Видеоканал РЦИТ на YouTUBE


Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru


ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
«Регионального Центра Инновационных Технологий»
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
А. В. ГРИЩЕНКО, В. В. СТРЕКОПЫТОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
РАЗДЕЛ I. Глава 5 - 9


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


ОГЛАВЛЕНИЕ

 Введение

РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

 Глава 1. Устройство и работа коллекторных машин постоянного тока
   1.1. Преобразование энергии в электрических машинах
   1.2. Принцип действия электрической машины постоянного тока
   1.3. Устройство электрической машины постоянного тока
   1.4. Обмотки машины постоянного тока
      1.4.1. Простая петлевая обмотка
      1.4.2. Сложная петлевая обмотка
      1.4.3. Простая волновая обмотка
      1.4.4. Сложная волновая обмотка
      1.4.5. Условия симметрии обмотки
      1.4.6. Уравнительные соединения
      1.4.7. Комбинированная обмотка
   1.5. Электродвижущая сила обмотки якоря
   1.6. Выбор типа обмотки якоря
   1.7. Магнитная цепь машины постоянного тока
   1.8. Реакция якоря
   1.9.
Коммутация в машинах постоянного тока

 Глава 2. Генераторы постоянного тока
   2.1. Основные понятия
   2.2. Генератор независимого возбуждения
   2.3. Генератор параллельного возбуждения
   2.4. Генератор последовательного возбуждения
   2.5. Генераторы смешанного возбуждения

 Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
   3.1. Основные понятия
   3.2. Двигатель параллельного возбуждения
   3.3. Двигатель последовательного возбуждения
   3.4. Двигатель смешанного возбуждения
   3.5. Торможение двигателей постоянного тока

 Глава 4. Асинхронные электрические машины
   4.1. Принцип действия и устройство асинхронных двигателей
   4.2. Электродвижущие силы статора и ротора
   4.3. Вращающий момент асинхронного двигателя
   4.4. Потери и КПД асинхронного двигателя
   4.5. Коэффициент мощности cosφ
   4.6. Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя
   4.7. Коллекторные машины переменного тока

 Глава 5. Синхронные машины.
   5.1. Принцип действия синхронных машин
   5.2. Конструкция синхронных машин
   5.3. Обмотки статоров синхронных машин
   5.4. Электродвижущая сила фазной обмотки статора
   5.5. Реакция якоря синхронной машины
   5.6. Характеристики синхронного генератора
   5.7. Потери и КПД синхронных машин

 Глава 6. Нагревание и режимы работы электрических машин.
   6.1. Нагревание электрических машин
   6.2. Режимы работы электрических машин
   6.3. Вентиляция тяговых электрических машин

 Глава 7. Неисправности электрических машин локомотивов
   7.1. Искрение машин постоянного тока
   7.2. Неисправности машин постоянного тока
   7.3.
Неисправности машин переменного тока

 Глава 8. Трансформаторы.
   8.1. Основные определения
   8.2. Устройство трансформаторов
   8.3. Принцип работы и КПД трансформатора

 Глава 9. Аккумуляторные батареи.
   9.1. Устройство аккумуляторов
   9.2. Приготовление электролита
   9.3. Способы заряда аккумуляторов
   9.4. Причины неисправностей аккумуляторов

РАЗДЕЛ II. СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

 Глава 10. Статические преобразователи электрической энергии
   10.1. Особенности работы тяговых преобразователей на локомотивах
   10.2. Выпрямители
   10.3. Управляемые выпрямители
   10.4. Инверторы
   10.5. Расчет и выбор силовых полупроводниковых приборов
   10.6. Групповое соединение полупроводниковых приборов
   10.7. Системы управления статическими преобразователями

 Глава 11. Электрические машины постоянного тока на подвижном составе
   11.1. Тяговые генераторы тепловозов
   11.2. Генераторы пассажирских вагонов
   11.3. Тяговые электродвигатели тепловозов
   11.4.
Тяговые электродвигатели электровозов

 Глава 12. Вспомогательные машины постоянного тока
   12.1. Назначение и условия работы вспомогательных машин
   12.2. Конструкция вспомогательных электрических машин электровозов
      12.2.1. Мотор-генераторы (преобразователи)
      12.2.2. Электродвигатели привода вспомогательных агрегатов
      12.2.3. Генераторы управления
   12.3. Конструкция вспомогательных электрических машин тепловозов
      12.3.1. Возбудители и вспомогательные генераторы
      12.3.2. Стартер-генераторы
      12.3.3.
Электродвигатели привода вспомогательных агрегатов

 Глава 13. Электрические машины переменного тока на подвижном составе
   13.1. Тяговые генераторы тепловозов
   13.2. Тяговые агрегаты тепловозов
   13.3. Генераторы переменного тока пассажирских вагонов
   13.4. Асинхронные тяговые двигатели
   13.5.
Управление частотой вращения вала и реверсирование асинхронного двигателя

 Глава 14. Вспомогательные электрические машины переменного тока
   14.1. Условия работы вспомогательных электрических машин
   14.2. Синхронный возбудитель ВС-650ВУ2
   14.3. Электродвигатели привода собственных нужд
   14.4. Конструкция асинхронных электродвигателей
   14.5. Расщепитель фаз НБ-455А
   14.6. Сельсины
   14.7.
Тахогенераторы

 Глава 15. Трансформаторы на подвижном составе
   15.1. Трансформаторы электроподвижного состава
    15.2. Конструкция тяговых трансформаторов
   15.3. Сглаживающие реакторы
   15.4. Переходные реакторы
   15.5. Трансформаторы и магнитные усилители

   Приложение
   Список литературы


 РАЗДЕЛ I.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.


 Глава 5. Глава 5.
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ.

5.1. Принцип действия синхронных машин.

   Синхронные машины чаще всего применяются в качестве генераторов переменного тока на тепловозах и в рефрижераторных секциях. Синхронные двигатели в отличие от двигателей других типов имеют строго постоянную частоту вращения при заданной частоте напряжения питания, не зависящую от нагрузки, и имеют ограниченное применение.    Синхронной называется бесколлекторная машина переменного тока, в которой частота вращения ротора n1 находится в строго постоянном соотношении с частотой f сети переменного тока:

n1 = 60f / p (5.1)

&   где р – число пар полюсов. Как вы уже знаете, в обмотке якоря генератора постоянного тока индуцируется переменная ЭДС, которая с помощью коллектора и щеток преобразуется в постоянную ЭДС. Следовательно, если генератор постоянного тока лишить коллектора, то он превратится в генератор переменного тока. На рис. 5.1 изображена конструктивная схема синхронной машины.
   Вращающаяся часть генератора называется ротором, неподвижная – статором. Щетки наложены на контактные кольца 7, соединенные с выводами обмотки ротора. Если предположить, что магнитная индукция В распределяется в воздушном зазоре синусоидально (В = Bmsin α), то ЭДС, индуцируемая в якорной обмотке генератора, также является синусоидальной:

Е = Blv = Blvsinα (5.2)

   где l длина проводника, м; v – линейная скорость движения проводника, м/с;
   Вт – максимальное значение индукции в воздушном зазоре, Тл;
   α – угол поворота ротора, °.

   Отсутствие необходимости выпрямлять ЭДС с помощью коллектора упрощает конструкцию синхронной машины. Рабочую обмотку 2, в которой индуцируется ЭДС, теперь можно расположить на неподвижной части генератора – на статоре 1, а обмотку возбуждения – на роторе 8. Такая конструктивная схема наиболее рациональна в синхронных машинах, поскольку при расположении рабочей обмотки на роторе пришлось бы передавать из рабочей обмотки через контактные кольца значительные мощности.

   При расположении рабочей обмотки на статоре ее выводы присоединяются непосредственно к электрической сети или потребителям. На роторе машины устанавливаются контактные кольца и щетки для соединения обмотки возбуждения с возбудителем. 


Рис. 5.1. Конструктивная схема синхронной машины. машины.
1 – статор, 2 – обмотка статора, 3 – воздушный зазор, 4 – подшипниковый щит,
5– подшипник, 6– вал, 7– контактное кольцо, 8 – ротор (индуктор)

   Но так как ток возбуждения в десятки раз меньше рабочего (переменного) тока, а напряжение незначительно, то щеточный контакт работает более надежно и потери энергии в нем невелики. Исходя из перечисленных соображений синхронные машины, как правило, выполняют с рабочей обмоткой, располагаемой на статоре синхронных генераторов частота вращения ротора и частота ЭДС определяются свойствами первичных двигателей. В силовых установках подвижного состава в качестве первичных двигателей применяют двигатели внутреннего сгорания (дизели). Большинство первичных двигателей работает при сравнительно небольшой частоте вращения (100...1000 об/мин), поэтому для получения переменного тока необходимой, в частности промышленной, частоты в генераторах применяют роторы с большим числом полюсов. На тепловозах с передачей мощности переменно-постоянного и переменного тока в качестве тяговых используют синхронные генераторы, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с генераторами постоянного тока. Их также используют в качестве вспомогательных машин на тепловозах, электровозах и в пассажирских вагонах.

5.2. Конструкция синхронных машин.

   Статор является неподвижной частью синхронной машины и состоит из корпуса и сердечника, в пазах которого располагается обмотка. Статор синхронной машины практически не отличается от статора асинхронной машины. Корпуса для машин малой мощности отливаются из чугуна или стали, а для машин средней и большой мощности выполняют сварными. Сердечник статора машины набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, которые штампуют в виде колец и до сборки покрывают с обеих сторон изоляционным лаком. Сердечник формируют в осевом направлении из ряда пакетов толщиной до 60 мм, между которыми оставляют воздушный зазор (вентиляционный канал) шириной 5...10 мм. В листах сердечника статора вырубают пазы для укладки проводников обмотки статора. Чаще всего пазы выполняют прямоугольными, открытыми или полузакрытыми (рис. 5.2). В неявнополюсных синхронных машинах ротор набирают из листов электротехнической стали. Для размещения обмотки возбуждения на наружной поверхности ротора вырубают прямоугольные пазы, которые занимают только две трети окружности ротора (рис. 5.3, а). Обмотку ротора выполняют из медного провода прямоугольного сечения и закрепляют с помощью закладываемых в пазы клиньев. Изоляция обмотки ротора осуществляется так же, как и обмотки статора. Концы обмотки ротора выводятся на контактные кольца. В явнополюсных синхронных машинах, ротор состоит из обода, на котором закреплены сердечники полюсов с катушками (рис. 5.3, б). Сердечник полюса с одной стороны имеет полюсный наконечник, а с другой – хвост, при помощи которого он крепится на ободе. Сердечники полюсов набирают из листов электротехнической стали толщиной 1...2 мм и стягивают шпильками. 


Рис. 5.2. Пазы статора. а – открытый; б – полузакрытый; крытый;
1 – прокладка из прессшпана; 2 – электрокартон; 3 – микафолий;
4 – миткалевая лента; 5– проводники; 6 – клин – клин


Рис. 5.3. Роторы неявнополюсной (а) и ополюсной (б) синхронных машин


Рис. 5.4. Электрические схемы возбуждения синхронных генераторов.
а – независимое возбуждение; б – самовозбуждение;
А, В, С– выводы обмоток фаз; Uв – напряжение обмотки возбудителя; Т – трансформатор

   Для подвода тока к обмотке ротора или подключения к ней реостата на роторе установлены контактные кольца: три кольца при трехфазном токе и два кольца яри постоянном. Токосъем с контактных колец осуществляется с помощью щеток, установленных в щеткодержателях и прижимаемых к контактной поверхности пружинами. В синхронных машинах применяются два способа возбуждения: электромагнитное и возбуждение постоянными магнитами. При электромагнитном возбуждении основной магнитный поток создается обмоткой возбуждения. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения ОВ постоянным током синхронные машины подразделяются на машины независимого возбуждения и машины с самовозбуждением. При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от генератора постоянного тока В, называемого возбудителем (рис. 5.4, а). Реостат Rpг предназначен для регулирования величины тока возбуждения. Мощность возбудителя составляет 2...5% мощности синхронной машины. Возбудитель обычно монтируют совместно с синхронной машиной, и он является ее неотъемлемой частью. При самовозбуждении питание обмотки возбуждения осуществляется самим синхронным генератором через выпрямитель ВУ, а регулирование тока обмотки возбуждения выполняется при помощи реостата Rpг (рис. 5.4, б). Самовозбуждение применяется в машинах малой и средней мощности. При возбуждении постоянными магнитами последние обычно располагаются на роторе, при этом отпадает необходимость в контактных кольцах. Отсутствие обмотки возбуждения уменьшает электрические потери, а следовательно, повышает коэффициент полезного действия машины.

5.3. Обмотки статоров синхронных машин. ин.

   Обмотки статоров машин переменного тока имеют много общего с обмотками якоря машин постоянного тока и асинхронных машин. Но между ними есть и существенное различие – обмотки переменного тока являются незамкнутыми.
   Элементом обмотки статора является секция, которая может быть одно- или многовитковой. Секция состоит из активных сторон и лобовых частей. Расстояние между активными сторонами секции называется шагом обмотки у. Шаг называется диаметральным, или полным, если он равен полюсному делению, и укороченным, если он меньше полюсного деления. Применяемые в настоящее время обмотки статора классифицируются по следующим признакам:
   • по числу фаз – однофазные и многофазные (главным образом трехфазные);
   • по способу укладки секций в пазы – однослойные, когда сторона секции занимает весь паз, и двухслойные, когда в одном пазу лежат две стороны различных секций (по аналогии с обмоткой якоря машины постоянного тока);
   • в зависимости от размеров секций – обмотки с полным и обмотки с укороченным шагом.

