетке марки ЭГ-4. Спиральные пружины обеспечивают усилие нажатия на щетку 11...20 Н. Траверса допускает сдвиг щеток при их установке на нейтрали. Якоря ВГ и возбудителя смонтированы на общем валу 22. Сердечники якорей 9 набраны из листов стали толщиной 0,5 мм, насажены на вал и зажаты между корпусами коллекторов и обмоткодержателями. Число и размеры пазов, длина сердечника, размеры обмотки якоря и число коллекторных пластин и обеих машин одинаковы. Волновая двухслойная обмотка укладывается в 44 открытых пазах с шагом по пазам 1 – 8 и с шагом по коллектору 1 – 44.

Коллекторы барочного типа спрессованы пластмассой. Втулка коллектора ра ВГ удлинена, и на нее насажены два кольца (для вспомогательных генераторов ВГТ-300/120), предназначенные для съема переменного напряжения для питания радиостанции тепловоза. Двухмашинный агрегат охлаждается вентилятором центробежного типа, закрепленным на валу якоря в средней части между якорями возбудителя и ВГ.

Рис. 12.6. Двухмашинный агрегат А-706Б.
1 – подшипник; 2, 21 – подшипниковые щиты; 3 – основание коллектора; 4 – коллектор; 5 – траверса; 6 – щеткодержатель; 7– корзина; 8 – кожух; 9 – сердечник якоря возбудителя; 10 – размагничивающая обмотка возбудителя; 11 – обмотка независимого возбуждения возбудителя; 12, 17 – станины; 13 – сердечник главного полюса возбудителя; 14 – сердечник добавочного полюса возбудителя; 15 – болт; 16 – вентилятор; 18 – сердечник добавочного полюса ВГ; 19 – сердечник главного полюса ВГ; 20 – обмотка якоря ВГ; 22 – вал.

   Двухмашинный агрегат тепловозов ТЭМ2, ТЭМ2М, ТЭМ1. Агрегат состоит из вспомогательного генератора МВГ-25/11 и возбудителя МВТ-25/9. Станины возбудителя и вспомогательного генератора составляют общий разъемный корпус. К станине возбудителя МВТ-25/9 крепятся четыре главных полюса, каждый из которых состоит из сердечника и обмотки. Сердечники набраны из стальных листов толщиной 2 мм и разделены латунной прокладкой на две части неравного сечения – насыщенную и ненасыщенную. Часть сердечника меньшего сечения (насыщенная) охватывается дифференциальной обмоткой, имеющей семь витков медной полосы сечением 2,63×1,47 мм. Параллельная обмотка возбуждения охватывает обе части сердечника и имеет 242 витка из изолированного медного провода марки ПВД диаметром 1,95 мм. В собранном виде катушки обмоток пропитываются компаундом и покрываются эмалью. Катушки обмоток возбудителя выполняются с открытыми и перекрещивающимися выводами. Магнитные потоки параллельной и дифференциальной обмоток направлены встречно, поэтому поток под общей частью полюса определяется разностью этих потоков. Электродвижущая сила, индуцируемая результирующим потоком, суммируется с ЭДС, индуцируемой магнитным потоком параллельной обмотки другой части полюса, и с увеличением тока генератора уменьшается, поэтому внешняя характеристика тягового генератора имеет вид гиперболы. Траверса допускает сдвиг щеткодержателей при их установке в нейтральное положение. Каждый щеткодержатель несет по одной щетке марки ЭГ-4. Усилие нажатия на щетку – 10...11Н.
   Сердечник якоря набран из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сердечник возбудителя от сердечника вспомогательного генератора отделен магнитным экраном, состоящим из латунных листов. На валу сердечник удерживается шпонкой. Шаг обмотки по пазам 1 – 11, по коллектору 1 – 68. Коллектор возбудителя содержит 135 пластин.
   Вспомогательный генератор МВГ-25/11 постоянного тока выполнен по схеме параллельного возбуждения. Сердечники главных полюсов набраны из стальных листов толщиной 2 мм, которые скреплены стальными заклепками. Катушка главного полюса имеет 394 витка провода марки ПБД диаметром 1,56 мм, уложенных в 14 слоев. Сопротивление обмотки возбуждения при температуре 15°С равно 9 Ом. Сердечники добавочных полюсов литые стальные, катушки намотаны из меди МГМ сечением 0,8×3,0 мм. Сердечник якоря набран из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы имеют вентиляционные отверстия, паз для шпонки и 46 пазов, в которые укладывается волновая обмотка с двумя параллельными ветвями. Секция обмотки состоит из двух витков из прямоугольной меди (1,56×5,1 мм) с изоляцией ПБД. Коллектор вспомогательного генератора собран из 92 пластин.

12.3.2. Стартер-генераторы.

Стартер-генератор применяется на тепловозах с электропередачей переменно-постоянного тока, используется кратковременно в качестве электродвигателя для пуска дизеля (с питанием от аккумуляторной батареи) и постоянно – в качестве вспомогательного генератора, осуществляющего питание цепей управления, освещения и зарядки аккумуляторных батарей. Стартер-генератор – это четырехполюсная электрическая машина постоянного тока с независимым возбуждением и самовентиляцией. Особенностями конструкции стартер-генератора являются наличие пусковой обмотки на главных полюсах магнитной системы (для работы в режиме электродвигателя при пуске дизеля), закрепление пластин на втулке коллектора с помощью общей гайки (вместо болтов) и выполнение подшипниковых щитов в виде плоских дисков с окнами, закрытыми щитками. Стартер-генератор (рис. 12.7) состоит из станины, подшипниковых щитов, главных и добавочных полюсов, якоря и подшипников. В гнездо переднего подшипникового щита устанавливается подшипник 76313, заднего – 7032315. К станине крепятся четыре главных и четыре добавочных полюса. Сердечник добавочного полюса цельный, обмотка последовательно соединена с обмоткой якоря. К переднему подшипниковому щиту 5 крепится траверса, а к ней щеткодержатели с разрезными щетками типа ЭГ4. Коллектор 7 – арочного типа. Охлаждение стартер-генератора – самовентиляция вытяжного типа, класс изоляции – не ниже F. Режим работы в качестве генератора – длительный. Стартер – генератор питает электродвигатели привода компрессоров, обеспечивает зарядку аккумуляторной батареи и другие вспомогательные нагрузки. Стартер-генератор выдерживает в течение 2 мин. аварийное повышение частоты вращения на 20% сверх номинальной без повреждений и остаточных деформаций.

12.3.3. Электродвигатели привода вспомогательных агрегатов.

Электродвигатели 2П2К и 2П2. Данные электродвигатели имеют мощность 37 кВт и 25 кВт соответственно и частоту вращения 1450 об/мин. Они предназначены для привода компрессора тепловозов 2ТЭ116, ТЭП70 и ТЭМ7 и питаются от стартер-генератора номинальным напряжением постоянного тока 110 В. Электродвигатель 2П2К (рис. 12.8) представляет собой четырехполюсную электрическую машину постоянного тока со смешанным возбуждением и конструктивно выполнен аналогично стартер-генератору ПСГ.
Якорь 8 электродвигателя установлен на двух шариковых подшипниках 76-31 высокого класса точности. Электродвигатель допускает перегрузку по току не более 40% в течение 15 с при номинальном напряжении 110 В. Для облегчения пуска электродвигателя используется резистор, который на период разгона включается последовательно в цепь якоря. Для привода компрессора ВУ-3,5/9-1450 используется электрический двигатель 2П2КУХЛ2. При 157 / 203 установке на тепловозе компрессора ПК-5,25 для его привода используется двигатель 2П2КУХЛ2. Конструкция двигателей аналогична. а.

Рис. 12.7. Стартер-генератор ПСГ.
1 – коробка выводов обмоток, 2 – кольцевой замок; 3, 19 – подшипники; 4 – масленка, 5, 18 – подшипниковые щиты; 6 кронштейн, 7– коллектор, 8 – щеткодержатель; 9 – станина; 10 – обмотка якоря; 11 – катушка добавочного полюса, 12 – сердечник добавочного полюса, 13 – сердечник якоря, 14 – сердечник главного полюса, 15 – пусковая обмотка, 16 – обмотка независимого возбуждения; 17 – вентилятор; 20 – вал.

   Электродвигатели серии П. Это электродвигатели постоянного тока морского исполнения. На отечественных тепловозах и электровозах они применяются для привода масло- и топливопрокачивающих насосов, вентиляторов кабины машиниста и кузова, а также калорифера. Они получают питание от аккумуляторной батареи или вспомогательного генератора при работе дизеля. Технические данные двигателей серии П приведены в табл. 12.3. Электродвигатель П-21 (рис. 12.9) состоит из станины, двух главных и одного добавочного полюсов, двух подшипниковых щитов, якоря и двух шариковых подшипников.
   Станина имеет цилиндрическую форму. Главные полюса установлены по вертикали и крепятся к станине двумя болтами каждый. Обмотка в зависимости от типа двигателя может быть смешанного возбуждения или параллельного, т. е. содержать две или одну катушку.
   Сравнительно легкие условия коммутации позволяют применить только один добавочный полюс, а на месте второго находится коробка выводов 18. На переднем подшипниковом щите 5 крепится изоляционная траверса, а к ней – щеткодержатели 6. Передний подшипниковый щит 5 имеет крышки люка 7 для осмотра щеток, щеткодержателей, соединительных проводов и коллектора. Обмотка якоря 7 петлевая всыпная, имеет две параллельные ветви. Коллектор 2 набирается из медных пластин, корпус коллектора изготовляется из асборезольной массы.

