Особенности коммутация тяговых двигателей

Процесс изменения направления тока в замыкаемых накоротко щетками секциях якорной обмотки с помощью коллектора и щеточного механизма называется коммутацией.

Секции якоря, в которых происходят изменения направления тока, называются коммутируемыми.

Условия работы тяговых двигателей на электропоездах значительно тяжелее, чем при стендовых испытаниях. На процесс коммутации влияет ряд эксплуатационных факторов. Большое влияние на работу тяговых двигателей оказывает трение, возникающее при работе под током тягового двигателя между пластинами коллектора и щетками. Наиболее частыми являются механические причины искрения под щетками, основными из которых являются: выступающая изоляция между пластинами коллектора; загрязнение рабочей поверхности коллектора; искажение формы рабочей поверхности коллектора (подгары, царапины, неровности, овальность или эксцентричность и т. д.); перекос щеток, ослабление направляющего действия щеткодержателей; предельный износ щеток, недостаточное нажатие на щетку и плохая пригонка щетки к коллектору; динамическое воздействие на щетку и щеточный аппарат неровностей пути, биение якоря в результате его небаланса, повышенного износа подшипников вала якоря, зубчатой передачи и т. д.

Искрения в результате этих факторов могут вызвать такие необратимые нарушения в тяговом двигателе, что эксплуатация его станет невозможной.

В тяговых двигателях электропоездов применяют волновые якорные обмотки с одновитковыми секциями — витками (рис. 70). Конец витка 1 соединяют с коллекторной пластиной, к которой подсоединяется начало витка 2, расположенного под второй парой полюсов. Конец витка 2 соединен с началом витка 3 и т. д. до тех пор, пока последний виток (конец) не будет соединен с началом витка 1. Таким образом, обмотка якоря представляет собой замкнутую электрическую цепь, которую щетки разделяют на две параллельные ветви. Учитывая, для простоты изучения, что якорь двигателя вращается очень медленно и то, что сила тока в короткозамкнутой секции будет изменяться также очень медленно, можно считать, что ЭДС самоиндукции ничтожно мала и ею можно пренебречь.

Рисунок 1 – Одновитковые секции обмотки якоря:

1 – 4 витки обмотки.

Рассмотрим процессы, которые происходят в этом случае.

Рисунок 2 – Схема коммутации обмотки якоря.

Обмотка якоря двигателя (рисунок. 2, а) и вместе с ней коллектор при неподвижной щетке (1), ширина которой принимается равной ширине коллекторной пластины, перемещаются по стрелке. В тот момент, когда положительная щетка имеет контакт только с одной коллекторной пластиной, электрический ток, проходящий через щетку и коллекторную пластину «в», делится на две равные части. Половина тока +I/2 через секцию «Б» идет в левую параллельную ветвь, половина -I/2 – через секцию (В) в правую параллельную ветвь и далее к отрицательной щетке, где эти величины тока складываются и возвращаются к минусовому зажиму источника тока.

Когда щетка (1) коснется коллекторной пластины «б» (рисунок 2, б), площадь ее соприкосновения с пластиной в начнет уменьшаться по мере вращения якоря. Тогда ток от щетки пойдет к щеткам (б) и (в). Причем ток, проходящий по секциям обмотки якоря (Б), будет уменьшаться по мере увеличения площади соприкосновения щетки с пластиной (б) и уменьшения площади соприкосновения с пластиной (в). В момент, когда эти площади станут равны, ток в короткозамкнутой секции (Б) будет равен нулю, а началом левой параллельной ветви станет уже секция (А).

При дальнейшем вращении якоря площадь контакта щетки (1) с коллекторной пластиной (б) будет превышать площадь контакта с пластиной (в), и по секции (б) вновь начнет протекать увеличивающийся ток, но уже противоположного направления. Когда щетка (1) потеряет контакт с пластиной в ток в секции (Б) будет равен половине тока +I/2, проходящего через щетку (1).

Таким образом, процесс изменения тока в секции полностью закончится и секция (Б) перейдет из левой параллельной ветви в правую параллельную ветвь.