   Простейшая трехфазная обмотка может быть выполнена в виде трех секций, оси которых сдвинуты по окружности статора на 1/3 двойного полюсного деления 2τ/3. Каждая секция в этом случае представляет собой фазную обмотку. Обычно фазная обмотка состоит не из одной, а из нескольких секций, занимающих q пазов в пределах каждого полюсного деления.
   Таким образом, для образования трехфазной обмотки зубцовый слой сердечника статора в пределах каждого полюсного деления необходимо разделить на три зоны по q пазов в каждой. Порядок чередования таких зон под каждым полюсом должен быть одинаковым. Секции, уложенные в пазы одинаковых зон, образуют фазные обмотки. Число пазов q приходящихся на полюс и фазу, определяется по формуле:

q = Z / 2pm (5.3)

   где Z – число элементарных пазов на статоре; р – число пар полюсов; m – число фаз, для трехфазной обмотки m = 3. Угол сдвига между осями фазных обмоток в трехфазной обмотке составляет 120 эл. град. (рис. 5.5) Для электрических машин подвижного состава принято обозначать начала фазных обмоток 1С1, 1С2, 1СЗ, а концы – 2С1, 2С2, 2СЗ. Однако для построения схемы обмотки удобнее выразить этот сдвиг в пазах. Вся окружность статора составляет 360р эл. град., поэтому угол между соседними пазами:

α = 360р / Z (5.4)

   Тогда сдвиг между фазными обмотками, выраженный в пазах, равен:

λ = 120 / α (5.5)


Рис. 5.5. Порядок чередования фазных обмоток.
А, В, С – начала обмоток; X, Y, Z – их концы;
Uв – напряжение на обмотке возбуждения.

   Двухслойные обмотки статора.
   Рассмотрим порядок построения развернутой схемы двухслойной обмотки статора. На развернутой поверхности статора размечаем пазы (Z = 18) и полюсные деления (2р = 6), а затем наносим верхние (сплошные) и нижние (пунктирные) стороны секций (рис. 5.6). Размечаем зоны с числом пазов q = 3 для всех фаз, при этом расстояние между зоной какой-либо фазы в одном полюсном делении и зоной этой же фазы в другом полюсном делении должно быть равно шагу обмотки (у = 6).


Рис. 5.6. Порядок построения развернутой схемы трехфазной двухслойной обмотки статора.
А, В, С – начала трехфазных обмоток статора; X, Y, Z – концы трехфазных обмоток

   Далее отмечаем расстояние λ между началами фазных обмоток (λ = 2). Двухслойные обмотки имеют преимущественное распространение в машинах переменного тока, что объясняется рядом достоинств двухслойных обмоток. Главным из этих достоинств является возможность любого укорочения шага обмотки, что дает, в свою очередь, возможность максимально приблизить форму кривой ЭДС к синусоиде. Секционной группой называется ряд последовательно соединенных между собой секций, которые лежат в соседних пазах и принадлежат одной фазной обмотке. Каждая секционная группа имеет q последовательно соединенных секций. Количество секционных групп в фазной обмотке равно числу полюсов. Следовательно, в двухслойной обмотке общее количество секционных групп:

А = 2рm (5.6)

   Секционные группы каждой фазы статорной обмотки могут соединяться последовательно или параллельно, что влияет на число параллельных ветвей в обмотке. Если половину секционных групп каждой фазной обмотки соединить последовательно в одну ветвь, а затем полученные ветви соединить параллельно, то получим обмотку с двумя параллельными ветвями (2а = 2). Для того чтобы ЭДС параллельных ветвей были одинаковы, в каждую параллельную ветвь включают секционные группы через одну. Таким образом, в одной параллельной ветви оказываются все четные секционные группы, а в другой – все нечетные.

   Однослойные обмотки статора.
   В однослойных обмотках каждая сторона секции полностью заполняет паз сердечника статора. Однослойные обмотки бывают концентрические и шаблонные. В концентрической обмотке секции каждой секционной группы имеют разную ширину и располагаются концентрически. Шаги обмотки у секций, входящих в секционную группу, неодинаковы, но их среднее значение определяется выражением:

уср = Z / 2p (5.7)

   Поскольку секции, образующие секционные группы, не одинаковы по размеру, то секционные группы концентрических обмоток имеют разные сопротивления. Это следует учитывать при определении размеров секций секционных групп, образующих фазную обмотку. Необходимо, чтобы все фазные обмотки имели одинаковое сопротивление и, следовательно, содержали одинаковое число различных по размерам секционных групп. Существенным недостатком концентрических обмоток является то, что наличие в них секций разных размеров усложняет изготовление обмотки. От этого недостатка избавлены шаблонные однослойные обмотки. Все секции этих обмоток имеют одинаковые размеры и могут изготовляться на общем шаблоне. Кроме того, все секции таких обмоток имеют одинаковые сопротивления, а лобовые части получаются короче, чем в концентрических обмотках, что уменьшает расход меди. Обмотки трех фаз обычно соединяются в звезду, что позволяет при заданном линейном напряжении сети получать меньшее фазное напряжение, определяющее требования к изоляции обмотки. Это имеет большое значение именно для синхронных машин, предназначаемых в большинстве случаев для высокого напряжения.

5.4. Электродвижущая сила фазной обмотки статора.

   ЭДС фазной обмотки статора Е1 представляет собой сумму ЭДС всех секций, составляющих фазную обмотку. Как уже отмечалось, фазная обмотка состоит из секционных групп, каждая из которых состоит, в свою очередь, из q секций, расположенных под одной парой полюсов. Из этого следует, что все группы состоят из одинакового числа секций, находящихся в одинаковых магнитных условиях. Поэтому при последовательном соединении секционных групп в фазной обмотке ее ЭДС равна:

Е1 = Егр2р (5.8)

   где Егр ЭДС одной секционной группы, В. Если бы все секции секционной группы были сосредоточены в двух пазах, то их ЭДС совпадали по фазе, а ЭДС всей секционной группы была равна арифметической сумме ЭДС секций Ес, образующих группу:

Егр = Ecq (5.9)

   Однако практическое применение имеют распределенные обмотки статоров, у которых активные стороны секций каждой секционной группы занимают несколько пазов под каждым полюсом. Поэтому ЭДС, наводимые в секциях секционной группы, оказываются сдвинутыми по фазе относительно друг друга на угол сдвига между соседними пазами а, определяемый по выражению (5.4). В процессе работы вращающееся поле ротора синхронной машины движется относительно активных проводников обмотки статора с линейной скоростью:

v = πDn / 60 (5.10)

   где D – диаметр расточки статора, м;
   n – частота вращения ротора, об/мин.

   При этом в проводнике обмотки статора наводится ЭДС, имеющая максимальное значение:

Eпрmах = Bmlv = Bml × 2τf (5.11) × 2τf (5.11)

   где Bm – максимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре, Тл;
   l – активная длина проводника, м;
   τ = πD/2p – полюсное деление, м.

   Если принять, что магнитная индукция распределена в воздушном зазоре синусоидально, то среднее значение магнитной индукции:

Вср = 0,636Вm (5.12)

   Заменив в (5.11) максимальное значение индукции средним, получим выражение максимального значения ЭДС проводника:

Епрmах = (πВср / 2) × l × 2fτ = πФf (5.13)

   где Ф = Всрlτ – основной магнитный поток ротора, Вб. Определим действующее значение ЭДС проводника:

Епр = (Епрmax / √2) = (π / √2) × Фf (5.14) 730;2) × Фf (5.14)

   Далее определим действующее значение ЭДС секции обмотки с диаметральным шагом (у = τ) и числом витков wс:

Ес = 2Eпpwc = (2π / √2) × Фfwс (5.15)
или
Ес = 4,44Фfwс (5.16)

   где wс – число витков секции.

   Если секция выполнена с укороченным шагом, то в формулу (5.16) следует ввести коэффициент укорочения шага Ку1 учитывающий уменьшение ЭДС первой гармоники при укорочении шага секции:

Ес = 4,44 Фfwс Ку1 (5.17)

   Для определения ЭДС одной фазы обмотки (см. формулу (5.17)) необходимо ЭДС одной секции Ес умножить на число последовательно соединенных секций. При последовательном  соединении секционных групп число последовательно соединенных секций в фазной обмотке равно 2pq. Следовательно, ЭДС фазной обмотки:

Ес = 4,44 Фfw1К1 (5.18)

   где w1 – число витков одной фазы статора; К1 – обмоточный коэффициент.

5.5. Реакция якоря синхронной машины.

   Магнитный поток в синхронных машинах создается совместным действием магнитодвижущих сил системы возбуждения и статора. Если синхронный генератор работает вхолостую, т.е. при разомкнутой обмотке статора, то общий магнитный поток в машине Ф = итный поток в машине Ф = Фв, где Фв – поток, создаваемый МДС системы возбуждения. При нагрузке генератора на общий магнитный поток оказывает влияние магнитный поток, создаваемый током в обмотке статора. Взаимодействие этих полей носит название реакции якоря. В отличие от синхронных в асинхронных машинах благодаря трансформаторной связи между обмотками статора и ротора размагничивающее действие ротора («реакция якоря») автоматически компенсируется увеличением МДС статора. За счет этого результирующий магнитный поток асинхронной машины при изменении нагрузки остается примерно постоянным. В синхронном генераторе реакция якоря зависит не только от величины нагрузки или тока в статоре, но и от рода нагрузки, т.е. от угла сдвига фаз между напряжением и током, и эта зависимость более сильная. При обычной индуктивной нагрузке ток отстает по фазе от ЭДС и достигает своего максимума в проводнике статора уже после того, как середина полюса прошла мимо этого проводника (рис. 5.7), т.е. когда ротор уже прошел положение, соответствующее максимуму ЭДС. Угол φ равен углу сдвига фаз между ЭДС и током в статоре. Конфигурация потока реакции якоря зависит от распределения тока в проводниках статорной обмотки. Теперь ось потока реакции якоря не перпендикулярна оси потока возбуждения, а образует с ней угол α = 90° + φ, который остается неизменным при вращении ротора. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие характеристики синхронной машины, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке статора, а следовательно, и изменением ряда других величин, связанных с этой ЭДС.


Рис. 5.7. Магнитное поле реакции якоря.
(положение ротора соответствует максимуму тока в фазе 1)

   В принципе, реакция якоря синхронных машин аналогична реакции якоря в машинах постоянного тока. Однако если в машинах постоянного тока влияние реакции якоря на рабочие свойства машины зависит исключительно от величины нагрузки, то в синхронных машинах это влияние определяется еще и характером нагрузки. Синхронные генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу синхронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, т. е. чисто активной, чисто индуктивной и чисто емкостной. ивной и чисто емкостной.

   Активная нагрузка (φ = 0).
   На рис. 5.7 представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор вращается против часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС Еmaх в фазной обмотке. Поскольку ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ротора соответствует также и максимуму тока. Построив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнитной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС обмотки статора направлена перпендикулярно МДС возбуждения. Такое взаимодействие магнитных потоков Фв и Фря аналогично реакции якоря в генераторе постоянного тока при расположении щеток на геометрической нейтрали: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим краем. Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнитное поле машины несколько ослабляется.

   Индуктивная нагрузка (φ = 90°).
   При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора I1 отстает по фазе от ЭДС Еmах на 90°. Поэтому он достигает своего максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соответствующего максимуму ЭДС. При этом поток реакции якоря Фря действует по оси полюсов ротора встречно потоку возбуждения Фв. Следовательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.

   Емкостная нагрузка (φ= - 90°).
   Так как ток I1 при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС Emах на 90°, то своего наибольшего значения он достигает раньше, чем ЭДС. Поток реакции якоря Фря так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с потоком возбуждения Фв, в результате чего происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного генератора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие.

   Смешанная нагрузка.
   При смешанной нагрузке синхронного генератора ток статора I1 сдвинут по фазе относительно ЭДС Еmах на угол φ, значения которого находятся в пределах 0 < φ < ±90°. В явнополюсной машине магнитное сопротивление в межполюсном пространстве больше магнитного сопротивления под полюсами, что объясняется значительным воздушным зазором в межполюсном пространстве. Поэтому составляющая магнитного потока ротора по поперечной оси в явнополюсной машине намного меньше, чем в неявнополюсной. При определении поперечной составляющей МДС ротора для явнополюсной машины это уменьшение потока учитывается коэффициентом Kq поперечной реакции якоря.

5.6. Характеристики синхронного генератора.

   Свойства синхронного генератора определяются характеристиками холостого хода, короткого замыкания и внешними. Характеристика холостого хода синхронного генератора представляет собой зависимость напряжения Uxx в режиме холостого хода генератора от тока возбуждения Iв при неизменной скорости вращения ротора:

Uхх =f(Iв) при Ix = 0 и n = const (рис. 5.8).

   Обычно снимают восходящую и нисходящую ветви характеристики, которые вследствие гистерезисных свойств магнитной цепи не совпадают. Характеристику короткого замыкания I1кз = f(Iв) можно получить проведением опыта короткого замыкания: выводы статорной обмотки замыкают накоротко и приводят ротор машины во вращение с номинальной частотой. Затем возбуждают машину, постепенно увеличивая ток обмотки возбуждения от нуля до значения Iвкз, при котором ток короткого замыкания превышает номинальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I1кз = 1,25Iном).


Рис. 5.8. Характеристика холостого хода синхронного генератора:
Umах-максимальное напряжение генератора; Uост – остаточное напряжение генератора;
Iнач – начальный ток возбуждения генератора; Imах – максимальный ток возбужденияния.

   В таком режиме ЭДС обмотки статора в несколько раз меньше ЭДС в рабочем режиме генератора. Поэтому основной магнитный поток весьма мал, магнитная цепь машины ненасыщенна и характеристика короткого замыкания представляет собой прямую линию (рис. 5.9). Поскольку активное сопротивление обмотки статора r1 невелико по сравнению с ее индуктивным сопротивлением, то, пренебрегая величиной r1 можно считать, что при опыте короткого замыкания нагрузка синхронного генератора (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте короткого замыкания реакция якоря синхронного генератора имеет продольно-размагничивающий характер. Характеристики холостого хода и короткого замыкания дают возможность определить значения токов возбуждения, соответствующие указанным составляющим МДС возбуждения. Внешняя характеристика синхронного генератора представляет собой зависимость напряжения на выводах статорной обмотки от величины тока нагрузки:
   U1 = f(I1) при Iв = const;
   cosφ = const;
   n1 = nнoм = const.
На рис. 5.10 представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора. При снятии внешней характеристики генератора ток нагрузки изменяют от нуля до номинального значения (I1 = I1ном) при номинальном напряжении на выводах статорной обмотки (). Затем постепенно разгружают генератор.