Рис. 12.8. Электродвигатель 2ГТ2К.
1 – вентиляционная решетка; 2, 14 – крышки подшипников; 3, 12 – подшипниковые щиты; 4 – щеткодержатель; 5 – коллектор; 6 – станина; 7– сердечник главного полюса; 8 – якорь; 9 – обмотка возбуждения; 10 – обмотка якоря; 11 – вентилятор; 13 – трубка для смазки; 15 – вал.

Таблица 12.3. Технические данные электродвигателей серии П.

Параметр	Тип электродвигателя
Параметр	П-11		П-12		П-21		П-22			П-31	П-41
Мощность, кВт	0,5	0,2	1,0	0,5	0,5	1,4	2,2	1,22	0,9	2,2	4,2
Напряжение, В	75	75	110	75	75	75	75	75	75	75	64
Ток, А	9,9	4,2	11,8	9,4	9,3	23,8	36,7	21,8	16,1	36,7	844
Частота вращения якоря, об/мин	2800	1740	300	1450	1350	3100	3000	3300	1450	3000	220
Число главных полюсов	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	4
Число добавочных полюсов	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	4
Число щеток	4	4	4	4	4	4	4	4	4	4	8
Число витков обмотки: - параллельного возбуждения - последовательного возбуждения - добавочного полюса	1750 12 116	1150 - 175	1850 11 126	1800 18 142	1800 18 142	1800 10 78	1400 16 78	1200 14 88	1200 14 88	2200 5 50	600 2 17
Число пазов азов	14	14	14	18	18	18	18	18	18	18	27
Число пластин коллектора	56	56	56	72	72	72	72	72	72	72	81

Рис. 12.9. Электродвигатель серии П.
1, 17 – крышки люков; 2 – коллектор; 3 – подшипник; 4 – пресс-масленка; 5, 14 – подшипниковые щиты;
6 – щеткодержатель; 7– обмотка якоря; 8 – сердечник якоря; 9– обмотка добавочного полюса;
10– сердечник добавочного полюса; 11 – станина; 12 – сердечник главного полюса; 13 – обмотка главного полюса;
15 – вентилятор; 16 – вал; 18 – коробка выводов.

Глава 13.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ.

13.1. Тяговые генераторы тепловозов.

   Тяговые генераторы (ТГ) переменного тока предназначены для эксплуатации на тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока и служат для преобразования механической энергии дизеля в электрическую.
   На тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70 и ТЭМ7 установлены синхронные генераторы типа ГС, технические данные которых представлены в табл. 13.1. Вырабатываемый генератором трехфазный переменный ток частотой до 100 Гц подается в выпрямительную установку для выпрямления, а затем к тяговым двигателям постоянного тока. Все типы синхронных тяговых генераторов отечественных тепловозов состоят из одних и тех же узлов, поэтому конструкцию ТГ рассмотрим на примере ТГ типа ГС-501А. Генератор ГС-501А (рис. 13.1) представляет собой синхронную машину 160 / 203 защищенного исполнения с независимым возбуждением и принудительной вентиляцией.
   Охлаждающий воздух подается осевым вентилятором через сборный стальной патрубок со стороны, противоположной контактным кольцам (со стороны дизеля). В нижней части подшипникового щита под контактными кольцами укреплен стальной патрубок для выброса в атмосферу нагретого воздуха. При необходимости воздух может частично выбрасываться в кузов тепловоза. Охлаждающий воздух поступает снаружи тепловоза через воздушные фильтры, установленные с боков кузова. Генератор вращается по часовой стрелке, если смотреть со стороны контактных колец.

Таблица 13.1. Технические характеристики тяговых генераторов тепловозов.

Тип генератора	Серия тепловоза	Мощность, кВт	Линейное/фазное напряжение, В	Ток при линейном/фазном напряжении, А	Частота вращения, об/мин	Масса, кг
ГС-501А	ТЭП70	2800	580/360	2×1540/2×2400	1000	6000
ГС-501А	2ТЭ116	2190	535/290	2×1330/2×2350	1000	6000
ГС-515	ТЭМ7	1400	280/175	2×1540/2×2500	1000	6000
А-714	2ТЭ121, 2ТЭ116А	2800	580/360	2×1 520/2×2400	1000	8200

   Генератор ГС-501А состоит из статора, в пазах которого располагаются две трехфазные обмотки, и ротора с двенадцатью явно-выраженными полюсами возбуждения, питаемыми постоянным током через кольца и щетки. Статор 8имеет сварную конструкцию, изготовленную из стальных листов, которым с помощью вальцевания придается цилиндрическая форма. К статору параллельно его оси с двух сторон привариваются опорные лапы для установки генератора на поддизельную раму. В верхней части статора приварены кронштейны 12, служащие опорами для установки на генераторе синхронного возбудителя и стартер-генератора. Сердечник статора 11 выполнен из штампованных листов высоколегированной электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В листах имеются отверстия, образующие вентиляционные каналы. В пазах статора уложена волновая двухслойная обмотка 13, катушки которой изолированы от корпуса полиамидной и активированной фторопластовой пленками с выстилкой паза пленкостеклотканью. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения обмотка статора 13 выполнена по схеме двух независимых звезд (с двумя параллельными ветвями в каждой), сдвинутых одна по отношению к другой на 30 эл. град. Секция обмотки выполнена из девяти уложенных друг на друга широкой стороной медных проводников и имеет прямоугольную форму, соответствующую форме пазов сердечника 11. Лобовые части обмотки крепятся к статору 8 пластмассовыми обмоткодержателями с запрессованными в них шпильками. Система выводов обмотки статора – усиленная, припаяна к шинам серебросодержащим припоем.
   Всего шесть фазных, два нулевых вывода и два вывода обмотки возбуждения 6 (на роторе).
   Ротор имеет сварно-литой корпус с барабаном 14, на который нашихтован и спрессован пакет индуктора из стальных листов толщиной 2 мм. В листах выштампованы пазы в форме «ласточкина хвоста», в которых на готовом корпусе ротора клиньями крепят 12 полюсов 10 моноблочной конструкции. Сердечники полюсов ротора набраны из листов стали толщиной 1,4 мм, спрессованы и стянуты четырьмя стальными шпильками. Катушки обмотки возбуждения 6 полюсов ротора выполнены из медной ленты МГМ размером 1,35×25 мм, гнутой «на ребро». Между витками меди проложена изоляция. Катушка пропитывается в сборе с сердечником полюса 10 в эпоксидном компаунде и имеет изоляцию типа «Монолит-2» класса F. Все выводы обмотки возбуждения 6соединены последовательно с помощью контактных сегментов и болтов, катушки с прямой и перекрещенной намоткой витков меди устанавливаются на роторе через одну. В пазы полюсных башмаков встроена компенсационная (успокоительная) обмотка 15, состоящая из медных стержней, спаянных между собой по торцам короткозамыкающими сегментами и пропаянных в них.

Рис. 13.1. Синхронный генератор ГС-501
1 – вал; 2 – подшипник; 3 – контактное кольцо; 4 – щеткодержатель; 5 – подшипниковый щит; 6 – обмотка возбуждения; 7 – выводы статорной обмотки; 8 – статор; 9– нажимная щека; 10– полюс; 11 – сердечник статора; 12– кронштейн; 13 – обмотка статора; 14– барабан ротора; 15 – компенсационная обмотка; 16 – крепление обмотки статора; 17 – выводы; 18– корпус подшипника.

Генератор имеет один подшипниковый щит 5 и свободный конец вала 1 со стороны контактных колец 3, благодаря чему возможен отбор мощности на собственные нужды тепловоза в случае отсутствия специального источника. Подшипниковый щит является несущей частью генератора, имеет сварную конструкцию и укреплен болтами на статоре. В щите имеется разъемный корпус подшипника 18, обеспечивающий возможность замены роликового подшипника 2 без снятия щита 5 с генератора и без отъема генератора от дизеля. Подшипник 2 самоустанавливающийся, двухрядный, со сферическими роликами.

Внутри полости подшипникового щита 5 на изогнутых ребрах с помощью четырех изоляторов закреплены две подвески, на каждой из которых установлены три радиальных латунных щеткодержателя 4. Конструкция щеткодержателя обеспечивает постоянное усилие нажатия пружины на щетку независимо от величины износа последней. Щетка вставляется в щеткодержатель и прижимается пружиной через рычаг к контактному кольцу 3 ротора. Всего установлено шесть щеток марки ЭГ-4. Щетки снабжены резиновыми амортизаторами, через которые на щетку передается постоянное усилие нажатия рычага пружины 16...20 Н (1,74...2 кгс). Ток к щеткам подводится по плетеным медным проводникам, наконечники которых через подвески соединены с выводами обмотки возбуждения. Контактные кольца 3, изготовленные из специальной антикоррозионной стали, напрессовываются на корпус ротора. Камера контактных колец закрыта легкосъемными сегментными сварно-штампованными крышками, установленными по периметру конусной части подшипникового щита. Весь крепеж генератора защищен от самоотвинчивания при повышенной частоте вращения и коррозии. 162 / 203

13.2. Тяговые агрегаты тепловозов.