В дальнейшем, когда до щетки (1) дойдет пластина (а), начнется процесс изменения тока в секции(а). Процесс изменения тока (коммутация) в секции якоря двигателя начинается тогда, когда коллекторное деление той пары щеток, между которыми подключена секция, перекрывается набегающим краем щетки. Оканчивается же процесс коммутации в момент выхода рассматриваемого коллекторного деления из-под противоположного сбегающего края щетки.

Существует и второе объяснение появления кругового огня: он возникает между разноименными щетками в тех местах коллектора, где имеются повышенные межсегментные напряжения. Искрение под щетками в этом случае рассматривается как фактор, облегчающий процесс образования кругового огня.

Процесс образования дуги зависит от скорости вращения коллектора двигателя и величины напряжения между соседними коллекторными пластинами. Величина напряжения между пластинами коллектора играет основную роль и зависит от индукции магнитного поля полюсов в том месте, где находятся стороны данной секции обмотки якоря, ее рабочей длины, скорости ее движения и количества витков. Если рассматривать определенный тип тягового двигателя в определенном режиме его работы, то в этом случае длина, количество витков и скорость движения секции являются величинами постоянными, а межсегментные напряжения на коллекторе двигателя изменяются в зависимости от магнитной индукции полюсов. Зависимость эта прямо пропорциональна, т. е. чем больше индукция, тем выше межсегментные напряжения. При небольшом токе в обмотке якоря магнитная индукция распределяется под полюсами сравнительно равномерно (кривая 3, рисунок 4), чем обеспечивается равномерное распределение напряжения между коллекторными пластинами. Однако наличие тока в обмотке якоря создает свое магнитное поле вокруг обмотки якоря, которое искажает магнитное поле главных полюсов. Такое искажение магнитного поля главных полюсов магнитным полем якоря называется реакцией якоря.

При нагрузке двигателя магнитные поля якоря и главных полюсов взаимодействуют таким образом, что под одной половиной каждого из полюсов они складываются, а под другой вычитаются. В результате этого равномерное распределение индукции под полюсами нарушается (кривая 4 на рис. 73,6).

Рисунок 73. Схема появления кругового огня (а) и кривые распределения индукции в воздушном зазоре (б)

Следовательно, чем больше реакция якоря, тем больше нарушается равномерное распределение индукции под полюсами. Это приводит к резкому росту напряжения между пластинами на отдельных участках коллектора. Немалую опасность представляет возникновение отрицательной индукции (площадь Б на рис. 73,6), при развитии которой может произойти быстро развивающийся процесс перемагничивания двигателя реакцией якоря. Таким образом, в случае появления дуги между двумя коллекторными пластинами в результате случайного загрязнения изоляционного расстояния между ними дуга может распространиться по коллектору между двумя щетками различной полярности.

Вышеописанный процесс при определенных условиях (ионизация воздуха, наличие пыли и т. д.) может произойти при напряжении между пластинами, превышающем 35 – 38 В. В условиях эксплуатации мерами предупреждения искрения являются содержание в чистоте поверхности коллектора, конуса, канавок между пластинами коллектора, своевременное удаление с рабочей поверхности подтеков, царапин, заусенцев, смена сколотых и изношенных щеток, содержание в норме щеткодержателей и т.д.

Качество коммутации зависит и от ширины щетки: чем больше щетка одновременно перекрывает пластин коллектора, тем больше коммутируется секций и, следовательно, увеличивается реактивная ЭДС.

Для улучшения процесса коммутации пользуются двумя основными способами. Самым распространенным способом является применение дополнительных полюсов.

Компенсирующую ЭДС в тяговых двигателях создают с помощью системы дополнительных полюсов. Магнитное поле дополнительных полюсов воздействует на поле реакции якоря в зоне коммутации и индуктирует в коммутируемой секции компенсирующую ЭДС. Так как ЭДС ер зависит от тока якоря, то для обеспечения ее компенсации ЭДС должна также зависеть от тока якоря. С этой целью катушки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. Если компенсирующая ЭДС равна реактивной ЭДС, то будут иметь место идеальные условия коммутации при которых обеспечивается безыскровая работа тяговых двигателей.