   При активной нагрузке уменьшение нагрузочного тока сопровождается ростом напряжения, что объясняется уменьшением падения напряжения в статорной обмотке и ослаблением потока поперечной реакции якоря в насыщенной машине.

   При индуктивной нагрузке увеличение напряжения при сбросе нагрузки будет более интенсивным, так как с уменьшением тока I1 ослабляется размагничивающее действие реакции якоря. Как следует из предыдущего, кривая идет тем ниже, чем больше ток отстает по фазе от напряжения. При емкостной нагрузке, т.е. при опережающем токе, вследствие появления продольного поля реакции якоря, действующего согласно с основным полем, напряжение при увеличении нагрузки возрастает.


Рис. 5.9. Характеристика короткого замыкания синхронного генератора


Рис. 5.10. Внешняя характеристика синхронного генератора

5.7. Потери и КПД синхронных машин.

   Преобразование энергии в синхронной машине сопровождается ее потерями, которые классифицируются следующим образом:

   1. Механические потери Рмх
   • потери на трение в подшипниках;
   • трение о воздух или другой газ, охлаждающий машину, например водород (вентиляционные потери);
   • трение щеток о контактные кольца.

   2. Магнитные, или стальные, потери в сердечнике статора Рс слагаются из потерь на гистерезис и вихревые токи. Эти потери возникают в сердечнике статора под действием вращающегося магнитного поля ротора. Поскольку это поле вращается синхронно с сердечником ротора, то в роторе магнитных потерь почти нет.

   3. Электрические потери, обусловленные нагревом статорной обмотки:

Рэ = m1I21r75 (5.9)

   где m1 – число фаз;
   I1 – фазный ток статорной обмотки, А;
   r75 – активное сопротивление фазы статорной обмотки при рабочей температуре 75°С, Ом.

   4. Потери на возбуждение Рв, к которым помимо потерь в обмотке возбуждения IвUв относятся потери в самом возбудителе, если он работает от общего с синхронной машиной первичного двигателя. Потери в цепи обмотки возбуждения (ротора):

Pов = I2вrв = IвUв (5.20)

   где rв – сопротивление цепи возбуждения, включая регулировочный реостат, Ом;
   Uв – напряжение возбудителя, В.

   Учет потерь в возбудителе можно оценить, введя КПД возбудителя ηв, через выражение:

Pв = IвUв / ηв

   5. Добавочные потери Рд, которые слагаются:
   • из потерь в поверхностном слое ротора, вызванных пульсациями поля вследствие зубчатости внутренней поверхности статора;
   • потерь, вызванных полями рассеяния статора.

   Кроме того, для мощных синхронных машин имеют значение некоторые добавочные потери, возникающие главным образом от вихревых токов в проводниках статора, имеющих большое сечение. Путем деления стержней статора на отдельные параллельно включенные проводники и применения других мер удается уменьшить эти потери, но они все-таки остаются соизмеримыми с обычными потерями в обмотке статора. Коэффициент полезного действия синхронного генератора:

η = Рэ / Рмх (5.21)

   а синхронного двигателя:

η = Рмх / Рэ (5.22)


 Глава 6.
НАГРЕВАНИЕ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.

6.1. Нагревание электрических машин.

   Общие сведения.
   Работа электрической машины всегда сопровождается ее нагреванием вследствие потерь энергии, происходящих в любой электрической машине. Все виды потерь энергии в итоге преобразуются в теплоту, которая частично отдается в окружающую среду, а частично идет на нагревание машины. Для выяснения закона нагревания электрических машин условно считают, что нагревание происходит равномерно по всему объему машины, а теплота одинаково рассеивается со всей ее поверхности. Нагрузочная способность электрических машин в большинстве случаев определяется условиями нагревания, так как повышение температуры является главной причиной, ограничивающей мощность машины при длительных и кратковременных нагрузках. С увеличением нагрузки возрастают потери энергии в машине и повышается количество выделяющейся теплоты. При чрезмерной нагрузке температура отдельных ее частей, и в первую очередь изоляции, может превысить допустимые пределы. В начальный период работы электрическая машина имеет температуру, практически не отличающуюся от температуры окружающей среды (воздуха). В этом случае вся теплота, выделяемая в машине, идет на повышение температуры ее частей. Затем количество теплоты, рассеиваемой в окружающую среду, увеличивается. И, наконец, через некоторое время машина нагреется настолько, что вся теплота, выделяющаяся в машине в единицу времени, будет рассеиваться в окружающую среду. В этом случае дальнейшее повышение температуры машины прекратится, и наступит режим теплового равновесия, при котором вся теплота, выделяемая в машине, рассеивается с ее поверхности в окружающую среду. Процессы нагревания и охлаждения во всех типах электрических машин происходят по общим законам, так как любую электрическую машину можно в первом приближении рассматривать как некоторое идеальное однородное твердое тело. В действительности электрическая машина не является таким телом, а представляет собой совокупность ряда частей (обмоток, элементов магнитопроводом, конструктивных деталей), которые имеют различную теплопроводность, теплоемкость и условия охлаждения, вследствие чего температура их также различна. Тем не менее, несмотря на сложный характер распределения тепловых полей в электрической машине и недостаточную точность тепловых расчетов, основанных на указанном предположении, можно установить некоторые общие закономерности изменения температуры машины в процессах нагревания и охлаждения.


Рис. 6.1. Изменение температуры электрической машины при работе под нагрузкой и в режиме холостого хода.
θmах – максимальная температура обмотки по классу изоляции.

   Потери энергии ΣР возникающие в электрической машине (см. соответствующие подразделы), выделяются в виде теплоты Q, повышающей температуру обмотки и магнитопровода. За промежуток времени t в электрической машине выделяется тепловая энергия Q = 86lΣРt. Температура электрической машины при ее нагревании и охлаждении изменяется по экспоненциальному закону. При нагревании превышение ее температуры над температурой окружающей среды возрастает (рис. 6.1), асимптотически приближаясь к установившемуся значению, соответствующему определенным значениям тока. Это может происходить при возрастании потерь мощности (т.е. нагрузки) машины или уменьшении интенсивности ее охлаждения. При увеличении интенсивности охлаждения или уменьшении тока нагрузки превышение температуры уменьшается до нового установившегося значения, соответствующего другим значениям тока. Если машина отключается от сети, то ток нагрузки Iн = 0 и машина охлаждается до температуры окружающей среды.


Рис. 6 2. Кривые нагревания и охлаждения ротора тора
тягового генератора ГС-501А при разных токах нагрузки.

   Из рассмотрения кривой нагревания электрических машин (рис. 6.2) следует, что при достаточно большой продолжительности работы, превышение температуры ө достигает приблизительно постоянного значения. В этом случае наступает практически установившийся тепловой режим, называемый продолжительным (или длительным).
   Допустимые превышения температуры. В процессе работы электрической машины происходят необратимые изменения изоляции, которые называют старением изоляции. При этом, прежде всего изменяются механические свойства изоляции: снижается механическая прочность, изоляция становится хрупкой, образуются трещины. Наличие трещин в изоляции снижает ее электрическую прочность. Электрические машины обычно рассчитывают на срок службы 15 – 20 лет. Для того чтобы обеспечить заданный срок службы, необходимо при эксплуатации избегать режимов работы, вызывающих преждевременный выход из строя различных частей машины, в первую очередь преждевременное старение изоляции.

   Вот главные причины старения изоляции:
   • высокая температура;
   • большие перепады температуры между отдельными деталями машины;
   • электрическое поле;
   • повышенная влажность;
   • механические нагрузки.

   Высокая температура вызывает окисление составляющих изоляцию лаков. Поэтому для обеспечения заданного срока службы электрической машины температура нагревания отдельных ее частей не должна превышать допустимую. Следовательно, максимальная температура, при которой может работать электрическая машина, определяется нагревостойкостью применяемой в ней изоляции. Чем выше допустимая предельная температура отдельных частей машины, тем меньше срок ее службы из-за постепенного старения изоляции. Однако чем выше эта температура, тем больше можно нагрузить данную машину. Электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, в зависимости от нагревостойкости разделяются на семь классов, температурные характеристики которых приведены ниже:

Класс изоляции

Y A E B F H C
Допустимая температура перегрева,°С 80 105 120 130 155 180 Выше 180

   Наиболее чувствительны к высоким температурам материалы, выполненные из целлюлозы, бумаги, шелка и т.п., применяемые в изоляции классов А и Е. В изоляции класса В в первую очередь окисляются связующие материалы и пропитывающие лаки. Изоляция классов F и Н, как и изоляция класса В, выполняется на основе слюды, асбеста и стекловолокна, но содержит связующие вещества с более высокой нагревостойкостью. Изоляция класса С (керамика и слюда) не реагирует на высокие температуры. Экспериментальные исследования показали, что время старения изоляции (годы) под действием температуры можно приближенно определить по формуле:

t = e-aθ (6.1)

   где α – коэффициент, зависящий от класса изоляции; θ – температура,°С. Из формулы (6.1) следует, что с увеличением температуры резко возрастает интенсивность старения изоляции. яции.

   Так, например, для изоляции класса А при температуре 95°С срок службы изоляции составляет 16 лет, при 110°С срок службы всего 4 года, а при 150°С он сокращается до нескольких дней. При ориентировочных расчетах принимают, что повышение температуры изоляции на 8°С сверх допустимой снижает срок службы изоляции класса А в 2 раза (правило восьми градусов). Зависимость срока службы от температуры для изоляции класса В имеет такой же характер, как и для изоляции класса А, но сдвинута на 20°С. Следовательно, и для других видов изоляции справедливы общие соображения, сделанные относительно изоляции класса А, в частности справедливо правило восьми градусов. Практически определить перегрев изоляции трудно, но помнить о его влиянии на срок службы машины всегда полезно. В табл. 6.1 приведены предельно допустимые превышения температуры для некоторых частей электрических машин подвижного состава (температура обмоток измерялась по методу сопротивления, а температура сердечников, коллекторов и контактных колец – с помощью термометров). Максимально допустимую температуру обмотки можно найти путем сложения максимально допустимого превышения температуры с условной температурой окружающей среды, которую принимают равной 40°С.

Таблица 6.1. Перегрев частей электрической машины

Части машины Максимально допустимая температура,°С
Классы изоляции
А Е В F H
Обмотки якоря, соединенные с коллектором, и обмотки переменного тока 60 75 80 100 125
Многослойные обмотки возбуждения машин постоянного и переменного тока 60 75 80 100 125
Однорядные обмотки возбуждения с оголенными поверхностями 65 80 90 110 135
Сердечники и другие стальные элементы, соприкасающиеся с изолированными обмотками 60 75 80 110 125
Коллекторы и контактные кольца 60 70 80 90 100

   Если температура окружающей среды превышает условную, то допустимое превышение температуры обмотки в эксплуатации должно быть снижено, чтобы фактическая температура обмотки не превышала допустимой. Если температура окружающей среды меньше условной, то в эксплуатации допускается соответственно увеличивать максимально допустимое превышение температуры обмотки, но не более чем на 10°С по сравнению со значением, установленным стандартами или техническими условиями. При работе машины в местностях, где из-за понижения барометрического давления ухудшается теплоотдача, предусматривают некоторое уменьшение допустимых превышений температуры. Приведенные в табл. 6.1 значения являются среднестатистическими для электрических машин со сроком службы 8 – 15 лет. В ряде случаев для машин специального назначения сокращают срок службы машины и допускают более высокие значения перегрева изоляции. При этом появляется возможность увеличить мощность при тех же габаритах или выполнить машину заданной мощности с меньшими массой и размерами. Определение среднего превышения температуры обмотки над температурой охлаждающей среды обычно производится по относительному возрастанию сопротивления обмотки или проводника: ника:

r2 = r1[1 + α (θ - θ0)] (6.2),

   где r1 и r2 – активное сопротивление обмотки в холодном и нагретом состоянии соответственно, Ом; α – температурный коэффициент (для меди α = 0,004 К-1); θ – температура обмотки, °С; θ0 – температура окружающей среды, °С.
   Для непрерывного автоматического контроля теплового состояния в наиболее нагретых точках машины во время работы применяются заложенные или встроенные температурные индукторы – термометры сопротивления и термопары.

6.2. Режимы работы электрических машин.

   В зависимости от характера изменения нагрузки электрические машины могут работать в различных номинальных режимах: продолжительном, кратковременном, повторно-кратковременном и перемежающемся.

   Продолжительный режим.
   Продолжительным считается такой режим работы машины, при котором она работает с неизменной нагрузкой и время работы настолько велико, что превышение фактической температуры над температурой окружающей среды достигает установившегося значения. Отсюда следует, что при заданных размерах охлаждающей поверхности и интенсивности охлаждения электрическая машина может быть нагружена только до определенной мощности, при которой ее потери ΣР не превышают значения, соответствующего максимально допустимому превышению температуры. Допустимая величина перегрева определяется нагревостойкостью изоляции обмоток, применяемой в данной машине.
   Мощность Р, при которой достигается установившееся значение предельной температуры перегрева, называют номинальной мощностью, или мощностью продолжительного режима. Она является основным параметром, характеризующим нагрузочную способность электрической машины при продолжительном режиме работы. Обычно при работе с мощностью Р превышение температуры отдельных частей достигает установившегося значения через 3...6 ч для машин средней и большой мощности и через 10...30 мин для микромашин, после чего вся выделяющаяся теплота отдается окружающей среде. Существует понятие часовой мощности и часового тока, при работе с которыми холодная машина нагреется до допустимой температуры за один час. Для того чтобы превышение температуры электрической машины при определенной нагрузке не превышало максимально допустимого значения, машина должна иметь достаточные размеры охлаждающей поверхности. При заданной величине поверхности допустимую величину перегрева можно обеспечить, повышая интенсивность охлаждения.