На тепловозах 2ТЭ116УП, -121, ТЭП70БС и -80 установлены тяговые агрегаты типов А714, -713 и -711, в состав которых входят тяговый синхронный генератор (ратор (СГ) и генератор собственных нужд (ГСН), или отопительный. На пассажирском тепловозе ТЭП70БС он именуется генератором энергоснабжения. Тяговый агрегат А-714 защищенного исполнения имеет независимую систему охлаждения. Его основным несущим узлом является статор тягового синхронного генератора (рис. 13.2). Статор 75 ГСН, служащий одновременно передней нажимной шайбой для сердечника 14 статора, упирается в торец промежуточного щита, чем обеспечивается необходимая жесткость конструкции. Торцовый подшипниковый щит 8 агрегата по конструкции подобен щиту тягового синхронного генератора ГС-501А. Роторы агрегата имеют общий корпус безвальной конструкции (сварно-литой) в виде барабана 19. На корпусе расположены две самостоятельные системы возбуждения: тягового СГ и ГСН. Со стороны ГСН расположены контактные кольца 6 обеих машин. Конструкция тягового СГ подобна описанной выше. Генератор собственных нужд обеспечивает питание обмотки возбуждения 18 тягового генератора, привода вспомогательных механизмов и машин, устройств автоматики и др. Возбуждение ГСН осуществляется по принципу самовозбуждения. Это явнополюсная машина, имеющая 12 полюсов, расположенных на роторе и получающих питание от собственной статорной обмотки. В пазах сердечника 14 статора располагаются две трехфазные обмотки, сдвинутые на 30 эл. град. Сердечник 14 статора выполнен из листов стали 3313 толщиной 0,5 мм, в которых выштамповано 40 вентиляционных каналов. В пазах статора уложена волновая обмотка, имеющая изоляцию класса Н. Сердечники полюсов 13 ротора набраны из листов стали толщиной 1,4 мм, спрессованы и стянуты шпильками. Обмотка возбуждения 11 и полюсов выполнена из медной ленты ЛММ 1,08×22 мм, намотанной на ребро, и имеет изоляцию класса F типа «Монолит-2». Агрегат имеет 20 выводов. Восемь выводов 22 и 24 статорной обмотки тягового СГ расположены со стороны дизеля, из них шесть принадлежат двум трехфазным обмоткам, соединенным в звезду, и две – нулевым точкам. Двенадцать выводов расположены со стороны контактных колец: шесть – от двух трехфазных обмоток статора ГСН, соединенных в звезду, два – от нулевых точек и четыре – от обмоток возбуждения СГ и ГСН.

13.3. Генераторы переменного тока пассажирских вагонов.

В системах электроснабжения пассажирских вагонов широко применяют индукторные генераторы переменного тока, основные технические характеристики которых приведены в табл. 13.2. 13.2.

Принцип действия. В отличие от обычного синхронного генератора индукторный генератор не имеет на роторе обмоток и колец со щетками для подвода напряжения. В зависимости от расположения обмотки возбуждения индукторные генераторы подразделяют на машины с осевым и радиальным возбуждением. Генераторы ГСВ-2, -8А, 2ГВ-003 и 2ПВ-001 – это машины с осевым возбуждением. В этих машинах обмотка статора 4, в которой при вращении ротора индуктируется переменная ЭДС, выполняется неподвижной и закладывается в пазы статора (рис. 13.3). Обмотка возбуждения 5 также неподвижна и выполнена в виде двух кольцевых катушек, расположенных за пределами пакета статора. Ротор имеет чередующиеся зубцы 9 и пазы, образующие как бы полюсы машины. Магнитный поток Фв, создаваемый каждой обмоткой возбуждения 5, проходит вдоль оси втулки 8 ротора, расходится в зубцы ротора 9, через воздушный зазор 3 проникает в зубцы статора 2, проходит через станину 1 в осевом направлении, а затем через подшипниковый щит 6 и воздушный зазор 7 снова входит во втулку. Потоки Фв, созданные каждой катушкой обмотки возбуждения 5, направлены так, что в зубцах статора и ротора они имеют одинаковое направление, а в статоре машины и втулке ротора – встречное. При вращении ротора поток, проходящий через каждый зубец статора, будет изменяться, так как магнитное сопротивление этому потоку меняется в зависимости от того, что находится против зубца статора – зубец или паз ротора. В результате этого изменения в катушках обмотки, заложенной в пазах статора, будет индуцироваться ЭДС.

Рис. 13.2. Тяговый агрегат.
1 – выводы обмоток возбуждения ГСН и тягового СГ; 2 – вал; 3 – подшипник; 4 – атмосферный канал; 5 – втулка подшипника; 6 – контактное кольцо; 7 – щетки; 8 – подшипниковый щит; 9 – кожух; 10 – крепление полюсов ГСН; 11– обмотка возбуждения ГСН; 12– выводы статорной обмотки; 13 – сердечник полюса ГСН; 14 – сердечник статора ГСН; 15 – статор ГСН; 16 – кожух; 17– выводы обмотки возбуждения тягового СГ; 18– обмотка возбуждения СГ; 19 – общий барабан ротора; 20 – сердечник полюса СГ; 21 – сердечник статора СГ; 22, 24 – выводы статорной обмотки тягового СГ; 23 – крепление выводов тягового СГ; 25 – кожух; 26 – нажимная шайба.

Таблица 13.2. Технические характеристики индукторных генераторов вагонов.

Параметры	Типы генераторов
Параметры	2ГВ-003	ГСВ-2, ГСВ-8	ОСС-4435	2ПВ-001
Длительная номинальная мощность, кВА	9,45/0,75*	5,8/2,2*	35	30
Длительная номинальная мощность на выходе выпрямителя, кВт	8	5,5	30	26
Номинальное напряжение, В	45/24*	48/15*	150	150
Номинальный ток, А	121/31*	70/85*	155	135
Диапазон рабочей частоты вращения, об/мин	1000...4000	1000...4000	1000...3400	550...3000
Диапазон изменения частоты тока, Гц	100...400	100...400	200...680	100...400
Масса, кг	260	200	720	-

* В числителе приведены значения параметров для основной обмотки якоря, в знаменателе – для вольтодобавочной обмотки

Рис. 13.3. Принцип работы индукторного генератора переменного тока:
1 – станина, 2 – зубец статора, 3, 7 – воздушные зазоры, 4 – обмотка статора; 5– обмотка возбуждения,
6 – подшипниковый щит, 8 – втулка ротора, 9 – зубец ротора.

   Устройство. Генераторы переменного тока 2ГВ-003 и ГСВ представляют собой двенадцатиполюсные машины закрытого исполнения. Корпус 1 генератора (рис. 13.4) имеет лапы 2 или плиту для монтажа генератора под вагоном или на тележке и ребра для воздушного охлаждения машины. Сердечник статора 9 выполнен из листов электротехнической стали, изолированных лаковой пленкой, и запрессован в корпус. Статор имеет 18 пазов, в которые уложены обмотки 5 и 6 (основная трехфазная и вольтодобавочная либо однофазная и трехфазная). Выводы от обмоток подключены к зажимам панели, установленной в клеммной коробке 3. Подшипниковые щиты 4 и 13, имеющие снаружи ребра для охлаждения, крепятся к корпусу болтами. Кольцевые приливы щитов служат для установки двух пар последовательно соединенных катушек параллельной 12 и последовательной 11 обмоток возбуждения. Сердечник 10 ротора собран из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга, и имеет шесть зубцов, т. е. 12 полюсов. Он запрессован на втулку 7, укрепленную на валу 8. Втулка 7 ротора является частью магнитопровода генератора и должна иметь достаточно большое сечение. Кольцевые приливы подшипниковых щитов 4 и 13 также имеют развитую поверхность, так как через них проходит магнитный поток возбуждения. Генераторы 2ГВ и ГСВ различных модификаций имеют примерно однотипную конструкцию и отличаются устройством узла подвески генератора к вагону, конструкцией подшипниковых узлов, расположением и количеством обмоток возбуждения, способом крепления ротора. Генератор 2ПВ-001 представляет собой двухмашинный агрегат, состоящий из индукторного генератора и приводного электродвигателя, смонтированных в общем корпусе и имеющих общий вал.
   Конструкция генератора подобна генератору 2ГВ-003: ротор имеет восемь зубцов, т.е. 16 полюсов; на статоре расположена трехфазная обмотка, соединенная в звезду.
   Приводной электродвигатель – асинхронный с короткозамкнутым ротором. На вагонах-электростанциях установлены синхронные генераторы ГСФ-200 трехфазного тока с явно выраженными полюсами. Генератор имеет следующие номинальные значения параметров: мощность 250 кВА, напряжение 440/230 В, ток 360 А, КПД 0,92, частота тока 50 Гц, частота вращения 1500 об/мин, коэффициент мощности 0,8. В синхронных генераторах ГСФ-200 в отличие от генераторов постоянного тока трехфазная обмотка статора (ее фазы в виде трех катушек АХ, BY, CZ, сдвинутых в пространстве на 120 эл. град.) расположена на статоре, а обмотка возбуждения – на роторе. &   Постоянный ток для питания обмотки возбуждения подается из цепи статора через полупроводниковый выпрямитель с помощью контактных колец и щеток. В генераторе осуществляется принцип самовозбуждения, как и в генераторе постоянного тока с параллельным возбуждением. При вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, пересекает проводники обмотки статора и при холостом ходе машины индуцирует в каждой фазе обмотки статора переменную ЭДС. Синхронные генераторы вагонов-электростанций приводятся во вращение от дизеля и работают при постоянной частоте вращения. Поэтому напряжение генератора изменяется только в результате изменения его нагрузки.