При больших перегрузках начинает нарушаться компенсация реактивной ЭДС из-за насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов. В этом случае реактивная ЭДС возрастает пропорционально току, а рост ЭДС – более замедленным, вследствие чего в коммутируемой секции появится некомпенсированная ЭДС, которая вызовет искрение под щеткой (рисунок 4).

Рисунок 4 – Нескомпенсированная ЭДС, возникающая вследствие насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов.

Для увеличения предельной нагрузки насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов их выполняют сплошными из литой стали, а поперечное сечение делают таким, чтобы индукция магнитного поля в стали сердечников была сравнительно небольшой, кроме этого, воздушный зазор под дополнительными полюсами делают значительно большим, чем под главными полюсами.

Кроме того, в тяговых двигателях для улучшения магнитной характеристики дополнительных полюсов устанавливают диамагнитную прокладку между станиной и сердечником дополнительного полюса. Дополнительный воздушный зазор за счет прокладки вызывает уменьшение потоков рассеивания дополнительных полюсов и снижает влияние насыщения на магнитный поток дополнительных полюсов, чем способствует лучшей компенсации реактивной ЭДС при перегрузках.

Другим способом улучшения коммутации является правильный выбор применяемых на тяговых двигателях щеток. Уменьшения тока, наводимого реактивной ЭДС, можно добиться применением щеток с повышенным электрическим сопротивлением, а также разрезных щеток, сопротивление которых из-за наличия переходного сопротивления между двумя частями значительно выше, чем у неразрезных.

На тяговых двигателях получили распространение щетки марок ЭГ – 2 и ЭГ – 2А (электрографитовые), обладающие повышенным электрическим сопротивлением.

Определенное значение для коммутации имеет ширина щеток. Чем уже щетка, тем меньше коммутационная зона и величина реактивной ЭДС. Однако чрезмерное уменьшение ширины щетки может нарушить ее механические свойства. Опыт эксплуатации показывает, что наиболее рациональным щеточным перекрытием для тяговых двигателей является величина, равная 2,5 – 4 коллекторным пластинам. На тяговом двигателе РТ – 51Д разрезная щетка перекрывает четыре коллекторные пластины.

Рисунок 5 –

1 – щетка, 2 – коллекторные пластины.

Эксплуатация двигателей. Как отмечалось выше, тяговые двигатели работают в тяжелых эксплуатационных условиях, поэтому необходимо соблюдать основные правила их эксплуатации.

Перед пуском электропоезда в эксплуатацию после изготовления на заводе или длительного отстоя в депо необходимо провести осмотр тягового двигателя.

Перед монтажом тяговых двигателей необходимо их расконсервировать, произвести осмотр и проверку сопротивления изоляции, а при необходимости – сушку.

Так как двигатель питается пульсирующим напряжением, то для его устойчивой работы необходимо выполнять следующие работы: проверять путем осмотра и простукивания детали крепления тяговых двигателей; следить, чтобы на двигателе применялись только разрезные щетки. Щетки со сколами на краях необходимо заменять независимо от степени их износа по высоте. Перед постановкой щетки должны быть предварительно притерты.

Необходимо следить за чистотой кронштейнов щеткодержателей и манжеты коллектора. Грязь и копоть следует удалять, протирая чистой салфеткой, слегка смоченной бензином, а в необходимых случаях покрывать поверхность миканитовых манжет дутостойкой изоляционной эмалью.

Максимальные кратковременные пики напряжения на коллекторе не должны превышать 1275 В.

Сопротивление изоляции тягового двигателя должно быть не менее 2 МОм в нагретом состоянии и 3 МОм в холодном. Если сопротивление изоляции нижеуказанной величины, необходимо отыскать место утечки путем прозвонки мега-омметром отдельно якоря, обмоток главных и дополнительных полюсов. В случае отсыревания изоляции двигатель необходимо просушить.

Сушку изоляции производят или в печи при температуре 100–120 °С, или электрическим током. Величину тока следует выбирать.в пределах 150–170 А и при необходимости регулировать. Якорь и катушки следует сушить раздельно.

Чтобы не перегреть отдельные секции обмотки якоря, при сушке его необходимо периодически поворачивать. Нагрев не следует допускать свыше 120°С. При достижении сопротивления изоляции 3 – 4 МОм сушку следует прекратить.