   Кратковременный режим.
   При кратковременном режиме работа электрической машины с постоянной нагрузкой чередуется с ее отключениями. При этом периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышение температуры машины могло достигнуть установившегося значения, а периоды отключения (паузы) достаточно велики, чтобы она успела охладиться до температуры окружающей среды. Для машин общего применения стандарты устанавливают следующую продолжительность рабочего периода: 10, 30, 60 и 90 мин. Продолжительная работа машины с перегрузкой недопустима, и время ее работы должно быть ограничено. Чем больше отдаваемая мощность и, как следствие, больше потери, тем больше величина перегрева и тем интенсивнее нарастает температура в процессе нагревания. Таким образом, чем больше нагрузка машины, тем меньшее время она может работать до момента достижения предельной величины перегрева. Меньшее время работы машины соответствует большей мощности, которую она может развивать. Допустимую продолжительность кратковременного режима, при которой превышение температуры не возрастает свыше допустимой величины, можно определить по кривым нагревания и охлаждения машины. Следовательно, при кратковременном режиме можно допустить значения тока нагрузки, в несколько раз большие, чем при длительном режиме работы. Во столько же раз могут быть увеличены и допустимые значения потерь мощности. При кратковременных перегрузках длительностью 2...3 мин можно считать, что нагревание происходит без отдачи теплоты (адиабатически).

   Повторно-кратковременный режим.
   На подвижном составе электрические машины часто работают в повторно-кратковременном режиме. В этом режиме периоды работы машины под нагрузкой периодически чередуются с периодами отключения машины (паузами), вследствие чего общее время работы машины разбивается на периодически повторяющиеся циклы. При этом за периоды нагрузки превышение температуры не достигает установившегося значения, а за периоды отключения машина не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Время цикла при работе машины в этом режиме не должно превышать 10 мин. Повторно – кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения (ПВ), выраженной в процентах от общего времени включения. При повторно-кратковременном режиме работы кривая нагревания приобретает пилообразный характер, так как периоды нагревания чередуются с периодами охлаждения. Во время рабочего периода величина перегрева возрастает в соответствии с кривой нагревания машины, во время паузы она уменьшается в соответствии с кривой охлаждения. В установившемся режиме работы превышение температуры составляет от θmах до θmin, причем величина θmах меньше превышения температуры, которую имела бы машина при непрерывной работе с той же нагрузкой. Так как постоянная времени нагревания в 5 –10 раз превышает рабочий 10-минутный цикл, то разница между θmах и θmin будет небольшой и практически устанавливается превышение температуры, определяемое средними потерями за цикл. Это позволяет в рабочий период tp увеличить реализуемую мощность по сравнению с мощностью в продолжительном режиме. Следовательно, при повторно-кратковременном режиме можно допустить большие нагрузки, чем при длительной непрерывной работе. Отношение потерь мощности в машине, работающей при повторно-кратковременном и продолжительном режимах, при которых достигаются одинаковые установившиеся превышения температуры, соответствует значениям ПВ. На практике при определении мощности, которую может развивать электрическая машина при повторно-кратковременном режиме, часто исходят из эквивалентного тока: если машина рассчитана на работу при повторно-кратковременном режиме ПВ1 то при работе ее в режиме ПВ2 величина тока, которая определяет развиваемую мощность Рпв, может быть увеличена или уменьшена пропорционально ПВ, например:

ПВ,% Рпв ПВ,% Рпв
60 1,3 25 2,0
40 1,6 15 2,6

   Перемежающийся режим.
   В этом режиме кратковременные периоды работы под нагрузкой (рабочие периоды) чередуются с периодами холостого хода (паузами). Перемежающийся режим характеризуется относительной продолжительностью нагрузки (ПН), выраженной в процентах. Стандартные значения ПН составляют 15, 25, 40 и 60%. Продолжительность цикла принимают равной 10 мин. Характер изменения при этом режиме аналогичен характеру изменения тех же параметров при повторно-кратковременном режиме. За время работы под нагрузкой температура машины и превышения температуры не достигают установившихся значений.

   Дополнительные номинальные режимы.
   Кроме основных номинальных режимов работы в качестве дополнительных (рекомендуемых) устанавливают режимы работы, при которых 74 / 203 нагрузка имеет циклический характер:
   1) повторно-кратковременный с частыми пусками при ПВ, равном 15, 25, 40 и 60%;
   2) повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением при ПВ, равном 15, 25, 40 и 60%;
   3) перемежающийся с частыми реверсами и электрическим торможением;
   4) перемежающийся с двумя частотами вращения.

   В дополнительных номинальных режимах устанавливается:
   • для режимов 1) и 2) – стандартное число включений в час;
   • для режима 3) – число реверсов в час;
   • для режима 4) – число циклов в час, равное 30, 60, 120 и 240.

   Работа при переменной нагрузке.
   В эксплуатации электрических машин возможны режимы, не соответствующие перечисленным. Наиболее типичен режим с быстро изменяющейся нагрузкой, аналогичный повторно-кратковременному, когда в течение цикла температура частей машины существенно не изменяется. Если электрическая машина работает в продолжительном режиме, но при переменной нагрузке, то в различные промежутки времени в ней возникают различные потери мощности. Чтобы определить, может ли машина выполнить заданный график нагрузки, обычно применяют метод эквивалентного тока. В основу его положено предположение о том, что переменные потери в машине пропорциональны квадрату тока нагрузки.

   Работа при переменной токовой нагрузке.
   В эксплуатации тяговых электрических машин также возможны режимы работы, не соответствующие указанным. Для этих машин типичен режим с быстроменяющимся током и мощностью. Если они работают в продолжительном режиме с постоянной мощностью, но с разными по величине токами, то тепловой процесс в них следует отнести к не установившемуся, так как при разных токах изменяется и величина потерь.

6.3. Вентиляция тяговых электрических машин.

   Компактность конструкции тяговых электрических машин подвижного состава создает серьезные трудности при решении вопроса об удалении тепловой энергии, возникающей в них при работе. Интенсивность охлаждения тяговых электрических машин и способ, каким оно осуществляется, являются основными факторами, влияющими не только на конструкцию деталей тягового двигателя, но и на расход в них активных материалов. Как правило, почти все тяговые электрические машины подвижного состава в настоящее время охлаждаются посредством продувания через них воздуха, т. е. вентилируются. Влияние вентиляции на длительную мощность, развиваемую двигателем, весьма значительно. Так, например, длительная мощность совершенно закрытого двигателя трамвайного типа составляет 25...35% его часовой мощности, однако применение вентиляции позволяет повысить ее вдвое и даже более. Правда, на часовой мощности применение вентиляции сказывается незначительно. Так, у двигателей небольших мощностей с частотой вращения до 600 об/мин после конструктивных переделок, требуемых для осуществления вентиляции (например, устройство вентиляционных каналов в сердечнике якоря), часовая мощность двигателя даже несколько понижается по сравнению с мощностью закрытого двигателя. Особенно существенно влияние вентиляции при длительных периодах работы двигателя. Нормальной работой тяговых электрических машин является работа на прерывистую нагрузку. Характер такой нагрузки заключается в следующем: сначала двигатель работает под большим током и при постепенно повышающейся частоте вращения – это пусковой период; затем ток довольно заметно уменьшается, а частота вращения все еще продолжает расти; и, наконец, двигатель вращается без потребления тока – период выбега; в конце перегона двигатель останавливается. Следовательно, на каждом перегоне в тяговом режиме двигатель будет сильно нагреваться. В период выбега накопленная двигателем теплота рассеивается – уносится воздухом. Чем больше двигатель успеет охладиться за период выбега и следующее за ним время покоя, тем в большей мере он будет готов к повторению подобного теплового цикла на следующем перегоне. Значит, нужно стремиться наиболее целесообразно использовать для охлаждения двигателя то время, когда возникающие в нем потери невелики, и время, когда двигатель не вращается.

   Существует два основных типа тяговых двигателей в зависимости от способа их вентиляции: закрытые двигатели с самовентиляцией и закрытые двигатели с независимой вентиляцией.
   В двигателях с самовентиляцией воздух прогоняется через двигатель вентилятором, расположенным на валу внутри двигателя. Самовентилирующиеся двигатели применяются преимущественно на городском электрическом транспорте (трамваи, троллейбусы и т.п.) или в мотор-вагонах метро и пригородных железных дорог.
   В двигателях с независимой вентиляцией воздух прогоняется внешним вентилятором с отдельным, независимым от тягового двигателя приводом. Двигатели с независимыми вентиляторами применяются главным образом на магистральных локомотивах.
   В зависимости от положения вентилятора (как встроенного, так и независимого по отношению к двигателю) различают вентиляцию
   - вытяжную,
   - нагнетательную и
   - смешанную.
   При независимой вентиляции тяговых электрических машин применяются исключительно нагнетательные вентиляторы.
   Забор воздуха извне происходит через особые пылеулавливающие приспособления. Так же, как и при самовентиляции, основными системами независимой вентиляции в тяговых двигателях постоянного тока являются параллельная и последовательная вентиляция.
   Параллельная вентиляция в большинстве двигателей осуществляется с прямым направлением движения воздуха (от коллектора), и лишь в ограниченном числе типов двигателей воздух проходит от задней стороны двигателя к коллектору. При подаче воздуха со стороны коллектора внутри якоря проходит относительно большое количество воздуха, благодаря чему значительно повышается длительная мощность двигателя, снижается температура петушков коллектора и его поверхности, обеспечивается интенсивная подача воздуха в камеру коллектора и исключается возможность скопления ионизированного воздуха над поверхностью коллектора. В результате этого существенно снижается возможность возникновения дуги между щетками.
   Чем ниже температура петушков коллектора, тем выше надежность работы обмотки якоря. Обмотка якоря при часовом режиме согласно нормам может иметь перегрев 120°С. С учетом допустимой температуры окружающего воздуха 25°С получим, что средняя температура, при которой может работать обмотка, равна 145°С. При столь высокой температуре оловянисто-свинцовый припой, которым припаивают выводы обмотки к петушкам, может расплавиться. При последовательной вентиляции, воздуха расходуется в 1,5 – 2 раза меньше, чем при параллельной. Таким образом, мощность, затрачиваемая при последовательной и параллельной вентиляции, будет приблизительно одинакова, но масса вентиляторной группы (вентилятор плюс его двигатель) при последовательной вентиляции получится меньше. Объясняется это тем, что этот вентилятор рассчитан на меньшую подачу воздуха с одновременным соответствующим повышением напора.
   При конструировании электродвигателей с последовательной вентиляцией необходимо изыскивать возможность обеспечивать максимально возможную площадь поперечного сечения каналов коллекторной втулки и осевых каналов сердечника якоря, поскольку в них скорость движения воздуха не должна превышать 25 м/с. Практика показывает, что площадь сечения вентиляционных отверстий в сердечнике якоря крупных электродвигателей составляет 55...80% суммарной площади сечения между катушками. При этом обеспечивается большая надежность тяговых электродвигателей в работе.


 Глава 7. .
НЕИСПРАВНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЛОКОМОТИВОВ.

7.1. Искрение машин постоянного тока.

   В соответствии с ГОСТ 28173 – 89 искрение на коллекторе электрической машины должно оцениваться по степени искрения под сбегающим краем щетки по шкале классов коммутации (табл. 7.1). При номинальном режиме работы машины степень ее искрения должна быть не выше 11/2. Причины искрения можно разделить по характеру их возникновения на механические и электрические. Признаком механического искрения являются искры красного, желтого или зеленого цвета, отлетающие от щеток. Зеленые искры – признак горения меди коллектора, красные – разрушения щеток. Электрические причины вызывают под щетками голубую искру. Причина – неудовлетворительное состояние магнитной цепи. Учитывая многообразие причин искрения, нельзя указать исчерпывающие способы распознавания этих причин. Рассмотрим наиболее характерные неисправности машин постоянного тока и причины их возникновения.

   1. Искрят все щетки или часть их:
   • щетки установлены неправильно;
   • расстояние между щетками отдельных бракетов (щеткодержателей) по окружности коллектора неравномерно;
   • щетки находятся в плохом состоянии и неправильно установлены в щеткодержателях, имеют неровную обгоревшую рабочую поверхность с царапинами, набитыми медной пылью; плохо пришлифованы; их края обломаны или обгорели. Размеры обойм щеткодержателей не соответствуют размерам щеток (слишком велик или слишком мал зазор между щеткой и обоймой щеткодержателя);
   • щеткодержатели неправильно установлены, слишком велико расстояние между обоймой щеткодержателя и коллектором; установка реактивного щеткодержателя не соответствует направлению вращения (в результате этих недостатков щетка заклинивается); расстояние между щетками по окружности коллектора различно; неправильно выбрана марка щеток;
   • щетки слабо (сильно) прилегают к коллектору;
   • главные и добавочные полюса расположены неравномерно;
   • между петушками коллектора или хомутиками имеется замыкание; в одной или в нескольких якорных катушках имеется межвитковое соединение или короткое замыкание; добавочные полюса слишком сильны или слишком слабы; зазор между якорем и отдельными или всеми добавочными полюсами чрезмерно мал или чрезмерно велик;
   • межвитковое соединение или короткое замыкание в обмотке одного из добавочных или главных полюсов; ослабление контактов в цепи добавочных полюсов одной полярности;
   • недостаточен контакт в якоре, наблюдается почернение лишь некоторых коллекторных пластин, находящихся на определенном расстоянии друг от друга (соответственно числу полюсов или пар полюсов); после каждой чистки или обточки коллектора чернеют одни и те же пластины; уравнительные соединения якоря отпаялись;
   • изоляция между двумя или несколькими коллекторными пластинами выгорела; обрыв в секции обмотки якоря, находящейся между почерневшими пластинами коллектора; обрыв цепи секции петлевой обмотки.

   2. Щетки искрят, хотя щеточный аппарат в порядке, щетки установлены правильно, коллектор чист и изоляция между коллекторными пластинами не выступает:
   • недопустимо большой износ коллектора;
   • повышенное нагревание якоря; машина перегружена.

   3. Щетки оставляют черные полосы на коллекторе:
   • поставлены угольные щетки несоответствующей марки (слишком мягкие или слишком твердые);
   • использованы щетки разных сортов (нередко случается при замене сработавшихся щеток).