Рис. 13.4. Устройство генератора 2ГВ-003.
1 – корпус; 2 – лапы; 3 – леммная коробка; 4, 13 – подшипниковые щиты; 5, 6 – обмотки статора;
7 – втулка; сердечник статора; 10 – сердечник ротора; 11 – последовательная обмотка возбуждения;
12 – параллельная обмотка 1 статора; 7 – втулка; 8 – вал; 9 параллельная обмотка возбуждения.

Для поддержания стабильности напряжения синхронных генераторов при изменении нагрузки на вагонах-электростанциях применяют регуляторы напряжения РНГ. Место установки генератора на вагоне определяется в основном его мощностью, габаритными размерами и конструкцией провода. Генераторы вагонов без кондиционирования воздуха имеют малую мощность (до 10 кВт), относительно небольшие габаритные размеры и массу и располагаются под кузовом вагона на его раме или на продольной или поперечной балке тележки. Генераторы вагонов с кондиционированием воздуха имеют мощность 20...32 кВт и значительную массу, поэтому место их установки может оказать существенное влияние на равномерное распределение массы вагона на колесные пары. Как правило, их подвешивают под кузовом вагона в средней его части, укрепляя на хребтовой балке.
Вагонные генераторы работают при значительно изменяющейся нагрузке. Ввиду того, что генераторы расположены под вагонами, их выполняют закрытыми и охлаждают путем обдува потоком встречного воздуха. В некоторых машинах роль вентилятора играют вентиляционные лопасти, смонтированные в торцовой части сердечника якоря. Для увеличения поверхности охлаждения корпуса генераторы снабжают наружными охлаждающими ребрами. В генераторах мощностью 20... 30 кВт, устанавливаемых на вагонах с кондиционированием воздуха, используют дополнительные способы охла Так, на генераторах типа K694L применяют наружный вентилятор с обтекателем, обдувающий внешнюю поверхность корпуса для более интенсивного отвода теплоты. В агрегатах типа DUGG-28B машина охлаждается потоком воздуха, забираемого по воздуховоду из вагона. Воздух для охлаждения генератора предварительно фильтруется в приемных жалюзи. В зимнее время охлаждение генератора воздухом, забираемым из вагона, не допускается. При эксплуатации корпус вагонных генераторов и другие детали подвергаются действию резких изменений температуры. В результате этого в неработающем генераторе температура может достигать значений, при которых из воздуха, находящегося внутри машины, выпадает конденсат (точка росы). Для удаления конденсата в нижней части корпуса машины имеются сливные пробки.

13.4. Асинхронные тяговые двигатели.

В настоящее время силовая полупроводниковая техника и средства автоматики позволяют создавать надежные и экономичные статические преобразователи частоты с приемлемыми для локомотивов размерами и массой. Благодаря этому появилась практическая возможность использовать в локомотивах передачу мощности переменного тока с асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями. Проблема в том, что при использовании тяговых электродвигателей постоянного тока для тепловозов с дизелями мощностью более 2940 кВт в секции приходится существенно усложнять их конструкцию. ь их конструкцию.

Асинхронный тяговый электродвигатпредназначен для опорно-рамной подвески (рис. 13.5). Здесь следует заметить, что в тяговых машинах переменного тока магнитопровод выполняемый из листов электротехнической стали, закрепляется в корпусе статора. Толщина стенок корпуса определяется из условий прочности и сопряжения с другими частями машины: подшипниковыми щитами, деталями воздуховодов и др. Литой цилиндрический корпус 8 электродвигателя ЭД900 имеет внутренние осевые ребра жесткости, образующие каналы для прохода охлаждающего статор воздуха. Для входа и выхода воздуха двигатель имеет два люка. Выходной люк в патрубке 9 снабжен кожухом, который защищает двигатель от влаги и пыли. Независимая воздушная система охлаждения двигателя направляет воздух двумя параллельными потоками: через воздушные каналы между стальным пакетом сердечника 7 статора и корпусом 8 и через два ряда круглых отверстий в сердечнике 5 ротора. Воздушный зазор между статором и ротором составляет 1,5 мм.

Рис 13.5. Асинхронный тяговый двигатель ЭД900.
1 – стопорная шайба; 2 – крышка подшипника; 3 – втулка ротора; 4, 11 – подшипниковые щиты;
5 – сердечник ротора; 6 – обмотка статора; 7 – сердечник статора; 8 – корпус двигателя; 9 – воздушный патрубок;
10 – стержень «беличьей клетки» ротора; 12 – подшипник; 13 – вал.

Пакет сердечника 7 статора набирают из листов электротехнической стали на специальные призмы и закрепляют нажимными шайбами. Двухслойную петлевую обмотку 6 статора укладывают в пазы сердечника 7 статора, закрепляют в них изоляционными клиньями и затем выполняют пропитку и сушку. Лобовые части обмотки 6 статора закрепляют конусными кольцами. Статор с уложенной в него обмоткой обтачивают по призмам и запрессовывают в корпус. Обмотка статора изолирована от корпуса полиамидной пленкой. На вал электродвигателя напрессовывают втулку 3 в виде трубы, а на нее напрессовывают сердечник 5 ротора, набранный из листов электротехнической стали. Короткозамкнутая обмотка ротора выполнена в виде «беличьей клетки» путем заливки пазов и торцов сердечника алюминиевым сплавом. Пазы ротора имеют полуовальную полузакрыту Конструкция подшипниковых узлов 12 подобна подшипниковым узлам тяговых электродвигателей постоянного тока. Механическая характеристика асинхронного двигателя жесткая, такую же характеристику имеет двигатель постоянного тока параллельного возбуждения. Однако перегружаемость двигателя постоянного тока ограничивается нагреванием и коммутацией, а асинхронного двигателя развиваемым максимальным моментом. Поэтому у асинхронного двигателя допускаемая перегрузка ограничивается той частью характеристики, которая обусловливает устойчивую работу.

13.5. Управление частотой вращения вала и реверсирование асинхронного двигателя.

Из формулы для определения частоты вращения ротора асинхронного двигателя: хронного двигателя:

следует, что изменить частоту вращения ротора можно путем изменения одной из трех величин: частоты напряжения питания, скольжения ротора или числа пар полюсов.
Регулирование скорости изменением частоты напряжения питания. Регулирование основано на изменении частоты вращения поля статора и в этом случае получается плавным и в широких пределах. Однако для изменения частоты f необходимо иметь преобразователь частоты, так как частота питающей сети постоянна. В результате установка становится сложной и дорогостоящей. Тем не менее, этот способ является основным при регулировании скорости объектов подвижного состава, имеющих тяговый привод с асинхронными тяговыми электродвигателями. Частотное управление асинхронным двигателем осуществляется одновременным изменением ряда параметров питающей сети. Для обеспечения экономичного регулирования текущие значения напряжения U1 частоты тока f и вращающего момента М1 должны находиться в следующем соотношении с номинальными значениями Uном, fном, Mном:

При этом обеспечиваются заданные значения перегрузочной способности асинхронного тягового двигателя, КПД и коэффициента мощности. При М1 = Мном регулирование напряжения осуществляется в соответствии с зависимостью U1 = k1f, так как:

При постоянной мощности асинхронного тягового двигателя регулирование осуществляется в соответствии с зависимостью U1 = k2√f, где k1 и k2 – конструктивные коэффициенты. Поскольку

   При частотном управлении можно придать тяговым характеристикам тепловоза FT = f(v) любую желаемую форму (рис. 13.6) и обеспечить заданную скорость движения. Необходимые соотношения параметров регулирования приведены в табл. 13.3. Таким образом, при изменении частоты вращения в широком диапазоне необходимо изменять магнитный поток машины. В случаях поддержания постоянной мощности асинхронного тягового двигателя магнитный поток его должен уменьшаться с увеличением питающего напряжения. На тепловозах с передачами переменно-постоянно-переменного тока с целью наиболее полного использования установленной мощности электрооборудования принято трехзонное управление асинхронными тяговыми двигателями.
   В зоне I (см. рис. 13.6) поддерживается постоянная сила тяги FT электродвигателя, работающего при максимальном магнитном потоке. Линейное напряжение U1 и частота f тока статора по мере увеличения частоты вращения ротора n2 возрастают. Зона управления заканчивается при достижении ограничения по мощности дизеля.
   В зоне II асинхронный тяговый двигатель работает с постоянной мощностью Р2 ограниченной мощностью дизель-генератора. В этой зоне ток статора и магнитный поток уменьшаются с увеличением скорости движения тепловоза, частота тока ротора f2 уменьшается только в начале зоны II, а потом остается постоянной.
  напряжение U1 остается постоянным. Для поддержания постоянной мощности электродвигателя, работающего в этой зоне с ослабленным магнитным потоком, частота тока ротора f2 увеличивается по мере увеличения f.

