Особенности работы машин постоянного тока при пульсирующем напряжении

Пульсации напряжения и тока. На электрифицированных железных дорогах переменного тока широко используют электровозы и электропоезда с полупроводниковыми выпрямителями, от которых питаются тяговые электродвигатели постоянного тока. Эти выпрямители дают не постоянное, а пульсирующее напряжение, создающее соответствующую пульсацию тока в двигателе и его магнитного потока. Пульсирующее напряжение может быть представлено суммой двух составляющих: постоянной U _пост (Рис. 152, а), не меняющейся по величине и направлению, и переменной U _пep, которая представляет собой переменное напряжение, изменяющееся с частотой 100 Гц. Аналогично и пульсирующий ток может быть представлен как сумма постоянной I _пост и переменной I _пер составляющих (рис. 152,6).

Отношение максимального значения переменной составляющей напряжения к постоянной его составляющей (среднему значению пульсирующего напряжения) называют коэффициентом пульсации напряжения

K_u = U_{пep max}/ U_пост.

Для выпрямителей, применяемых на э. п. с., этот коэффициент составляет около 0,77. Аналогично отношение максимального значения переменной составляющей тока к постоянной его составляющей называют коэффициентом пульсации тока

K_i = I_{пep max}/ I_пост.

Пульсация тока зависит от индуктивности цепи, по которой проходит выпрямленный ток, и от силы этого тока. При увеличении индуктивности цепи происходит сглаживание пульсирующего тока, т. е. уменьшается I_{пep max}.

Работа машины постоянного тока при пульсирующем напряжении вызывает увеличение потерь мощности и нагрева, снижение отдаваемой мощности и ухудшение условий коммутации.

Дополнительные потери и нагрев. При пульсации магнитного потока в остове двигателя возникают значительные вихревые токи, для которых массивный остов представляет малое сопротивление. Они увеличивают потери мощности в машине и вызывают дополнительный нагрев остова. При этом ухудшается отвод тепла от катушек полюсов и возрастает их температура. Одновременно возникают выхревые токи в проводниках обмотки якоря и обмоток главных и добавочных полюсов, по которым проходит пульсирующий ток. Все это уменьшает мощность, которую может развить двигатель, на 5—12% по сравнению с работой его при постоянном напряжении.

Коммутация. В двигателе, работающем при пульсирующем напряжении, значительно ухудшаются условия коммутации, При пульсирующем токе происходят пульсации реактивной э. д. с. е _р. Поэтому для ее компенсации необходимо, чтобы коммутирующая э. д. с. е _к изменялась точно в соответствии с изменениями реактивной э. д. с. е _р. Очевидно, для этого необходимо, чтобы магнитный поток добавочных полюсов изменялся в соответствии с пульсациями тока в цепи якоря.

Однако создать такой пульсирующий поток в добавочных полюсах не представляется возможным, так как этому препятствуют вихревые токи; согласно правилу Ленца они замедляют изменение потока добавочных полюсов и сдвигают во времени изменения э. д. с. е _к относительно изменений э. д. с. е _р (рис. 153). В результате эффективность действия добавочных полюсов по компенсации реактивной э. д. с. уменьшается и в коммутируемой секции действует некоторая нескомпенсированная э. д. с. е _р — е _к, вызывающая искрение под щетками.

Кроме некомпенсированной э. д. с. е _р— е _к, в коммутируемой секции 1 из-за пульсаций потока главных полюсов индуктируется так называемая трансформаторная э. д. с. е _тр (рис. 154, а). Она не зависит от частоты вращения якоря и определяется лишь значением и частотой изменения переменной составляющей потока возбуждения. Без специальных мер по уменьшению пульсаций этого потока трансформаторная э. д. с. может достигать 1—1,5 В и будет существенно ухудшать процесс коммутации.

Способы улучшения коммутации. Для удовлетворительной работы тяговых двигателей, работающих при пульсирующем токе, применяют различные способы.