   4. Щетки искрят, дрожат, сильно шумят; на коллекторе видны следы обгорания. Коллектор почернел по всей окружности или на большей ее части; поверхность коллектора испещрена бороздами (волнообразна); коллектор и щетки сильно нагреваются:
   • неровности или биение коллектора;
   • машина вибрирует;
   • под действием центробежных сил коллектор деформирован;
   • отдельные коллекторные пластины выступают;
   • затяжка коллектора ослабла.

   5. Наблюдается легкое круговое искрение; по поверхности коллектора со щеток одного полюса перескакивают искры на щетки другого полюса:
   • коллектор загрязнен;
   • установлены слишком мягкие угольные щетки.

   6. Щетки сильно искрят при перемене направления вращения двигателя:
   • изменение направления вращения двигателя производится слишком быстро;
   • щетки стоят не на нейтрали.

   7. Круговой огонь по коллектору:
   • щетки расположены неправильно;
   • сильно загрязнен коллектор.

Таблица 7.1. Характеристики искрения электрических машин

Степень искрения (класс коммутации) Характеристика степени искрения Состояние коллектора и щеток
1 Искрение отсутствует (темная коммутация) Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках
11/4 Слабое точечное искрение под небольшой частью края щетки
11/2 Слабое искрение под большей частью края щетки Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемых протиранием поверхности бензином, а также следов нагара на щетках
2 Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки Появление следов почернения на коллекторе, не устраняемых протиранием поверхности бензином, а также следов нагара на щетках
3 Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных и вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступеней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности бензином, а также подгар и разрушение щеток

7.2. Неисправности машин постоянного тока.

   Неисправности обмоток. Рассмотрим наиболее характерные неисправности обмоток и причины их возникновения.

   1. Короткие замыкания в обмотке якоря:
   • замыкание части витков одной секции или всей секции;
   • замыкание между двумя секциями, лежащими в одном пазу;
   • замыкание в лобовых частях обмотки;
   • замыкание между любыми двумя точками обмотки, например, в случае пробоя обмотки на корпус в двух точках;
   • замыкание обмотки якоря или коллектора на корпус.

   2. Обрывы в обмотке якоря и плохой контакт в соединениях:
   • при обрыве в петлевой обмотке возникает сильное искрение между коллекторными пластинами, к которым присоединена секция, имеющая обрыв;
   • при обрыве в простой волновой обмотке подгорает несколько пар коллекторных пластин, расположенных друг от друга на расстоянии шага по коллектору; число пар подгоревших пластин будет равно числу пар полюсов машины.

   3. Повреждения в обмотке полюсов:
   • повреждения в местах выводов концов катушек из корпуса;
   • повреждение соединительных перемычек и наконечников.

   4. Перегрев электрической машины:
   • машина перегружена;
   • при отсутствии искрения щеток возможна неисправность вентиляции машины;
   • двигатель, предназначенный для кратковременной или повторно-кратковременной работы, эксплуатируется в продолжительном режиме.

   5. Генератор плохо возбуждается, двигатель плохо идет в ход:
   • межвитковое соединение или короткое замыкание в одной или нескольких якорных катушках;
   • велик ток возбуждения;
   • произошло соединение параллельной обмотки с обмоткой добавочных полюсов или с последовательной обмоткой, в результате чего часть катушек шунтируется и ток возбуждения увеличивается.

   Неисправности генератора. Ниже перечислены наиболее характерные неисправности генератора и причины их возникновения.

   1. Ненормальное напряжение генератора. Генератор не возбуждается:
   • генератор параллельного возбуждения потерял остаточный магнетизм;
   • неправильное положение щеток;
   • параллельная обмотка возбуждения заземлена в двух местах;
   • межвитковое соединение или короткое замыкание в одной или в нескольких катушках возбуждения;
   • короткое замыкание в обмотке якоря, между пластинами или петушками коллектора;
   • обрыв или недостаточный контакт в обмотке якоря или цепи возбуждения;
   • сопротивление цепи возбуждения слишком велико.

   2. Генератор возбуждается только при сильном нажатии щеток:
   • слишком велико переходное сопротивление между коллектором и щетками вследствие загрязнения;
   • неправильно выбран тип щеток.

   3. Генератор дает напряжение ниже номинального:
   • скорость вращения якоря ниже номинальной;
   • катушки полюсов неправильно соединены между собой;
   • межвитковое соединение или короткое замыкание в одной или в нескольких катушках параллельной обмотки возбуждения.

   4. Генератор при холостом ходе дает нормальное напряжение; при нагрузке его напряжение сильно падает:
   • пониженная частота вращения первичного двигателя;
   • неправильная полярность добавочных полюсов, т.е. неправильно чередуются главные и добавочные полюса;
   • у генератора смешанного возбуждения МДС последовательной обмотки направлена встречно МДС параллельной обмотки.

   5. Отключенный от сети генератор дает нормальное напряжение; щетки не искрят. При включении генератора в сеть напряжение падает, несмотря на нормальную частоту вращения якоря:
   • параллельная обмотка или регулятор возбуждения соединены с корпусом;
   • замыкание на корпус обмотки якоря.

   6. Генератор дает повышенное напряжение при холостом ходе и при нагрузке. Частота вращения якоря выше номинальной:
   • катушки полюсов соединены не последовательно, а параллельно;
   • неисправность первичного двигателя.

   Неисправности двигателя. Ниже перечислены наиболее характерные неисправности двигателя и причины их возникновения.

   1. Ненормальная частота вращения якоря. Двигатель не работает. В якоре нет тока:
   • произошел обрыв в обмотке якоря или в пусковом реостате или в проводах;
   • отсутствует контакт между щеткой и коллектором.

   2. Ток в якоре имеется, но двигатель с нагрузкой не работает. Без нагрузки, развернутый от руки, развивает очень большую частоту вращения якоря:
   • резко снижается величина магнитного потока;
   • межвитковое соединение или короткое замыкание в одной или в нескольких катушках параллельного возбуждения;
   • параллельная обмотка возбуждения соединена с корпусом или с другими обмотками, вследствие чего она частично или полностью шунтируется;
   • параллельная обмотка возбуждения неправильно соединена с обмоткой якоря.

   3. Двигатель не работает или работает с пониженной частотой вращения якоря. Щетки сильно искрят:
   • обрыв или плохой контакт в обмотке якоря;
   • межвитковое соединение или короткое замыкание в якоре.

   4. Частота вращения якоря при номинальном напряжении превышает номинальную. Двигатель смешанного возбуждения развивает, кроме того, пониженный пусковой момент:
   • щетки сдвинуты с нейтрали против направления вращения якоря;
   • межвитковое соединение или короткое замыкание в одной или в нескольких параллельных катушках возбуждения;
   • у двигателя смешанного возбуждения МДС последовательной обмотки направлена встречно МДС параллельной.

   5. Частота вращения якоря при номинальном напряжении меньше номинальной:
   • щетки сдвинуты с нейтрали по направлению вращения якоря;
   • плохой контакт между щетками и коллектором.

7.3. Неисправности машин переменного тока.

   Ниже перечислены наиболее характерные неисправности в обмотках двигателей переменного тока и синхронных генераторов и причины их возникновения.

   1. Короткие замыкания в статорных и роторных обмотках асинхронных двигателей:
   • повреждения витковой изоляции;
   • повреждения корпусной изоляции.

   2. Обрывы и плохой контакт в обмотках переменного тока:
   • перегорание предохранителей;
   • недостаточное прилегание контактов пусковой аппаратуры;
   • плохой контакт щеток.


 Глава 8.
ТРАНСФОРМАТОРЫ.

8.1. Основные определения.

   Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких 80 / 203 первичных систем переменного тока в одну или несколько других, вторичных систем, имеющих в общем случае другие характеристики, в частности, другое напряжение и другой ток. Трансформатор состоит из сердечника, набранного из листовой электротехнической стали, и обмоток, связанных между собой посредством электромагнитного поля.
   Трансформатор, имеющий две обмотки, называется двухобмоточным; трансформатор с тремя или несколькими обмотками – трехобмоточным или многообмоточным.
   Соответственно роду тока различают трансформаторы однофазные, трехфазные и многофазные. Под обмоткой многофазного трансформатора понимают совокупность всех фазных обмоток одинакового напряжения, определенным образом соединенных между собой. Обмотка трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной обмоткой w1 а обмотка, от которой энергия отводится, называется вторичной w2. Соответственно все величины, относящиеся к первичной обмотке, как например, мощность, ток, сопротивление и т.д., тоже называются первичными, а относящиеся к вторичной обмотке – вторичными. Обмотка, присоединенная к сети с более высоким напряжением U1 называется обмоткой высшего напряжения, а обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения U2, – обмоткой низшего напряжения.
   Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше – повышающим. Трансформатором с ответвлениями называется трансформатор, обмотки которого имеют специальные ответвления w3 и w4 для изменения коэффициента трансформации (рис. 8.1).


Рис. 8.1. Схема трансформатора с ответвлениями.

   Для предотвращения вредного влияния воздуха на изоляцию обмоток и улучшения условий охлаждения трансформатора, сердечник с находящимися на нем обмотками помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называются масляными.
   Трансформаторы, не погружаемые в масло, называются сухими. По своему назначению трансформаторы подразделяются на следующие типы:
   • силовые – для передачи и распределения электроэнергии (тяговых подстанций);
   • силовые специального назначения: тяговые, печные, для выпрямительных установок, сварочные и т.д.;
   • индукционные регуляторы – для регулирования напряжения в распределительных сетях;
   • автотрансформаторы – для преобразования напряжения в небольших пределах, для пуска в ход двигателей переменного тока и т.д.;
   • измерительные – для включения в схемы измерительных приборов;
   • испытательные – для производства испытаний под высоким напряжением (испытательные станции);
   • устройства специального назначения, использующие принцип работы трансформатора.

   При изучении трансформаторов, будем рассматривать одно- и трехфазный двухобмоточные силовые трансформаторы. Номинальные величины трансформатора – мощность, напряжение, ток, частота и т.д. – указываются на заводском щитке. Термин номинальный может применяться и к величинам, не указанным на щитке, но относящимся к номинальному режиму (например, номинальный КПД, номинальные температурные условия охлаждающей среды, номинальный cosφ и номинальные коэффициенты перегрузки).
   Номинальным режимом работы трансформатора называется режим, при котором трансформатор может 81 / 203 работать длительный период времени без нарушения показателей надежности и отклонения параметров.
   Номинальным вторичным напряжением называется напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора и при номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Если вторичная обмотка имеет ответвления, то ее номинальное напряжение отмечается особо.
   Номинальными токами трансформатора – первичным и вторичным – называются токи, вычисленные по соответствующим значениям номинальной мощности и номинальных напряжений. С учетом того, что трансформатор имеет КПД, равный 0,99, считают номинальные мощности обеих обмоток равными.

8.2. Устройство трансформаторов.

   Основные конструктивные элементы трансформатора – магнитная система, обмотки, системы изоляции и охлаждения, вводы.

   Магнитная система.
   В зависимости от конфигурации магнитной системы трансформаторы подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные.
   Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки.
   Ярмом называют часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют. Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют хорошие условия охлаждения. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,28... 0,50 мм для частоты 50 Гц. Обычно применяют анизотропную холоднокатаную сталь с ребровой структурой (марки 3412 – 3416) и содержанием кремния 2,8...3,8%. По способу сборки различают стыковые и шихтованные магнитопроводы.
   В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают и скрепляют раздельно, затем устанавливают встык и соединяют между собой. В месте стыка во избежание замыкания листов устанавливают изоляционные прокладки.
   В шихтованных магнитопроводах стержни и ярма собирают как цельную конструкцию с взаимным перекрытием отдельных слоев в месте стыка («впереплет»). Каждый слой состоит из двух-трех листов. При сборке магнитопровода листы в двух смежных слоях располагают так, что листы каждого последующего слоя перекрывают стык в листах предыдущего слоя. В результате существенно уменьшается магнитное сопротивление в месте сочленения. При изготовлении магнитопроводов из холоднокатаной текстурованной стали листы в местах сочленения крайних стержней с ярмами скашивают примерно на 45°. В силовых трансформаторах широко применяют комбинированный способ шихтовки, при котором стыки листов ярма со средним стержнем делают прямыми, а с крайними стержнями – косыми, или первый слой листов выполняют с косыми стыками, а второй – с прямыми.
   Стержни магнитопровода в силовых трансформаторах сравнительно небольшой мощности имеют прямоугольное или крестовидное сечение, а в более мощных – ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (их собирают из листов различной ширины). Такая форма обеспечивает получение требуемого поперечного сечения стержня при минимальном диаметре, что позволяет уменьшить длину витков обмоток и расход обмоточных проводов. При большом сечении стержней их собирают из отдельных стальных пакетов, между которыми располагают продольные каналы шириной 5...6 мм. для циркуляции охлаждающей жидкости. В некоторых конструкциях имеется еще и поперечный канал. В мощных трансформаторах с магнитопроводами из холоднокатаной анизотропной стали стержни стягивают бандажами из стеклоленты или стальной ленты. Чтобы стальные бандажи не образовали короткозамкнутых витков, их разрезают и стягивают с помощью изоляционных пряжек. Для получения равномерного сжатия стальных листов перед наложением бандажей стержень спрессовывают на сборочном стенде. Опрессовка стержней обеспечивает необходимую жесткость конструкции магнитопровода и предотвращает повышенную вибрацию его листов, сопровождающуюся шумом.
   Существуют также конструкции магнитопроводов, в которых стержни стягивают стальными шпильками, изолированными относительно стержней трубками из изоляционного материала. Такой способ опрессовки для холоднокатаной стали недопустим, так как магнитные силовые линии огибают отверстия, пробитые в стальных листах для шпилек и, следовательно, отклоняются от направления проката стали. Ярма, соединяющие стержни, выполняют обычно прямоугольного, Т-образного или ступенчатого сечения, на 2...5% больше, чем сечение стержней. Это уменьшает индукцию в стали ярма и потери мощности в ней. Магнитопровод вместе с опорными балками и другими прессующими деталями образует остов трансформатора. При работе силовых трансформаторов их магнитопровод и другие стальные части находятся в сильном электрическом поле, вследствие чего они могут приобрести электрический заряд. Чтобы избежать этого, остов заземляют с помощью медных лент.