Рис. 13.6. Зависимости напряжения питания (U1), мощности (Р2), частоты (f), Р2), частоты (f),
силы тяги (T) от частоты вращения ротора (ωр) асинхронного тягового двигателя

   В зоне I (см. рис. 13.6) поддерживается постоянная сила тяги F_T электродвигателя, работающего при максимальном магнитном потоке. Линейное напряжение U₁ и частота f тока статора по мере увеличения частоты вращения ротора n₂ возрастают. Зона управления заканчивается при достижении ограничения по мощности дизеля.
   В зоне II асинхронный тяговый двигатель работает с постоянной мощностью Р₂ ограниченной мощностью дизель-генератора. В этой зоне ток статора и магнитный поток уменьшаются с увеличением скорости движения тепловоза, частота тока ротора f₂ уменьшается только в начале зоны II, а потом остается постоянной.
   В зоне III напряжение U₁ остается постоянным. Для поддержания постоянной мощности электродвигателя, работающего в этой зоне с ослабленным магнитным потоком, частота тока ротора f₂ увеличивается по мере увеличения f.

Таблица 13.2. Зависимость режимов двигателя от параметров питающей сети.

Режим	Параметры
Режим	M₁ / M_ном	U₁ / U_ном	P₁ / P_ном	Ф₁ / Ф_ном	I₁ / I_ном
Постоянной мощности M₁ = M_ном (f/_fном)	f_ном / f	√f / f_ном	const	√f_ном / f	√f_ном / f
Постоянного момента M₁ = M_ном = const	const	f / f_ном	f / f_ном	const	const

   Регулирование скорости изменением скольжения. Существуют два способа такого регулирования: изменением подводимого к обмотке статора напряжения и изменением активного сопротивления цепи ротора. Возможность регулирования частоты вращения асинхронных двигателей изменением напряжения питания U₁ подтверждается графиками M = f(s) (см. рис. 4.8). При неизменной нагрузке на валу двигателя увеличение напряжения питания вызывает увеличение частоты вращения ротора. Однако диапазон регулирования скорости получается небольшой, что объясняется следующим:
   • узкой зоной устойчивой работы двигателя, ограниченной величиной критического скольжения;
   • недопустимостью значительного отклонения напряжения от номинального значения: с повышением U₁ сверх номинального значения возникает опасность чрезмерного перегрева двигателя в результате увеличения электрических и магнитных потерь, а при значительном уменьшении U₁ сильно уменьшается перегрузочная способность двигателя.

Изменение подводимого к двигателю напряжения питания осуществляется либо регулировочным автотрансформатором, либо с помощью реакторов, включаемых в разрыв цепи статора. Из-за узкого диапазона регулирования и неэкономичности (необходимость дополнительных устройств) рассматриваемый способ регулирования скорости не получил широкого распространения. Увеличение скольжения двигателя сопровождается ростом электрических потерь в цепи ротора, а следовательно, и снижением КПД двигателя. Так, например, если при М₂ = const увеличить скольжение двигателя от 0,02 до 0,5, что соответствует уменьшению частоты вращения ротора приблизительно вдвое, то потери в цепи ротора составят половину всей электромагнитной мощности двигателя. Это свидетельствует о неэкономичности данного способа регулирования. Рассматриваемый способ регулирования имеет еще и тот недостаток, что участок механической характеристики, соответствующий устойчивой работе двигателя, при введении в цепь ротора сопротивления становится более пологим.

Регулирование скорости изменением числа полюсов обмотки статора. Этот способ обеспечивает ступенчатое регулирование, например при f = 50 Гц и значениях р от 1 до 6 можно получить следующие значения частоты вращения поля n1: 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/мин и т. д. Изменять число пар полюсов в обмотке статора двигателя можно либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом пар полюсов, либо укладкой на статоре одной обмотки с отводами, конструкция которой позволяет получить в двигателе различное число пар полюсов. Комбинация этих способов дает возможность получить двигатели с большим числом ступеней регулирования. Наиболее простой получается обмотка при переключении полюсов в отношении 1:2.

   Регулирование частоты вращения двигателя изменением числа пар полюсов статорной обмотки применяется главным образом в двигателях с короткозамкнутым ротором. Это объясняется тем, что число полюсов короткозамкнутого ротора всегда равно числу полюсов обмотки статора. Поэтому для изменения скорости двигателя достаточно ограничиться переключением статорной обмотки. Если же двигатель имеет фазный ротор, то наряду с переключением обмотки статора необходимо соответствующим образом переключить и обмотку ротора. Многоскоростной асинхронный двигатель в зависимости от вида нагрузки на валу может работать в одном из двух режимов:
   • при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую вращающий момент М₂ остается неизменным, а мощность изменяется пропорционально частоте вращения ротора n₂ (двигатель постоянного момента);
   • при переключении двигателя с одной частоты вращения ротора на другую мощность Р₂ остается неизменной, а момент М₂ изменяется соответственно изменению частоты вращения (двигатель постоянной мощности). Тот или иной режим работы двигателя обеспечивается применением различных схем соединения статорных обмоток   Многоскоростные двигатели с переключением полюсов обмотки статора по сравнению с обычными двигателями имеют недостатки, которые в основном сводятся к следующим: большие габариты, высокая стоимость, наличие громоздкого многоконтактного переключающего устройства. Из изложенного следует, что все применяемые способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей обладают существенными недостатками. Направление вращения асинхронного двигателя определяется направлением вращения магнитного поля, а последнее зависит от порядка чередования фаз в обмотке статора. Изменение направления вращения происходит при взаимном переключении любых двух фаз.

Глава 14.
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

14.1. Условия работы вспомогательных электрических машин.

   Вспомогательные электрические машины переменного тока, устанавливаемые на подвижном составе, имеют специальное исполнение. Асинхронные трехфазные вспомогательные двигатели тепловозов и электровозов должны нормально работать в следующих условиях: ать в следующих условиях:
   • при отклонении напряжения питания от номинального (-25...+15%) и одновременной асимметрии напряжений;
   • при затяжных и повторных пусках при пониженном напряжении;
   • при вибрации и толчках;
   • при температуре окружающего воздуха от -50 до +50°С и относительной влажности воздуха до 95%.

С повышением напряжения в асинхронном двигателе увеличиваются магнитный поток и реактивная мощность, в связи с чем понижается коэффициент мощности, возрастают потери в стали сердечников и меди обмоток. Одновременно понижаются рабочие токи в фазах. При понижении напряжения и неизменной нагрузке на валу увеличиваются активные составляющие токов статора и ротора. Скольжение двигателя при изменении напряжения питания изменяется примерно обратно пропорционально квадрату напряжения. Величина напряжения оказывает значительное влияние на механическую характеристику двигателя.
Вращающий момент двигателя пропорционален квадрату приложенного напряжения, поэтому с уменьшением напряжения снижаются пусковой и максимальный моменты двигателя, а также его устойчивость к опрокидыванию. Поэтому необходимо, чтобы вращающий момент выбранной машины обеспечивал работоспособность механизма при низшем напряжении. При питании асинхронных трехфазных двигателей от расщепителя фаз они работают в несимметричном режиме. Несимметрия приложенного напряжения вызывает несимметрию токов в ф Пусковой ток двигателя вызывает добавочное падение напряжения в обмотках расщепителя фаз и трансформатора, снижая напряжение питания двигателя и его устойчивость. Изменение характеристики вращающего момента зависит от кратности пускового тока двигателя, сопротивления обмоток расщепителя фаз и обмотки собственных нужд трансформатора. При недостаточном запасе устойчивости приводные двигатели могут «опрокидываться» во время пуска одного из двигателей.

14.2. Синхронный возбудитель ВС-650ВУ2нный возбудитель ВС-650ВУ2.

На тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70 и ТЭМ7 для питания обмотки возбуждения тягового генератора используется синхронный генератор однофазного напряжения (возбудитель) ВС-650ВУ2 (рис. 14.1).
Это электрическая машина переменного тока, независимого возбуждения, защищенного исполнения, самовентилируемая и с одним свободным концом вала.

   Возбудитель состоит из станины 11, ротора, подшипниковых щитов 8 и 20, подшипников 4 и щеткодержателей 7. Кроме того, он имеет четыре вывода обмоток: два вывода обмотки, расположенной на роторе, и два вывода обмотки возбуждения, расположенной на статоре.
   Станина 11 возбудителя, являющаяся одновременно магнитопроводом и основой для сборки всех узлов, изготовляется из листового проката путем гибки и сварки. В нижней его части имеются лапы для установки. В торцах станины выполнена расточка для посадки подшипниковых щитов. На наружной стороне станины расположена клеммная коробка, представляющая собой панель из прочного электроизоляционного материала, на которой закреплены штифты.
   Выводы обмоток и монтажные провода электрической схемы тепловоза подсоединяются к этим штифтам винтовым соединением.
&   Полюс возбудителя состоит из сердечника, двух обмоток независимого возбуждения и демпферной обмотки, встроенной в башмак сердечника полюса в виде стержней, соединенных в лобовых частях шиной. Катушка независимого возбуждения изготовлена из прямоугольного обмоточного медного провода и вместе с сердечником полюса образует неразъемный моноблок на основе изоляции типа «Монолит-2».
   Шесть щеткодержателей (по три на каждое контактное кольцо) закреплены с помощью уголков из специального сплава на выполненной из изоляционного материала траверсе, соединенных между собой токосборными шинами. Подшипниковые щиты 8 и 20 предназначены для опоры и центровки ротора относительно магнитной системы станины через вмонтированные в них подшипники качения. Щиты центрируют в станине 11 «замками» и закрепляют в ней болтами.
   Подшипник 4 и его смазочная камера закрываются лабиринтным кольцом 2, предотвращающим вытекание смазки из подшипника наружу. Смазка добавляется в подшипники с помощью шариковых масленок, закрепленных в смазочных трубках на наружной поверхности подшипниковых щитов.
   Ротор 12 возбудителя состоит из вала 23, сердечника, обмоткодержателей, контактных колец 10, втулки 19 для крепления вентилятора 18 и обмотки ротора 13, состоящей из от   Система вентиляции включает в себя вентилятор, вентиляционные каналы в роторе и магнитной системе (межполюсные пространства и зазоры между полюсами и ротором), а также люки в станине, защищенные крышками с вентиляционными отверстиями в нижней части. Охлаждающий воздух поступает через отверстия в крышках люков со стороны контактных колец, проходит параллельными потоками по вентиляционным каналам и выбрасывается наружу через сетку со стороны привода.