При заданной пульсации напряжения на выходе выпрямителя пульсация тока в тяговых двигателях зависит от индуктивности их цепи. Однако собственная индуктивность двигателей недостаточна для значительного снижения пульсаций тока. Ее можно увеличить, включая последовательно в цепь двигателей сглаживающие реакторы, конструктивно выполненные в виде катушек со стальными сердечниками. Однако устанавливаемые на электровозах реакторы не в состоянии уменьшить пульсацию тока до такой степени, чтобы она не оказывала существенного влияния на работу двигателей. Для этого реактор должен был бы иметь очень большую индуктивность, при которой его масса и габариты были бы весьма велики. Поэтому реакторы обеспечивают уменьшение коэффициента пульсации тока только до 0,2—0,25.

Для уменьшения пульсации магнитногопотока возбуждения в тяговых двигателях, работающих при пульсирующем токе, параллельно обмотке возбуждения двигателя включают шунтирующий резистор r _ш (рис. 154,б), сопротивление которого примерно в 10—15 раз больше сопротивления самой обмотки. Этот резистор оказывает неодинаковое влияние на переменную и постоянную составляющие тока. Постоянная составляющая тока I _пост распределяется между обмоткой и резистором обратно пропорционально их сопротивлениям. Это вызывает незначительное (примерно на 7—10%) уменьшение тока возбуждения и магнитного потока машины. Переменная же составляющая тока I _пер проходит в основном по резистору, так как обмотка возбуждения обладает большой индуктивностью и представляет для этого тока весьма большое сопротивление. Поэтому ток, проходящий через обмотку возбуждения, и создаваемый им магнитный поток практически не будут иметь никаких пульсаций.

Чтобы уменьшить вредное действие вихревых токов на процесс коммутации, сердечники добавочных полюсов тяговых двигателей, работающих при пульсирующем токе, изготовляют шихтованными из листов электротехнической стали и увеличивают воздушный зазор в магнитной цепи добавочных полюсов (используя дополнительную диамагнитную прокладку между полюсом и остовом). Эти мероприятия позволяют уменьшить сдвиг во времени пульсаций коммутирующей з. д. с. е _к относительно реактивной э. д. с. е _р.

В современных тяговых двигателях электровозов переменного тока обычно применяют компенсационную обмотку. Она позволяет существенно уменьшить переменную составляющую реактивной э. д. с. так как поток компенсационной обмотки направлен против потока якоря и вихревые токи воздействуют на них одинаково (эти потоки замыкаются по одной и той же магнитной цепи). Кроме того, компенсационная обмотка существенно снижает максимальное значение напряжения, действующего между соседними коллекторными пластинами, что повышает устойчивость двигателя против кругового огня.

Вопросы для самоподготовки

1. Каково назначение электрического генератора и как он работает?
2. Каково назначение электрического двигателя и как он работает?
3. В чем заключается принцип обратимости электрических машин?
4. Что называется коллектором и как он работает?
5. Какие существуют способы уменьшения пульсации тока и напряжения?
6. Из каких частей состоят электрические машины постоянного тока и для чего они предназначены?
7. Как осуществляется охлаждение электрических машин?
8. Каким образом соединяются отдельные проводники якоря в обмотку?
9. Какие существуют способы соединения между собой отдельных витков обмотки якоря?
10. Что представляют собой уравнительные соединения обмотки якоря?
11. В чем выражаются вредные последствия реакции якоря и как они устраняются?
12. Как протекает процесс коммутации?
13. Как влияет коммутация на работу электрической машины?
14. Какие существуют способы улучшения коммутации?
15. Как происходит работа машин постоянного тока при пульсирующем напряжении?
16. Какие существуют типы генераторов постоянного тока?
17. От чего зависит электродвижущая сила и напряжение генератора?
18. Что представляют собой характеристика холостого хода и внешняя характеристика генератора?
19. Как устроены генераторы с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением? Области их применения.
20. Какие существуют типы двигателей постоянного тока?
21. Как определяется вращающий момент и электродвижущая сила двигателя постоянного тока?
22. Как определяется скорость вращения двигателя постоянного тока и какими способами осуществляется регулирование скорости?
23. Как пускается в ход двигатель постоянного тока?
24. Что представляют собой двигатели с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением? Их пригодность для целей тяги.
25. Какие применяются способы управления электрическими двигателями на электрическом подвижном составе?
26. Какие потери мощности возникают в машинах постоянного тока и в результате чего она появляются?
27. Как изменяется коэффициент полезного действия в машинах постоянного тока при изменении нагрузки?
28. Чем определяется мощность, которую можно получить от электрической машины?
29. Что такое длительная и часовая мощности?