   Обмотка.
   В трансформаторах первичную и вторичную обмотки стремятся расположить как можно ближе друг к другу для лучшей магнитной связи. При этом на каждом стержне магнитопровода размещают обе обмотки либо концентрически – одну поверх другой, либо в виде нескольких дисковых катушек, либо чередующихся по высоте. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причем ближе к стержням располагают обмотку низкого напряжения, требующую меньшей изоляции относительно остова трансформатора, а снаружи – обмотку высокого напряжения. В некоторых случаях для уменьшения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток применяют двойные концентрические (расщепленные) обмотки, в которых обмотку низкого напряжения делят на две части с одинаковым числом витков. Аналогично можно выполнить и обмотку высокого напряжения.
   Обмотки трансформаторов изготовляют из медных или алюминиевых проводов. При использовании алюминия поперечное сечение провода берется примерно на 70% больше, чем при использовании меди, из-за большего удельного электрического сопротивления алюминия. В связи с этим габариты и масса трансформаторов с алюминиевыми обмотками больше, чем у трансформаторов с медными обмотками. При сравнительно небольших мощностях и токах обмотки выполняют из изолированного провода круглого сечения, при больших мощностях и токах применяют провода прямоугольного сечения.

   Изоляция силовых трансформаторов.
   В трансформаторах изоляцию обмоток подразделяют на главную (между обмотками низкого и высокого напряжения) и продольную (между витками, слоями и катушками каждой обмотки). Имеется также изоляция отводов от обмоток, переключателей и выводов. Изоляция обмоток трансформатора от заземленных частей и друг от друга определяется в основном электрической прочностью при частоте 50 Гц, Она обеспечивается соответствующим выбором величины изоляционных промежутков, которые в масляных трансформаторах одновременно выполняют роль охлаждающих каналов. Чтобы предотвратить пробой изоляции при воздействии на обмотку импульсных перенапряжений в высоковольтных трансформаторах, между обмотками дополнительно ставят жесткие бумажно-бакелитовые цилиндры или мягкие цилиндры из электроизоляционного картона. Во избежание электрического разряда по поверхности изоляционных цилиндров они должны иметь по высоте большие размеры, чем обмотки. Между обмотками высшего напряжения различных фаз устанавливают межфазную изоляционную перегородку. Необходимое расстояние между обмотками и ярмом обеспечивают шайбами и прокладками из электроизоляционного картона. Между концевой изоляцией обмотки и ярмовыми балками магнитопровода в некоторых трансформаторах устанавливают металлические разрезные или неметаллические стягивающие кольца. В трансформаторах, рассчитанных на напряжение свыше 35 кВ, для защиты от грозовых разрядов две начальные и две конечные катушки обмотки высшего напряжения выполняют с усиленной изоляцией. Такая изоляция ухудшает условия охлаждения начальных и конечных катушек, поэтому их выполняют из провода большего поперечного сечения. В трансформаторах напряжением 110 кВ для уменьшения напряжения на концевых катушках обмотки высшего напряжения и выравнивания электрического поля у концов обмотки применяют емкостную компенсацию в виде экранирующих витков и емкостных колец, которые служат электрическими экранами. Изоляция между катушками, слоями и витками (продольная изоляция) обеспечивает электрическую прочность обмотки при частоте 50 Гц и воздействии импульсных перенапряжений. В трансформаторах с воздушным охлаждением изоляцию выполняют, как и во вращающихся электрических машинах, посредством изоляционных пленок и пропиточных лаков. Высокая стоимость изоляционных материалов и трудоемкость выполнения изоляции повышают общую стоимость таких трансформаторов по сравнению с масляными.

   Вводы трансформатора.
   Для вывода наружу концов обмоток в трансформаторах, охлаждаемых маслом или негорючим жидким диэлектриком, используют проходные фарфоровые изоляторы, размещаемые на крышке или на стенке бака. Проходной изолятор вместе с токоведущим стержнем и крепежными деталями называют вводом. Вводы трансформаторов, устанавливаемых внутри помещений, имеют гладкую наружную поверхность. Вводы трансформаторов, предназначенных для наружной установки, снабжают ребрами, число которых зависит от напряжения соответствующей обмотки трансформатора. При наличии ребер увеличивается расстояние между токоведущим стержнем и корпусом по поверхности изолятора и уменьшается вероятность поверхностного разряда во время дождя, при попадании на изолятор пыли, масла и т.д. При напряжениях 110 кВ вводы часто выполняют составными – из двух фарфоровых изоляторов. Конструктивное выполнение трансформатора определяется в значительной мере способом его охлаждения, который зависит от номинальной мощности. В силовых трансформаторах для отвода теплоты от обмоток и магнитопровода применяют следующие способы охлаждения: воздушное, масляное и посредством негорючего жидкого диэлектрика.

   Трансформаторы с воздушным охлаждением (сухие трансформаторы). При естественном воздушном охлаждении магнитопровод, обмотки и другие части трансформатора имеют непосредственное соприкосновение с окружающим воздухом, поэтому охлаждение их происходит путем конвекции воздуха и теплоизлучения. Сухие трансформаторы устанавливают внутри помещений (в зданиях, производственных цехах и пр.), при этом главным требованием является обеспечение пожарной безопасности. Воздух обладает меньшей диэлектрической проницаемостью, чем трансформаторное масло, поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных. Из-за меньшей теплопроводности воздуха по сравнению с маслом электромагнитные нагрузки активных материалов в сухих трансформаторах должны быть меньше, чем в масляных, поэтому они имеют большие сечения проводов обмотки и магнитопровода. Как следствие этого, масса активных частей (обмоток и магнитопровода) сухих трансформаторов больше, чем масляных. Их устанавливают только в сухих закрытых помещениях с относительной влажностью воздуха до 80% во избежание чрезмерного увлажнения обмоток. Сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением могут иметь
   - открытое (С),
   - защищенное (СЗ) или
   - герметизированное (СГ) исполнение.
   Трансформаторы типа СЗ закрывают защитным кожухом с отверстиями, а типа СГ – герметическим кожухом.
   Сухие трансформаторы с охлаждением воздушным дутьем условно обозначают СД.
   Трансформаторы малой мощности выполняют, как правило, с охлаждением типа С. В некоторых случаях их помещают в корпус, залитый термореактивными компаундами на основе эпоксидных смол или других подобных материалов.

   Трансформаторы с масляным охлаждением.
   В трансформаторах с естественным масляным охлаждением (М) магнитопровод с обмотками погружают в бак, наполненный очищенным минеральным (трансформаторным) маслом. Трансформаторное масло обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух, и хорошо отводит теплоту от обмоток и магнитопровода трансформатора к стенкам бака, имеющего большую площадь охлаждения, чем трансформатор. Погружение трансформатора в бак со специальным маслом обеспечивает также повышение электрической прочности изоляции его обмоток и предотвращает ее увлажнение и потерю изоляционных свойств под влиянием атмосферных воздействий. При правильной эксплуатации масляных трансформаторов, когда температура изоляции в наиболее нагретом месте не превышает 105°С, трансформатор может служить 20 – 25 лет. Повышение температуры выше нормы на 8°С приводит к сокращению срока службы изоляции трансформатора примерно в 2 раза. В трансформаторах мощностью 20...30 кВА выделяется сравнительно небольшое количество теплоты, поэтому их баки имеют гладкие стенки. У более мощных трансформаторов (20...1800 кВА) поверхность охлаждения бака искусственно увеличивают, применяя ребристые или волнистые стенки либо окружая бак системой труб, в которых масло циркулирует за счет конвекции. Масляные трансформаторы типа М применяют для мощностей 10...10000 кВА.

   Трансформаторы с охлаждением негорючим жидким диэлектриком.
   Трансформаторы с охлаждением типов Н и НД помещают в герметизированный бак, заполненный негорючим жидким диэлектриком. Обычно применяют синтетические изоляционные материалы, например совтол, которые имеют примерно такие же электроизоляционные свойства и теплопроводность, как и трансформаторное масло. Трансформаторы с охлаждением типов Н и НД пожаробезопасны и могут устанавливаться в закрытых помещениях. Во время работы масло в трансформаторе нагревается и расширяется. При уменьшении нагрузки оно, охлаждаясь, возвращается к первоначальному объему. Поэтому масляные трансформаторы мощностью 25 кВА и выше имеют небольшой дополнительный бак-расширитель, соединенный с внутренней полостью основного бака. При нагревании трансформатора изменяется объем масла, находящегося в расширителе. Объем его составляет около 10% от объема масла в баке. Расширители имеют воздухо-осушитель, заполненный сорбентом – веществом, которое поглощает влагу из воздуха, поступающего в расширитель. При мощности 160 кВА и выше на них устанавливают также термосифонный фильтр для непрерывного обезвоживания и очистки масла. Для более надежного предохранения от окисления трансформаторы большой мощности выполняют герметизированными с полной изоляцией масла, находящегося в расширителе, от атмосферного воздуха. При повреждении изоляции обмотки высокого напряжения ее высокий потенциал может появиться на обмотке низкого напряжения. Чтобы предотвратить это, в трансформаторах у которых обмотка низкого напряжения имеет напряжение до 0,69 кВ, между этой обмоткой и заземленным баком включают пробивной предохранитель, который пробивается при напряжении 1000 В.

8.3. Принцип работы и КПД трансформатора.

   Рассмотрим принцип действия трансформатора на примере однофазного двухобмоточного трансформатора, расчетная схема которого представлена на рис. 8.2. Этот трансформатор состоит из магнитопровода и двух расположенных на нем обмоток w1 и w2. Одна из обмоток подключается к источнику переменного напряжения U1. Эта обмотка называется первичной. К другой обмотке с напряжением U2 подключается потребитель zn. Она называется вторичной. Действие трансформатора основано на принципе электромагнитной индукции: при протекании по первичной обмотке тока I1 в стальном стержне магнитопровода возникает переменный магнитный поток, пульсирующий соответственно с частотой напряжения, питающего первичную обмотку. Переменный магнитный поток наводит в обеих обмотках ЭДС. Если цепь вторичной обмотки замкнута, ток в ней потечет – ток потребителя I2.


Рис. 8.2. Расчетная схема трансформатора.

   При этом ЭДС первичной обмотки:

е1 = -w1(dФ / dt) (8.1)

   а ЭДС вторичной обмотки:

е1 = -w2(dФ / dt) (8.2)

   где w1, w2 - число витков первичной и вторичной обмоток соответственно. ЭДС, индуцируемые в обмотках трансформатора, прямо пропорциональны числу витков, а их отношение:

e1 / e2 = w1 / w2 = K (8.3)

   называется коэффициентом трансформации. В первичной обмотке ЭДС е1 является ЭДС самоиндукции и направлена встречно первичному напряжению U1 т.е. находится с ним в противофазе. В связи с этим уравнение ЭДС для первичной обмотки имеет вид:

U1 = e1 - e1p - I1r1 (8.4)

   где е1р – ЭДС рассеяния; r1 – активное сопротивление цепи первичной обмотки.

   Обычно е1р и I1r1 невелики, поэтому с некоторым приближением можно считать, что подведенное напряжение U1 уравновешивается ЭДС е1. Во вторичной обмотке ток I2 замкнутой цепи зависит от величины ЭДС е2, которая в значительной части идет на создание напряжения на выводах вторичной обмотки U2. Оставшаяся часть ЭДС е2 идет на компенсацию ЭДС рассеяния е2р и падение напряжения в проводниках вторичной обмотки I2r2. Поэтому:

U2 = e2 - e2p - I2r2 (8.5)

   Уравнение магнитодвижущих сил трансформатора имеет вид:

Ixxw1 = I1w1 + I2w2 (8.6)

   Из этого уравнения следует, что сумма МДС первичной (I1w1) и вторичной (I2w2) обмоток равна постоянной величине – МДС холостого хода (Ixxw1). Физически это объясняется следующим образом. Так как ЭДС вторичной обмотки е2 является ЭДС взаимной индукции, то ток I2 созданный этой ЭДС при подключении нагрузки, в соответствии с правилом Ленца, оказывает размагничивающее действие на магнитопровод трансформатора. Другими словами, ток I2 создает МДС I2w2, направленную встречно МДС Ixxw1. Но поскольку основной магнитный поток в магнитопроводе остается практически неизменным, то размагничивающее действие вторичного тока компенсируется увеличением тока в первичной обмотке до значения I1.


Рис. 8.3. Параллельное включение трансформаторов.


Рис. 8.4. Автотрансформатор.