Рис. 14.1. Синхронный возбудитель ВС-650ВУ2.
1, 24 - вентиляционные решетки; 2, 21 – уплотнительные кольца; 3 – нажимная шайба; 4 – подшипник;
5, 22 – лабиринтные кольца; 6 – щеткодержатель; 7– изолятор щеткодержателя; 8, 20– подшипниковые щиты;
9 – щетка; 10 – контактные кольца; 11 – станина; 12 – ротор; 13 – обмотка ротора; 14 – сердечник полюса статора;
15– башмак сердечника полюса; 16 – обмотка статора; 17, 19– втулки вентилятора; 18 – венти Синхронный подвозбудитель ВС-652 устанавливается на тепловозах 2ТЭ10Л, -ЮМ, ЗТЭ10М, М62, 2М62, ТЭП60, 2ТЭП60 и питает переменным напряжением рабочие цепи магнитного усилителя и трансформаторов в системе возбуждения возбудителя тягового генератора. Подвозбудитель является однофазной четырехполюсной электрической машиной защищенного исполнения с самовентиляцией. Его параметры: мощность 1,1 кВА, напряжение 110В, ток 10А, частота вращения 4000 об/мин.

14.3. Электродвигатели привода собственных нужд.

   Для привода вспомогательных механизмов на тепловозах и электровозах могут применяться самые разные типы электродвигателей: ься самые разные типы электродвигателей:
   • двигатели, питающиеся от полупроводниковых выпрямителей;
   • однофазные коллекторные двигатели;
   • асинхронные конденсаторные двигатели;
   • асинхронные однофазные двигатели с пусковой фазой;
   • асинхронные трехфазные двигатели с питанием от расщепителя фаз;
   • асинхронные трехфазные двигатели с питанием от синхронного генератора промышленной или повышенной частоты. Однако наибольшее распространение получили электродвигатели, представленные в табл. 14.1.

Таблица 14.1. Параметры электродвигателей привода собственных нужд тепловоза.

Наименование параметра	Тип электродвигателя
Наименование параметра	4АЖ225	АОС2-62-6-100	MB-11
Мощность, кВт	24	7	24
Напряжение, В	240...560	240...560	240...560
cosφ	0,89	0,85	0,70
Частота, Гц	35...100	35...100	35...100
Частота вращения, об/мин	1980	1980	1980
КПД	0,82	0,85	0,83
Класс изоляции	Н	F	Н
Масса, кг	269	173	257

Эти электродвигатели выполнены на базе общепромышленной серии асинхронных двигателей А2-82-6 и АОС2-62-6 на частоту 100 Гц и отличаются от серийных усовершенствованной системой лабиринтов и системой пополнения смазки. Все электродвигатели асинхронные трехфазные с короткозамкнутым ротором.

Мотор-вентилятор МВ-11. На тепловозе 2ТЭ116 для привода вентиляторов охлаждения холодильной камеры используют асинхронные электродвигатели специального исполнения (рис. 14.2). Мотор-вентилятор вертикального исполнения представляет собой асинхронный двигатель с внешним ротором, встроенный в корпус осевого вентилятора. В ступице основания 20 закреплена шестью болтами втулка, на которую напрессован сердечник 16 статора с обмоткой 15. Сердечник статора удерживается на втулке кольцевой шпонкой. В сжатом положении железо сердечника фиксируется между нажимными шайбами полукольцами. Внутри втулки установлен вал ротора на двух подшипниках: верхний №313 и нижний № 310. Верхний подшипник имеет лабиринтные крышки и закреплен на валу ротора гайкой, нижний – удерживается кольцом на торце вала. Вентиляторное колесо с запрессованным в его корпус сердечником ротора 5 насаживается сверху статора и крепится болтами к верхнему торцу вала 11. Наружный воздух, засасываемый лопатками вентиляторного колеса через боковые жалюзи, проходит через секции холодильной камеры и выбрасывается через выходной коллектор вентилятора холодильной камеры. Мотор-вентилятор охлаждается наружным воздухом, который подается по трубам, прикрепленным фланцем к опоре выходного коллектора. Затем через отверстия в опоре и основании мотор- 173 / 203 вентилятора часть охлаждающего воздуха омывает поверхности ротора и статора с обмоткой 75, а часть его проходит через двенадцать каналов диаметром 30 мм в сердечнике 76 статора и выбрасывается наружу через патрубки вентиляторного колеса. Сердечник статора мотор-вентилятора набирают из штампованных листов электротехнической стали марки Э21 толщиной 0,5 мм. Листы изолированы друг от друга лаком К47. Обмотка статора трехфазная, двухслойная, симметричная. Фазы соединены в звезду. Катушки обмотки имеют по пять витков и намотаны из провода ПСДК диаметром 1,45 мм. Катушечная группа состоит из четырех катушек. Выводы катушек соединены между собой в катушечные группы и припаяны к выводному кабелю сплавом МФ-3. Выводы выполнены кабелем РКГМ сечением 16 мм2. Сердечник ротора набран из штампованных листов электротехнической стали 1311 и имеет 56 пазов под обмотку, расположенных по внутреннему краю листов. Пазы ротора залиты алюминиевым сплавом АКМ. Ротор после запрессовки в корпус вентиляторного колеса штифтуют четырьмя штифтами.

Рис. 14.2. Мотор лятр МВ-11.
1– коробка выводов; 2 – днище; 3 – алюминиевая заливка; 4 – сердечник ротора; 5 – корпус ротора;
6 – выходной коллектор; 7 – гайка; 8, 13 – втулки; 9, 12, 14 – крышки, 10 – масленки; 11 – вал; 15 – обмотка статора;
16 – сердечник статора; 17– лопатка вентилятора; 18– балансировочны 20 – основание; 21 – пробка; А, Б, В – вентиляционные отверстия

14.4. Конструкция асинхронных электродвигателей.

Электродвигатель 4АЖ225. На тепловозе 2ТЭ116 для привода вентиляторов охлаждения тягового генератора, выпрямительной установки, тяговых электродвигателей передней и задней тележки используется двигатель 4АЖ225 (рис. 14.3). Эта асинхронная машина с короткозамкнутым ротором, закрытого исполнения выпускается специально для работы на тепловозах. Она имеет литые чугунные корпус 5 с опорами 76 для установки и подшипниковые щиты 4 и 10. Статор двигателя 4АЖ225 выполнен аналогично двигателю МВ-11. Сердечник 7 ротора набран из штампованных листов электротехнической стали 1311 и имеет 56 пазов под обмотку, расположенных по внутреннему краю листов. Пазы ротора залиты алюминиевым сплавом АКМ в виде «беличьей клетки», стержни которой удлинены и, выступая из паза, создают воздушный поток, необходимый для охлаждения обмоток статора и ротора. Дополнительно на валу 15 ротора напрессован осевой вентилятор 2. Вал ротора опирается на два шариковых подшипника, расположенных в переднем и заднем подшипниковых щитах. Фланец 12 служит для крепления электродвигателя к вентилятору.

Рис. 14.3. Асинхронный двигатель 4АЖ225.
1 – защитный кожух; 2 – вентилятор; 3 – обмотка ротора; 4, 10 – подшипниковые щиты; 5 – корпус; 6 – обмотка статора; 7 сердечник ротора; 8 – сердечник статора; 9 – коробка выводов; 11 – масленка; 12 – фланец; 13 – выводы обмотки статора; 14 – уплотнитель; 15 – вал; 16 – опора. 14 – уплотнитель; 15 – вал; 16 – опора. p>

Электродвигатель АЭ92-402. Для привода главных компрессоров и центробежных вентиляторов на электровозе ВЛ80 применяется двигатель АЭ92-402, который представляет собой асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором стандартного исполнения (рис. 14.4). Электродвигатель допускает стоянку под током короткого замыкания или затяжной пуск продолжительностью не более 15 с при номинальном напряжении 380 В. Питание двигателя осуществляется от однофазной сети в системе с расщепителем фаз и постоянно включенными конденсаторами при колебании питающего напряжения сети в диапазоне 280...470 В и ассиметрии напряжения по фазам в соответствии с нормативно-технической документацией на поставку. Статор состоит из стальной сварной станины и сердечника 77, набранного из штампованных изолированных листов электротехнической стали 1212, покрытых лаком. Для заземления электродвигателя на лапах имеются специальные болты. Обмотка 14 статора – трехфазная, двухслойная, симметричная, фазы соединены в звезду. Для обмотки использован изолированный медный провод ПСД и изоляционные материалы класса В. Пазовая изоляция выполнена в виде коробочки и состоит из двух слоев гибкого слюдинита ГСС-I толщиной 0,2 мм, между которыми помещен один слой электрокартона ЭВ толщиной 0,2 мм. Сверху по нему проложен слой стекло Чтобы не повредить изоляцию паза при укладке обмотки статора, в пазы кладут вкладыш из электрокартона толщиной 0,2 мм. Между слоями обмотки в пазу имеется прокладка из слюдинитокартона толщиной 0,6 мм, а под клином – прокладка из электрокартона ЭВ. При укладке обмоток лобовые части первых катушек обмотки каждой группы изолируют вполнахлеста двумя слоями стеклолакоткани ЛСБ толщиной 0,2 мм и одним слоем стеклоленты такой же толщины. Лобовые части остальных катушек изолируют по всей длине одним слоем стеклоленты вполнахлеста. Кроме того, в лобовых частях обмотки между группами катушек укладывают изолирующие междуфазовые прокладки из стеклослюдинитокартона толщиной 0,6 мм. Катушки в пазах статора закреплены пазовыми клиньями высотой 4,5 мм, изготовленными из текстолита Б. Соединения между группами катушек выполнены скруткой и соединены с выводными проводами медными хомутиками. Места соединений спаяны сплавом МФ-3. Выводные концы катушек изолированы стеклолакочулком. Изоляция соединений катушечных групп состоит из одного слоя вполнахлеста черной стеклолакоткани толщиной 0,2 мм, а изоляция соединений обмотки с выводными проводами – из одного слоя вполнахлеста той же стеклолакоткани и стеклоленты толщиной ОД мм. Для выводов использованы провода КРПТ или ПРГ. На провода ПРГ по всей длине надеты линоксиновые трубки. Вывод прикреплен к лобовой части и стянут посредине на длине 250... 300 мм одним слоем ленты вразбежку в два жгута с тремя выводами в каждом. Для повышения вибростойкости головки каждой катушки стянуты стеклочулком, а соединения обмотки скреплены стеклолентой равномерно по окружности и в 10 –12 местах прикреплены к лобовым частям. Лобовые части обмотки статоров двигателей АП82-4 и АС82-4 крепят к бандажным кольцам.

14.4. Асинхронный двигатель АЭ92-402.
1 – лабиринтная крышка; 2, 18 – подшипники; 3 – корпус подшипника; 4, 15– подшипниковые щиты; 5 – вентилятор;
6 – сетка; 7 – болт; 8 – стопорное кольцо; 9 – обшивка станины; 10 – рым-болт; 11 – сердечник статора;
12 – сердечник ротора; 13– ребро станины; 14 – обмотка статора: 16 – стержень клетки ротора;
17 – крышка подшипника; 19 – вал; 20 – кожух.

Листы сердечника 12 ротора изготовляют из электротехнической стали 1212 и не покрывают изоляционной пленкой. Заливка пазов ротора вместе с торцовыми кольцами образует короткозамкнутую обмотку типа «беличьей клетки», выступающие концы стержней 16 которой служат вентилятором, охлаждающим двигатель. Посадка сердечника ротора на валу – прессовая со шпонкой. Сердечник снаружи покрыт лаком. Точность обработки наружной поверхности ротора ±0,06 мм, биение ее относительно поверхностей шеек вала под посадку подшипников не должно превышать 0,05 мм. Короткозамкнутый ротор залит алюминиевым сплавом АКЖ 16 и отбалансирован динамически. На валу 19 установлены подшипники качения: роликовый 70-2315КМШ (2) и шариковый 80-315Ш (18), заключенные в капсюли.
Подшипниковые щиты 4 и 15 стальные, сварные. Встроенный вентилятор 5 отлит из алюминиевого сплава.

Электронасос 4ТТ-63/10. Для перекачивания трансформаторного масла в системе охлаждения тягового трансформатора электровоза ВЛ80 предназначен электронасос 4ТТ-63/10 (рис. 14,5). Он обеспечивает устойчивую работу при колебании напряжения питающей цепи в диапазоне 280...460 В и коэффициенте несимметрии напряжения до 10%. Допускается протекание тока короткого замыкания или затяжной пуск продолжительностью до 60 с при номинальном напряжении 380 В, а также работа в течение 2 ч при температуре прокачиваемого масла 95°С. Электронасос представляет собой агрегат, состоящий из трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором стандартного исполнения и одноступенчатого центробежного насоса. Он монтируется в одном блоке с тяговым трансформатором. Герметичность достигнута установкой резиновых уплотнений между всасывающим патрубком 1, задним подшипниковым щитом 17, панелью зажимов и корпусом 10, между шпильками выводов и клеммной коробкой. Пазы короткозамкнутого ротора залиты алюминием. Пакет сердечника ротора 12 шихтован из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Вал электронасоса – полый, установлен на подшипниках 8 (тип 6306) и имеет консольную часть со На консоль вала напрессовано рабочее колесо 4 насоса. Внутренняя полость электронасоса заполнена перекачиваемым трансформаторным маслом, которое, циркулируя, смазывает подшипники 8 ротора и отводит теплоту, выделяемую при работе электродвигателя.

Рис. 14.5. Электронасос 4ТТ-63/10.
1 – всасывающий патрубок; 2 – гайка; 3 – стопорная шайба; 4 – рабочее колесо насоса; 5 – направляющий аппарат;
6 – пробка; 7, 17 – подшипниковые щиты; 8 – шариковый подшипник; 9 – с 11– статор; 12 – ротор; 13 – клеммная коробка; 14 – выводы; 15 – болт заземления; 16 – кабель.

14.5. Расщепитель фаз НБ-455А.

Для использования во вспомогательных машинах электровоза асинхронных двигателей (АД) необходимо преобразовать однофазный переменный ток в трехфазный. В качестве такого преобразователя широко используют асинхронный бразователя широко используют асинхронный расщепитель фаз (РФ), представляющий собой асинхронную машину с несимметричной обмоткой статора (рис. 14.6).

   Принцип действия расщепителя фаз. Принцип преобразования однофазного напряжения в трехфазное с помощью расщепителя фаз основан на свойстве вращающегося магнитного поля индуцировать в трехфазной статорной обмотке ЭДС, которая тоже будет трехфазной.
   Обмотка статора РФ представляет собой несимметричную звезду с неодинаковым числом пазов на полюс и фазу и с разным числом витков в катушечных труппах. Две обмотки принадлежат одновременно двигателю и генератору, а третья – только генератору.
   Двигательная обмотка подключена к обмотке собственных нужд тягового трансформатора и предназначена для приведения во вращение ротора. Генераторная обмотка создает третью фазу и подключена к двигательной обмотке, но не в нулевой точке, а в точке, обеспечивающей наилучшую симметрию напряжений. Для разгона расщепителя фаз до номинальной частоты вращения применяется специальный конденсатор Сп или добавочное сопротивление, включенное с помощью контакта П между генераторной фазой и одним из концов двигательной фазы (асинхронный пуск). Так как пуск происходит на холостом ходу, то высокого пускового момента не требуется. По двигательной обмотке протекает однофазный переменный ток, и в его рабочем зазоре образуется не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле. Для получения сдвига фаз между токами генераторной и двигательной обмоток в цепь генераторной обмотки включается активное соп   Ток генераторной обмотки оказывается сдвинутым по фазе на некоторый угол по отношению к току двигательной обмотки. Этого сдвига достаточно для пуска и разгона ротора без нагрузки. Когда частота вращения ротора достигает 1430 об/мин, расщепитель фаз переходит в режим работы как однофазный асинхронный электродвигатель.

Рис. 14.6. Схема включения асинхронного электродвигателя, ключения асинхронного электродвигателя,
питающегося от расщепителя фаз.

Вращающееся магнитное поле, созданное токами двигательной обмотки и ротора, пересекает витки генераторной обмотки, наводя в ней ЭДС. Так как генераторная часть обмотки сдвинута в пространстве относительно двигательных обмоток на угол 120 эл. град., то ее ЭДС будет сдвинута на тот же угол. Чтобы обеспечить симметрию трехфазного напряжения при несимметричных падениях напряжения в отдельных фазах, обмотку статора выполняют несимметричной с разным количеством витков.

. Расщепители фаз устанавливаются по одному в каждой секции электровоза и работают раздельно. Расщепители фаз НБ-455 и НБ-455А выполнены на базе расщепителя фаз НБ-453А (рис. 14.7) и предназначены для преобразования однофазного напряжения обмотки собственных нужд тягового трансформатора в трехфазную систему с линейным напряжением 380 В. Нормальная работа РФ обеспечивается при колебаниях напряжения питающей цепи в диапазоне 280...460 В, исполнение – защищенное с самовентиляцией, горизонтальное.

Рис. 14.7. питель фаз НБ-455А.
1, 9 – крышки подшипников; 2 – подшипник; 3 – подшипниковый щит; 4 – статор; 5 – бандажное кольцо;
6 – сердечник статора; 7 – ротор; 8 – направляющая воронка; 10 – болт заземления.

Статор РФ отлит из серого чугуна СЧ 12-28. По конструкции он аналогичен статору электродвигателей серий АП и АС. Подшипниковые щиты стальные, сварные. Сердечник статора набран из листов электротехнической стали 1213 толщиной 0,5 мм, покрытых с обеих сторон лаком и спрессованных с усилием 120...210 кН. Пазы статора полузакрытого типа и для улучшения пусковых свойств имеют скос на одно зубцовое деление.