   Ток I1 превышает ток Iхх на величину, необходимую для компенсации размагничивающего действия МДС вторичного тока. Таким образом, любое изменение величины тока во вторичной обмотке трансформатора сопровождается соответствующим изменением первичного тока. В результате перемагничивания стали в магнитопроводе возникают потери энергии на гистерезис и вихревые токи. Мощность этих потерь эквивалентна активной составляющей тока холостого хода, которая не превышает 6... 8% номинальной мощности трансформатора. Если пренебречь этими потерями, то можно считать, что Р1 ≈ Р2, т.е. мощности обмоток равны. Трансформаторы могут выполняться на любое число фаз, а также работать параллельно в зависимости от потребностей нагрузки. Параллельное включение трансформаторов (рис. 8.3) дает возможность при изменениях нагрузки включать или отключать один из трансформаторов, повышая тем самым коэффициент использования работающего трансформатора. Для преобразования напряжения вовсе не обязательно иметь две обмотки на сердечнике. Вполне можно обойтись одной обмоткой, часть которой одновременно принадлежит первичной и вторичной системам. Электрическая схема такого трансформатора, называемого автотрансформатором (рис. 8.4), широко распространена на подвижном составе. Для автотрансформатора сохраняются соотношения для ЭДС:

е2 / е2 = w1 / w2 (8.7)

   и для тока:

I1 / I2 = 1 / K (8.8)

   но поскольку I1 и I2 (токи первичной и вторичной обмоток) направлены противоположно, то в общей части обмотки результирующий ток равен их разности:

I = I1- I2 (8.9)

   что дает возможность выполнять общую часть обмотки проводом меньшего сечения. Трансформаторы нормируются не по активной (действительной), а по кажущейся мощности (Sном), равной:

Sном = U1номI1ном (8.10)

   которая является основной паспортной характеристикой трансформатора. Активная мощность:

P1ном = Sномcosφ (8.11)

   зависит от cosφ, т.е. от характера нагрузки (свойств потребителя мощности), и не может характеризовать трансформатор. С другой стороны, потери и КПД трансформатора зависят от активных мощностей первичной и вторичной обмоток. Итак, потери в трансформаторе определяются выражением:

ΣР = P1 - Р2 = U1I1cosφ1 - U2I2cosφ2 (8.12)

   а КПД:

η = P2 / P1 = P2 / P2 + ΣР (8.13)

   За номинальное значение КПД принимается его величина при номинальных токах и напряжениях и при cosφ = 0,8. Потери в трансформаторе разделяются на постоянные и переменные. Постоянные – это магнитные потери в стали сердечника. Они связаны с его непрерывным перемагничиванием и являются функцией магнитного потока и частоты тока, но не зависят от нагрузки. Переменные потери возникают в обмотках трансформатора:

ΔР1 = I21r1
и
ΔР2 = I22r2,

   где r1 и r1 – омическое сопротивление первичной и вторичной обмоток. На холостом ходу потери во вторичной обмотке отсутствуют, поэтому магнитные (постоянные) потери составляют потери холостого хода трансформатора. При малых полезных нагрузках трансформатора сильно сказывается влияние постоянных потерь. Поскольку угол сдвига между током и напряжением зависит от параметров нагрузки, то в паспорте трансформатора нормируются не потери, а падение напряжения в обмотках при номинальном значении тока. При этом нормируется отношение полного падения напряжения, соответствующего номинальному току, Uzном к номинальному первичному напряжению Ulном выраженное в процентах:

ех = (Uzном / Ulном)100 (8.14)

   Для больших трансформаторов величина ех не должна превышать 5... 6%. Величина

Uzном = ех Ulном /100 (8.15)

   называется напряжением короткого замыкания трансформатора. Если замкнуть накоротко вторичную обмотку, то для получения номинальных токов I1ном и I2ном потребуется подвести к зажимам первичной обмотки напряжение Uzном. Зависимость напряжения вторичной обмотки U2 от токов нагрузки I2н называется рабочей характеристикой трансформатора.


 Глава 9.
АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ.

9.1. Устройство аккумуляторов.

   Аккумулятор – это устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. Обычно аккумуляторы соединяют в батареи для получения необходимого напряжения или емкости. Существуют кислотные и щелочные аккумуляторы. В кислотном аккумуляторе отрицательные пластины состоят из губчатого свинца (Рb), а положительные – из оксидов свинца (свинцового сурика) РbO2. Порошкообразный оксид свинца запрессовывают в свинцовую решетку. При воздействии электролита, состоящего из раствора серной кислоты (H2SO4) в дистиллированной воде (Н2O), при разряде происходит реакция:

РbO2 + Pb + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O (9.1)

   Соединение PbSO4 – сульфат свинца – образуется как на положительных, так и на отрицательных пластинах. При заряде аккумулятора сульфат свинца разлагается на образующие его вещества, и состояние аккумулятора восстанавливается. При образовании PbSO4 в реакции участвует кислота электролита, поэтому плотность электролита зависит от степени заряженности аккумулятора. Заряженный аккумулятор имеет большую плотность, а разряженный – меньшую плотность электролита. По плотности электролита можно определить степень его зарядки, зная плотность первоначально залитого электролита. В щелочном аккумуляторе отрицательные пластины состоят из железа (Fe), а положительные – из гидроксида никеля Ni(OH)2, электролитом является водный раствор гидроксида калия (едкое кали) КОН. Токообразующая реакция протекает следующим образом:

Fe + 2NiOOH + 2Н20 ↔ Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2 (9.2)

   Электролит в реакции не участвует, и его плотность с изменением состояния заряженности аккумулятора не меняется. К щелочным аккумуляторам относятся также никель-кадмиевые (КН) аккумуляторы. В системах электропневматических тормозов применяются никель-кадмиевые аккумуляторы 40КН-10, не отличающиеся по конструкции и обслуживанию от любого щелочного аккумулятора, но имеющие большую удельную емкость. Как любое техническое устройство, аккумулятор имеет коэффициент полезного действия, определяемый отношением полезной емкости, выраженной в ампер-часах (А×ч), к энергии, затраченной на зарядку, выраженной также в ампер-часах. КПД аккумуляторов изменяется в широких пределах и зависит от его назначения, температуры электролита, величины разрядного тока и ряда других величин. Емкость аккумулятора также величина непостоянная. В обозначении типа аккумулятора содержится число, характеризующее его номинальную (паспортную) емкость, которая может быть получена при разряде его номинальным током. Величину номинального тока можно получить делением величины номинальной емкости на 10 для кислотных и на 5 для щелочных аккумуляторов. Например, кислотный аккумулятор емкостью 450 Ач имеет нормальный ток 45 А, а щелочной такой же емкости – 90 А. Величина разрядного тока очень сильно влияет на емкость, которую можно снять с аккумулятора (полезная емкость), особенно это заметно при стартерном разряде. Щелочные аккумуляторы более стойки к большим токам, нежели кислотные. Конструкция пластин аккумулятора определяет его срок службы. Пористые пластины кислотного аккумулятора плохо переносят вибрацию и большие кратковременные (стартерные) токи; отрицательная температура электролита приводит к снижению емкости аккумулятора, а замерзание электролита – к разрушению пластин. Щелочные аккумуляторы устойчивы к воздействию отрицательных температур. На подвижном составе в основном устанавливаются тяговые (рассчитанные на большие длительные токи), стартерные (рассчитанные на очень большие, но кратковременные токи) и осветительные (рассчитанные на разрядные токи, не превышающие номинального значения) аккумуляторы. Принципиальные различия их заключаются в количестве и толщине пластин с активной массой. При использовании аккумуляторов на подвижном составе их соединяют в батареи. Для получения необходимого напряжения (напряжение одного кислотного аккумулятора составляет 2,2 В, щелочного – 1,2 В) аккумуляторы включают последовательно, при параллельном соединении обеспечивается необходимый по величине ток нагрузки. Стартерные аккумуляторные батареи тепловозов предназначены для питания стартера при пуске дизеля, а также цепей управления, вспомогательных и освещения при неработающем дизеле. Конструкция и емкость аккумуляторной батареи определяются пусковым режимом – кратковременным разрядом, при котором токи достигают 2500 А. При этом напряжение батареи должно обеспечивать необходимую для пуска частоту вращения вала дизеля при прокрутке. На тепловозах применяются кислотные и щелочные аккумуляторные батареи. Основными типами батарей для выпускаемых тепловозов являются кислотные аккумуляторные батареи 32ТН-450, -550 или 48ТН-450. В зависимости от напряжения вспомогательных цепей тепловоза эти батареи состоят из 32 (при напряжении вспомогательного генератора Uвг = 75 В) или 48 (при Uвг = 110 В) элементов (аккумуляторов) с нормальной емкостью 450 или 550 Ач. Номинальная емкость может быть определена путем разряда аккумуляторов током 10-часового режима. Как уже говорилось, значение номинального тока определяется делением номинальной (паспортной) емкости на 10. Промышленность выпускает кислотные аккумуляторные батареи 48ТН-350, щелочные никель-железные 68ПНЖК-250, 48ТНЖТ-400, никель-кадмиевые 72ТПНК-250-02 и др. Основные параметры отечественных тепловозных аккумуляторных батарей приведены в табл. 9.1.

Таблица 9 1. Параметры отечественных тепловозных аккумуляторных батарей

Параметр Тип батареи 32ТН-450У2 48ТН-450У2 48ТН-350У2 46ТПНЖ-550У2 72ТПНЖ-250-02У2 Номинальная емкость, Ач 450 450 350 550 250 Номинальное напряжение, В 64,0 96,0 96,0 57,5 90,0 Тренировочный режим разряда и ток, Ач 10/45 10/45 10/35 5/100 10/25 Конечное напряжение, В, не менее 57,6 86,6 86,6 46,0 72,0 Режим пуска дизеля, толчковый разряд, напряжение В, не менее 32 48 48 25 47 Ток, А 1700 1700 1800 2200 1800 Установившийся разряд, напряжение В, не менее 46,4 69,6 70,0 46,0 72,0 Ток, А 900 900 800 900 800 Масса с электролитом, кг, аккумулятора 38 38 30 45 26 Масса с электролитом, кг батареи 1270 1930 1710 2100 1870

   Обозначение типа батареи включает в себя следующие цифры и буквы.
   - 32, 46, 48, 68, 72 – количество последовательно включенных аккумуляторов, шт.;
   - 550, 450, 350, 250 – номинальная емкость, Ач;
   - ТП – назначение: тепловозная (пусковая);
   - Н – вид электродных пластин: намазные;
   - НЖ, НК – никель-железный, никель-кадмиевый;
   - К, Т – конструкция электродов: комбинированная, таблеточная;
   - У – для умеренного климата;
   - 2 – категория размещения: в кузове, в металлическом шкафу.

   Устройство кислотного аккумулятора.
   Кислотный аккумулятор ТН-450 (рис. 9.1) состоит из эбонитового корпуса (банки) 5 с ребрами для установки блоков пластин и углублений для шлама, в который погружены 19 положительных 7 и 20 отрицательных 6 пластин. Каждая пластина представляет собой отлитую из свинцово-сурьмянистого сплава (95% свинца и 5% сурьмы) решетку, ячейки которой заполнены активной массой. Пластины изолированы друг от друга сепараторами 8 из синтетических материалов или дерева (чаще всего ольхи). Сверху все положительные пластины соединены между собой в блок 7, который посредством гаек, шайб и резиновых уплотнений укреплен на эбонитовой крышке 2 аккумулятора. Аналогично выполнен блок отрицательных пластин 6. Каждый блок имеет по два вывода – борна 1. В крышке 2 предусмотрено отверстие для заливки электролита и воды, закрываемое пробкой 3, которая обеспечивает свободный выход газов из аккумулятора, но препятствует проникновению в него воздуха. Для удобства транспортировки, монтажа и защиты аккумуляторов от механических повреждений их монтируют в деревянных ящиках. При разряде аккумулятора на пластинах обеих полярностей образуется сульфат свинца (PbSО4), и плотность электролита при этом снижается. Сульфатация происходит также при систематическом недозаряде батареи, слишком глубоком разряде, применении электролита с повышенной плотностью, работе батареи при высокой температуре электролита, загрязнении его и длительном хранении аккумуляторов без подзаряда. Электролитом для кислотных батарей служит раствор аккумуляторной серной кислоты в дистиллированной воде. Плотность его в заряженных аккумуляторах должна составлять 1,24... 1,25 г/см3, в зимние месяцы для предотвращения замерзания ее повышают до 1,26 г/см3.


Рис. 9.1. Конструкция кислотного аккумулятора.
 1 – борн (вывод), 2 – крышка, 3 – пробка, 4 – перемычка, 5 – эбонитовый корпус,
6– блок отрицательных пластин, 7– блок положительных пластин, 8 – сепаратор.

   Дальнейшее увеличение плотности электролита несколько повышает напряжение на элементе, но резко снижает его срок службы вследствие разрушения отрицательных пластин. Особенно это выражено при высокой интенсивности разряда, который имеет место при пуске дизеля. Для уменьшения коррозии решеток положительных пластин целесообразно снижать концентрацию электролита до 1,22 г/см3, что приводит к увеличению срока их службы, при этом мощность батареи возрастает, а вероятность ее замерзания практически отсутствует. Если существует вероятность замерзания электролита, плотность снижать нельзя. При замерзании электролита пластины разрушаются, и батарея становится непригодной для работы. Следует отметить, что вероятность замерзания аккумуляторных батарей, расположенных в кузове тепловоза, значительно меньше, чем при расположении их в раме или нише топливного бака. В последнем случае необходим обогрев батарей.

   Устройство щелочного аккумулятора.
   Щелочной аккумулятор (рис. 9.2) имеет два блока 3 положительных и отрицательных пластин, которые размещены в стальном сосуде (банке) 7. Пластины представляют собой ламели (коробочки), соединенные между собой в замок и укрепленные стальными ребрами 8, к которым приварены контактные планки. Пластины изолированы перфорированными сепараторами 7 и резиновыми шнурами. Каждый блок имеет два борна 6, выведенных через отверстия в крышке и изолированных винипластовыми и резиновыми кольцами, препятствующими вытеканию электролита. Банка 1 аккумулятора окрашена снаружи эпоксидной эмалью и защищена резиновым чехлом (изоляция банки 2). В заряженном аккумуляторе активными элементами являются гидроксид никеля (NiO) – положительный электрод и железо (Fe) – отрицательный электрод. В качестве электролита используется 20%-ный водный раствор гидроксида калия (КОН) или натрия (NaOH) плотностью 1,19... 1,21 г/см3 с добавкой 20 г/л гидроксида лития (LiOH), улучшающего условия работы активной массы. Электролит приготовляют в стальной сварной емкости. Запрещается пользоваться оцинкованной, луженой, медной, свинцовой или керамической емкостью. Электролит щелочных аккумуляторов в реакции не участвует, плотность его во время работы батареи не изменяется. Это несколько осложняет контроль за состоянием батареи в эксплуатации. Недостатком щелочных аккумуляторов можно считать большую массу и плохую работу при понижении температуры электролита до 0°С.


Рис. 9.2. Варианты исполнения щелочного аккумулятора.
 1 – банка; 2 – изоляция банки; 3 – блок пластин; 4 – клапан; 5 – крышка клапана;
6 – борн; 7 – сепараторы; 8 – стальные ребра; 9 – пробка.

   Никель-железные аккумуляторы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с кислотными:
   • больший срок службы (до 10 лет);
   • изготовляются из менее дефицитных материалов;
   • способны выдерживать большие зарядные и разрядные токи без ущерба для аккумулятора и без значительного снижения полезной емкости;
   • отсутствие сульфатации, губительно действующей на кислотные аккумуляторы;
   • большая механическая прочность;
   • нечувствительность к замерзанию электролита;
   • простота обслуживания и ремонта.

   В настоящее время существует технология изготовления безламельных аккумуляторов, позволяющая отказаться от запрессовки активной массы в металлические ламели. Уход за батареей в эксплуатации сводится к доливке дистиллированной воды и содержанию аккумуляторов в чистоте. Аккумуляторы не требуют ремонта, уход за ними сводится к промывке при содержании в электролите углекислоты более 17,5 г/л. Разработаны методы восстановления щелочных аккумуляторов, имеющих пониженную емкость. Для аккумуляторов обоих типов характерно снижение полезной емкости с увеличением тока разряда.
   У кислотных аккумуляторов это явление особенно резко выражено и связано со снижением плотности электролита в пограничных с пластинами слоях. В результате происходит увеличение внутреннего сопротивления и падение напряжения в аккумуляторе.
   У щелочных аккумуляторов ухудшение характеристик связано с процессом поляризации электродов. Это явление усиливается при разряде батареи на стартерный (пусковой) электродвигатель, когда весь процесс протекает за 5...20 с, т.е. за время, недостаточное для равномерной диффузии электролита в элементах. Емкость батареи, затрачиваемая на один пуск дизеля, не превышает 4 Ач, но общая полезная емкость после пуска практически уменьшается в несколько десятков раз. С течением времени плотность электролита выравнивается и полезная емкость восстанавливается, хотя и не полностью. Поэтому необходима выдержка между пусками дизеля 2...3 мин. С понижением температуры проводимость электролита уменьшается, что приводит к росту потерь внутри батареи и ограничивает полезную емкость (рис. 9.3). Кроме того, при пониженной температуре увеличивается плотность электролита, ухудшается его циркуляция в аккумуляторе и снижается полезная емкость, которую может отдать аккумулятор при разряде. Особенно неблагоприятно понижение температуры сказывается на работе кислотных аккумуляторов, плотность электролита которых находится в прямой зависимости от степени заряда. Следовательно, внутреннее сопротивление батареи зависит от остаточной емкости и плотности электролита одновременно. У щелочных аккумуляторов внутреннее сопротивление практически зависит только от остаточной емкости, поэтому работа щелочных элементов более устойчива.


Рис. 9.3. Зависимость емкости аккумулятора от температуры электролита.
ЖН – электролит КОН, плотность 1,18 г/см3; С – электролит H2SО4, плотность 1,24 г/см3

   Необходимость сохранить достаточное для пуска дизеля напряжение в любых условиях эксплуатации и при больших разрядных токах заставляет увеличивать размеры и количество пластин в аккумуляторе. Одновременно с увеличением рабочей поверхности пластин возрастает номинальная емкость, так как увеличивается количество активных материалов. Рост номинальной емкости является в данном случае желательным, так как компенсирует снижение емкости под воздействием низкой температуры и разрядного тока. Однако это приводит к увеличению массы и стоимости аккумуляторов. Анализ процесса пуска дизеля показывает, что пиковый ток значительно превосходит необходимый для создания «момента отрыва» вала дизеля и может быть значительно уменьшен, что приведет к улучшению условий работы аккумуляторов без ухудшения пускового режима. Существует несколько способов уменьшения пикового тока. Наибольшее распространение получило параллельное включение аккумуляторных батарей двух секций тепловоза. При такой схеме пуска пиковый ток аккумуляторов сокращается в два раза. Разряд батареи при прокрутке вала может быть резко сокращен применением в схеме ускорителя пуска – устройства, выставляющего рейки топливных насосов «на подачу» до начала работы регулятора частоты вращения вала дизеля.
   Аккумуляторные батареи, используемые в пассажирских вагонах, служат для питания энергией основных потребителей на стоянках и воспринимают на себя пиковые нагрузки при работающем генераторе, чем поддерживают заданный уровень напряжения. Вагонные аккумуляторы могут быть как кислотными, так и щелочными, которым отдается предпочтение. При напряжении в электрических цепях вагона 50 В устанавливается 40 щелочных или 26 кислотных аккумуляторов, а при 110 В – 56 кислотных или 86 щелочных аккумуляторов, соединенных последовательно. В электрических цепях вагонов используются в основном следующие типы аккумуляторов:
   - кислотные: ВН-440 (Россия), ВГТ-390 (Германия), RPg-300 (Индия);
   - щелочные: ВНЖ-300У2 (Россия), 915633-375 (Германия).
   На отечественных электровозах и мотор-вагонных поездах используются аккумуляторы типа КН-125, из которых составляются батареи 40КН-125, обеспечивающие напряжение рабочей сети 50 В. Электровозы чешского производства серии ЧС имеют аккумуляторные батареи 40КН-125, правила эксплуатации которых аналогичны щелочным аккумуляторам отечественного выпуска. Электропоезда метрополитена оборудуются аккумуляторами НКН-80, НКН-55, соединенными в батареи на любое необходимое напряжение.

9.2. Приготовление электролита.

   Электролит для кислотных аккумуляторов приготовляется путем разбавления аккумуляторной серной кислоты дистиллированной водой. Кислота применяется концентрированная с удельным весом 1,83...1,84 г/см3 или частично растворенная до 1,40 г/см3. Плотность кислоты и электролита измеряется ареометром. При разбавлении концентрированной серной кислоты раствор сильно нагревается. Во избежание попадания брызг кислоты на кожу рук, лицо и одежду персонала, приготавливающего электролит, всегда следует наливать кислоту в воду, а не наоборот. Раствор следует непрерывно перемешивать, пока кислота подливается в воду, чтобы более тяжелая кислота не опускалась на дно сосуда, не перемешиваясь с водой. Если требуется изменить концентрацию электролита в элементе, доливать следует только дистиллированную воду, а не электролит.
   При полном заряде в зависимости от назначения батареи может быть рекомендована следующая плотность электролита, г/см3:
   - Стационарные: 1,250...1,225
   - Тяговые: 1,260...1,280
   - Стартерные: 1,260...1,300
   - Вагонные: 1,210...1,230

   Плотность измеряется ареометром при 18°С. При другой температуре электролита плотность пересчитывается по таблице. Аккумуляторы, имеющие разную плотность электролита, имеют и разное напряжение на борнах. Применение дистиллированной воды обусловлено наличием в природной воде вредных для аккумуляторов примесей. Так, нитраты в концентрации 0,001% заметно увеличивают сульфатацию пластин, стимулируя саморазряд.
   Органические соединения (крахмал, сахар и др.) отрицательно влияют на положительные пластины, вызывая их разрушение. Железо, соляная кислота, марганец, хлор и его соединения разрушают пластины аккумуляторов, снижая их полезную емкость. Для увеличения времени между зарядами применяют присадки к электролиту. Электролитом для щелочных никель-железных аккумуляторов служит раствор гидроксида калия. К этому раствору добавляется обычно небольшое количество гидроксида лития (едкого лития), который оказывает полезное влияние на срок службы аккумулятора, но не является необходимым для реакций, происходящих в аккумуляторе. Гидроксид калия – белое вещество, хорошо растворяется в воде, при хранении на открытом воздухе поглощает углекислый газ и влагу, поэтому электролит не должен соприкасаться с воздухом как при его хранении, так и в процессе работы. Электролит приготовляется с соблюдением тех же предосторожностей, что и при приготовлении кислотного. Значения плотности щелочного электролита приводятся для температуры 18°С. Если приготовление электролита происходит при другой температуре, то следует прибавить к цифре третьего десятичного знака по единице на каждые 2°С, если температура выше стандартной, и вычесть по единице на каждые 2°С, если она ниже. Однако это правило не пригодно для кислотных аккумуляторов. Ниже приведены параметры щелочного электролита в зависимости от содержания щелочи:

Содержание КОН,% 15 20 20 30 35 40 Плотность при 18°С, г/см3 1,140 1,188 1,239 1,290 1,344 1,399 Температура замерзания электролита,°С - 15 - 24 - 38 - 59 - -

   Гидроксид лития добавляется из расчета 20 г/л. При понижении плотности электролита в эксплуатируемой батарее доливать следует электролит, так как его компоненты в аккумуляторе выпадают в осадок, соединяясь с диоксидом углерода (углекислотой), содержащимся в воздухе. К вредным загрязнениям щелочных электролитов относятся диоксид углерода (углекислый газ), содержащийся в воздухе, и все виды кислот. Реакция с кислотами настолько бурная, что недопустимо содержать в одном помещении кислотные и щелочные аккумуляторы. В качестве электролита может быть использован гидроксид натрия (NaOH, или едкий натр), обладающий теми же свойствами, что и КОН. Однако калиевый электролит считается универсальным, а натриевый – летним, способным работать только при положительных температурах.

9.3. Способы заряда аккумуляторов.

   Заряд аккумуляторов производится только постоянным или пульсирующим токами. Общеприняты две системы зарядки: при постоянной величине тока или при постоянном напряжении. Положительный зажим источника напряжения соединяется с положительным зажимом батареи, отрицательный – с отрицательным.

   Заряд при постоянной величине тока.
   Величина зарядного тока регулируется либо величиной зарядного напряжения, либо включением в цепь аккумуляторов добавочного сопротивления. Изменение напряжения предпочтительнее, так как не вызывает дополнительных потерь. При заряде от выпрямителя обычно используется дополнительное переменное сопротивление. Заряд производится номинальным током и продолжается до «кипения» электролита. Появление пузырьков на поверхности электролита сигнализирует о том, что дальнейший заряд током этой величины аккумулятором не воспринимается, и зарядный ток идет на разложение воды, что одновременно начинает разрушать пластины. Для более полного заряда можно продлить процесс, уменьшив зарядный ток в 2 раза, с последующим доведением до «кипения». Процесс может быть продолжен, если не достигнуто постоянство плотности электролита. Такой заряд, если он содержал два-три уровня изменения тока, называют уравнительным. Он полезен для состояния пластин, которые при этом освобождаются от всего имеющегося на них сульфата. Заряд аккумуляторов сопровождается нагревом электролита, поэтому при достижении им температуры 40...45°С следует делать перерыв.

   Заряд при постоянной величине напряжения источника тока.
   Батарея ставится на заряд при постоянном напряжении источника. Это напряжение должно оставаться постоянным независимо от тока заряда, величина которого меняется от большего в начале заряда до установившегося значения. Этот способ заряда за свою простоту часто применяется на всех видах подвижного состава и транспортных средств. Источником тока служат вспомогательные генераторы локомотивов, генераторы вагонов и т.д., напряжение которых устанавливается на 2...3 В выше номинального напряжения аккумуляторных батарей. Однако процесс заряда происходит в течение всего времени работы подвижного состава, что приводит к перезаряду аккумуляторов, «кипению» электролита и довольно быстрому разрушению пластин. В стационарных условиях заряда аккумуляторных батарей этот способ недостатков не имеет.

9.4. Причины неисправностей аккумуляторов.

   Работоспособность аккумуляторных батарей зависит от условий, в которых они эксплуатируются. Плохое обслуживание батареи может сделать ее неисправной гораздо раньше окончания срока службы. Рассмотрим основные причины неисправности батареи.

   1. Перезаряд аккумулятора – вызывает коррозию решеток положительных пластин и газообразование, разрушающее активный материал пластин, особенно положительных. Шлам (материал разрушения пластин), оседая на дно банки, может замкнуть пластины. При перезаряде увеличивается температура электролита, происходит излишнее разложение воды, в результате чего оголяются пластины и требуется доливка воды.

   2. Недозаряд (систематический) – вызывает постепенную порчу аккумулятора. Возможна переполюсовка аккумулятора в батарее и коробление пластин в результате накопления на них сульфата свинца.

   3. Коррозия зажимов (борнов) – увеличивает сопротивление цепи, уменьшая отдачу батареи.

   4. Треснувшие банки – вызывают утечку электролита, оголение пластин и потерю работоспособности. Особенно вредно вытекание электролита для отрицательных пластин.

   5. Короткие замыкания внутри аккумулятора – возникают в результате повреждения сепараторов дендритами кристалла сульфата либо замыкания пластин шламом. Признаком короткого замыкания является снижение плотности электролита, низкое напряжение на аккумуляторе, потеря общей емкости батареи. Определить аккумулятор с внутренним замыканием можно при разомкнутой цепи обычным компасом.

   6. Пониженный уровень электролита – в результате несвоевременной доливки приводит к последствиям, рассмотренным ранее. Возможно коробление пластин.

   7. Замерзание электролита – происходит в результате его низкой плотности, губительно действует на пластины аккумулятора.

   8. Сульфатация – образование сульфата свинца на поверхности и в порах положительных пластин. При этом ухудшается работа аккумулятора, снижается плотность электролита, коробятся пластины. При саморазряде сульфат свинца прочной пленкой покрывает активную массу пластин, обусловливая снижение емкости аккумуляторной батареи. Такое же негативное влияние оказывает колебание температуры электролита.

   9. Перемена полярности аккумулятора – вызывается перезарядом аккумулятора, имеющего недостаточную емкость и соединенного с другим, большей емкости. Явление нежелательное.

   10. Взрывы – при работе (особенно при заряде) выделяются водород и кислород, являющиеся взрывоопасными и легко воспламеняющимися газами, поэтому аккумуляторные отсеки и помещения должны иметь приточно-вытяжную вентиляцию. Открытый огонь вблизи батареи запрещен. Соединение и разъединение элементов во время заряда опасны, так как могут возникать искры. Составляющие батарею аккумуляторы обычно монтируются в блоки по несколько элементов, которые затем размещаются в ящиках кузовов.

   Расположение кузовов на подвижном составе должно обеспечивать естественную либо принудительную вентиляцию из расчета 100 м3/ч воздуха. Для улучшения изоляции блоков аккумуляторов от корпуса подвижного состава их устанавливают на дополнительные изоляторы.


<<< | ОГЛАВЛЕНИЕ | >>>


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