Обмотка статора – двухслойная, трехфазная, несимметричная, состоит из мягких катушек, имеющих несколько вариантов исполнения. Катушечные группы соединены скруткой и прикреплены к выводным проводам хомутиками из мягкой листовой меди толщиной 1,5 мм.
Предварительно соединения обматывают тонкой медной проволокой и припаивают припоем ПОС-40. После этого их изолируют двумя слоями стеклолакоткани ЛСЭ-19 толщиной 0,2 мм и одним слоем вполнахлеста тафтяной ленты толщиной 0,25 мм. Выводы обмотки статора присоединены к зажимам клеммной коробки типа КЗ. Обмотка в пазах закреплена клиньями высотой 7 мм и дважды пропитана лаком МГМ8. Каждая катушка подвязана к изолированному бандажному кольцу. Статор с обмотками дважды пропитывается лаком МГМ8. Сердечник ротора набран из нелакированных листов Его короткозамкнутая обмотка залита алюминием А1. Подшипниковые щиты и крышки отлиты из серого чугуна СЧ 12-28. В нижней части щитов имеются люки, через которые поступает воздух. В качестве подшипников качения использованы шариковые подшипники типа 317. Расщепитель фаз в холодном состоянии допускает протекание тока короткого замыкания при неподвижном роторе не более 20 с при напряжении 260 В и 6 с при напряжении 460 В. Повторное включение при токе короткого замыкания недопустимо и в крайнем случае может быть произведено не ранее, чем через 10 мин. Для уменьшения размеров РФ, повышения коэффициента мощности системы и некоторого регулирования симметрии напряжения при изменении нагрузки к зажимам наиболее крупных двигателей привода вспомогательных агрегатов подключают конденсаторы. Компенсирующая емкость, приходящаяся на один расщепитель фаз, составляет приблизительно 2200 мкФ, а мощность – 170 кВА.

14.6. Сельсины.

Сельсин – это индукционный датчик, выполненный в виде миниатюрной трехфазной или однофазной электрической машины переменного тока, способной ческой машины переменного тока, способной самосинхронизироваться. Сельсины имеют две обмотки: возбуждения (ОВ) и синхронизации (С1-С2-СЗ). Обмотку возбуждения сельсина подключают к напряжению несущей частоты (рис. 14.8). Трехфазная обмотка синхронизации соединена в звезду. Индуцируемые в этой обмотке ЭДС и токи имеют одну и ту же временную фазу. Обмотка возбуждения может быть сосредоточенной или распределенной, а обмотка синхронизации всегда распределенная.

Принцип действия сельсина основан на изменении коэффициента взаимоиндукции М между подвижной и неподвижной обмотками при изменении их относительного положения. В ней создается пульсирующий магнитный поток возбуждения. Существует индикаторный и трансформаторный режим работы. В индикаторном режиме используются два идентичных сельсина. Обмотки возбуждения, расположенные на роторе, подключены к источнику несущей частоты, а обмотки статора соединены между собой. Обмотки возбуждения ОВ1 и ОВ2 наводят в обмотках статора ЭДС. Из-за разности наведенных ЭДС возникает уравнительный ток между статорными обмотками, который вызывает появление вращающего момента. Роторы сельсинов поворачиваются до положения, при котором уравнительный ток статорных обмоток будет равен нулю. В случае принудительного поворота ротора сельсина-датчика на угол α нарушается равновесие ЭДС статорных обмоток, и ротор сельсина-приемника поворачивается на тако В автоматике сельсины наиболее широко применяют в качестве измерительных устройства систем автоматического регулирования (САР) для определения угловых перемещений и угловых рассогласований между входной и выходной величинами. Измерительные схемы на сельсинах, выполненные по типу «угол рассогласования–фаза– код», обладают высокой точностью и удобны для соединения с компьютером. По конструктивному исполнению сельсины подразделяют на контактные и бесконтактные. Принцип действия бесконтактного сельсина основан на пространственном вращении вектора пульсирующего магнитного потока Фd при соответствующем угле поворота ротора.

Рис. 14.8. Схема соединения сельсинов в индикаторном режиме.
СД - сельсин-датчик; СП - сельсин.

Бесконтактный сельсин (как и контактный) является обратимой электрической микромашиной. В трансформаторном режиме, когда ротор сельсина-приемника фиксирован, этот поток индуцирует в однофазной обмотке сельсина-приемника синусоидальную ЭДС Е, изменяющуюся в зависимости от углового рассогласования, а между роторами сельсина-датчика и сельсина-приемника. Указатель позиций контроллера машиниста электровоза построен на базе индикаторного режима работы сельсинов и предназначен для указания положения (позиции) главного контроллера. Сельсин БД-1404 предназначен для выдачи сигнала блоку управления при реостатном торможении.

14.7. Тахогенераторы.

   Тахогенераторами называются электрические машины, служащие для преобразования механической частоты вращения вала в электрический сигнал – выходное напряжение. По роду тока тахогенераторы подразделяются на тахогенераторы постоянного и переменного тока. К тахогенераторам предъявляются следующие основные требования: нераторам предъявляются следующие основные требования:
   • линейность и большая крутизна выходной характеристики;
   • малая амплитудная погрешность;
   • малая фазовая погрешность (для тахогенераторов переменного тока);
   • минимальная пульсация выходного напряжения (для тахогенераторов постоянного тока);
   • малый момент инерции ротора и малая электромагнитная постоянная времени;
   • стабильность выходной характеристики; • малые масса и габариты.

На локомотивах тахогенераторы применяются для измерения частоты вращения валов, а также для осуществления обратной связи по частоте вращения и для введения сигнала по производной от угла поворота в системах автоматического регулирования.

Тахогенераторы постоянного тока. Это генераторы постоянного тока небольшой мощности с электромагнитным или магнитоэлектрическим возбуждением. В режиме холостого хода при постоянном магнитном потоке возбуждения Ф выходное напряжение тахогенератора равно ЭДС. Статическая характеристика идеального тахогенератора

где се – постоянный коэффициент; Ф – магнитный поток, Вб; n – частота вращения ротора, об/мин. Из уравнения (14.1) видно, что выходное напряжение тахогенератора при Ф = const изменяется пропорционально изменению частоты вращения п. Наклон статической характеристики зависит от сопротивления нагрузки. Уравнение (14.1) получено без учета 180 / 203 влияния реакции якоря и постоянной величины падения напряжения на переходе щетки–коллектор. В тахогенераторах с электромагнитным возбуждением изменение температуры окружающей среды приводит к изменению сопротивления обмотки возбуждения и, следовательно, тока возбуждения, что приводит к увеличению погрешности измерения. Для уменьшения температурной погрешности магнитную систему тахогенератора делают насыщенной. В этом случае изменение тока возбуждения почти не влияет на значение магнитного потока тахогенератора. Основные преимущества тахогенератора постоянного тока заключаются в высокой чувствительности и отсутствии фазовых погрешностей. К недостаткам следует отнести наличие щеток и коллектора, которые снижают надежность тахогенератора.

Синхронный тахогенератор. Конструкция синхронного тахогенератора не отличается от конструкции синхронного генератора малой мощности. На статоре расположена трехфазная обмотка, соединенная звездой. Ротор выполнен в виде постоянных магнитов с одной или двумя парами полюсов. ЭДС тахогенератора в режиме холостого хода определяется выражением:

где w – число витков обмотки статора; f – частота выходного напряжения, Гц; Ф – магнитный поток возбуждения, Вб. При Ф = const Евых тахогенератора прямо пропорциональна частоте вращения ротора. Величина ЭДС не зависит от внешних условий, а зависит только от частоты вращения ротора, поэтому точность измерений определяется только точностью измерения величины выходного напряжения. Недостатком тахогенераторов переменного тока является нестабильная работа при малой частоте вращения ротора и его нереверсивность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

   1. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов ж. -д. транспорта. – М.: Транспорт, 1999- – 464 с.
   2. Быстрицкий Х.Я., Дубровский 3. М., Ребрик Б. Н. Устройство и работа электровозов переменного тока. – М.: Транспорт, 1973. – 464 с.
   3. Вольдек А. И. Электрические машины. – Л.: Энергия, 1978. – 832 с.
   4. Дайлидко А, А. Электрические машины тягового подвижного состава: Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. – М.: Желдор-издат, 2002. – 404 с.
   5. Дубровский 3. М, Попов Е. И., Тушканов Б. А. Грузовые электровозы переменного тока. – М.: Транспорт, 1998. – 350 с.
   6. Захарченко Д.Д., Ротанов M.JI. Тяговые электрические машины. – М.: Транспорт, 1991. – 344 с.
   7. Калинин В. Н. Электровозы и электропоезда. – М.: Транспорт, 1991. – 480 с.
   8. Пиотровский Л. М. Электрические машины. –Л.: Энергия, 1972. – 382 с.
   9. Тепловоз 2ТЭ116. – М.: Транспорт, 1996. – 336 с.
   10. Электрические машины, электрическое оборудования тепловозов: Справочник. – М.: Транспорт, 1981. – 265 с. 11. Электровоз ВЛ80. – М.: Транспорт, 1982. – 624 с.

Среднее профессиональное образование
А. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Учебник

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ А. В. ГРИЩЕНКО, В. В. СТРЕКОПЫТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА Учебник

РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

РАЗДЕЛ II. СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА