Общие сведения

Электрическая машина представляет собой электромеханический преобразователь, т.е. может преобразовывать механическую энергию в электрическую, работая в режиме генератора или наоборот, превращать электрическую энергию в механическую при двигательном режиме работы (рис. 10.1).

Любая электрическая машина может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме в зависимости от подводимой мощности. Выпускаемые промышленностью машины рассчитаны на конкретный тип работы, так как за счет специальной настройки элементов машины для заданного режима работы удается увеличить ее энергетические показатели.

В основе принципа действия генератора постоянного тока лежит закон действия электромагнитной индукции. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря электродвижущей силы (ЭДС):

е = ВЬ,

где В - величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; 1 - активная длина проводника, т.е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; V- скорость движения проводника.

Простейший генератор постоянного тока представляет собой виток, вращающийся в равномерном магнитном поле, создавае-

Рис. 10.1. Преобразование энергии в электрической машине мом электромагнитами. Для того чтобы увеличить е, индуктируемую в обмотке машины, используют множество проводников, которые одновременно перемещаются в магнитном поле и соединяются электрически в последовательную цепь. Эти проводники образуют первичную обмотку.

Принцип действия электродвигателей постоянного тока основан на законе взаимодействия магнитного поля с проводником, по которому проходит электрический ток. Если проводник, по которому проходит ток, поместить в магнитное поле, то на него будет действовать сила, величина которой пропорциональна току, проходящему через проводник, и густоте магнитного потока. Под действием силы проводник начнет перемещаться перпендикулярно магнитным силовым линиям.

При работе электрической машины без нагрузки (вхолостую), в ней существует только основной магнитный поток, создаваемый главными полюсами.

При нагрузке, когда по обмотке якоря проходит ток, вокруг проводников образуется магнитное поле, взаимодействующее с основным потоком. Поэтому магнитный поток, возникающий в машине при ее работе под нагрузкой, является результирующим потоком, полученным вследствие взаимодействия основного потока с потоком обмотки якоря. Воздействие потока, создаваемого проводниками обмотки якоря, на основной магнитный поток называется реакцией якоря. Реакция якоря сопровождается размагничиванием одного края полюса и подмагничиванием другого. На тяговых машинах для компенсации реакции якоря применяют дополнительные полюсы.

Основными частями электрических машин являются:

индуктор - неподвижная часть машины постоянного тока, где располагается обмотка возбуждения, создающая (возбуждающая) основное магнитное поле машины. В машинах переменного тока индуктором называют ротор вместе с обмоткой возбуждения (вращающаяся часть машины переменного тока);

якорь - вращающаяся часть машины постоянного тока, где располагается обмотка, в проводниках которой индуктируется ЭДС вращения. В машинах переменного тока якорем называют статор вместе с обмоткой (неподвижная часть машины переменного тока).

Обмотка якоря и обмотка возбуждения должны располагаться на взаимно перемещающихся частях машины.

Электрические машины подразделяют по роду используемого или вырабатываемого тока и принципу действия на машины постоянного тока, переменного тока и трансформаторы.

Машины постоянного тока обладают высокими показателями в области регулирования скорости, пусковых моментов и других динамических режимов. Однако они отличаются сложностью конструкции, особенно в части коллекторного узла и вызывают проблемы с обеспечением хорошей коммутации на коллекторе.

Машины переменного тока распространены наиболее широко, так как в большинстве стран переменный ток является основным родом тока на электропередачах. Конструкция машин этого типа проще: они либо не содержат перемещающихся электрических контактов, либо эти контакты совершаются между щеткой и гладким контактным кольцом.

Принцип действия машины переменного тока связан с образованием вращающегося магнитного поля. Это поле создается обмоткой якоря, и скорость его вращения определяется частотой сети и числом пар магнитных полюсов. Машины переменного тока принято разделять:

на синхронные машины, в которых ротор вращается с такой же скоростью и в том же направлении, как и вращающееся магнитное поле;

асинхронные машины, в которых ротор вращается со скоростью, отличной от скорости вращающегося магнитного поля;

коллекторные машины также вращаются не синхронно с магнитным полем, и в этом смысле они являются асинхронными машинами. Однако ввиду наличия у них коллектора и связанных с этим особенностей они выделяются в отдельный вид машин переменного тока.

Трансформаторы, строго говоря, не являются электромеханическими устройствами, так как преобразовывают электрическую энергию (мощность) одного напряжения или тока в электрическую мощность с другим напряжением и током. Однако принцип действия трансформаторов близок к принципу действия вращающихся электрических машин, так как основан на законе электромагнитной индукции, а основные соотношения, описывающие работу трансформатора, подобны соотношениям для вращающихся машин.

Помимо перечисленных электрических машин, существуют также электромашинные преобразователи рода тока, частоты изменения тока, числа фаз и т.д.

К тяговым электрическим машинам относятся электрические машины, предназначенные для работы на подвижном составе. По назначению их подразделяют на тяговые электродвигатели, приводящие во вращение движущие колесные пары; тяговые генераторы, питающие электроэнергией тяговые электродвигатели; вспомогательные машины, предназначенные для обеспечения вспомогательных нужд подвижного состава в виде двигателей, генераторов, преобразователей.

Тяговые электрические машины работают в сложных эксплуатационных условиях, которые учитываются при их конструировании.

1. Жесткое ограничение габаритных размеров тяговых машин. Габариты тяговых генераторов ограничены габаритами кузова, а габаритные размеры тяговых электродвигателей и передачи в осевом направлении ограничены внутренними гранями бандажей колесных пар. Поперечные габаритные размеры ограничены диаметром движущегося колеса и обязательными зазорами до головок рельсов и до рамы кузова.

2. Отрицательно сказываются на работе тяговых электрических машин динамические воздействия со стороны пути.

3. Тяговые электрические машины подвержены интенсивному загрязнению. В условиях эксплуатации практически невозможно исключить попадание загрязнений в виде пыли, капельной влаги и снега внутрь машины, особенно у тяговых электродвигателей, расположенных в непосредственной близости от пути.

4. Система охлаждения должна обеспечивать возможность работы тяговых электрических машин и аппаратов при температурах наружного воздуха от -50 до 40 °С (среднегодовая температура не выше 25 °С).

5. Напряжение на зажимах тягового генератора и электродвигателей в зависимости от условий работы изменяется в широком диапазоне, что влияет на их работоспособность.

6. Частота вращения якорей, как при нормальных условиях эксплуатации, так и при боксовании может изменяться в широких пределах.

7. Затраты мощности на работу системы должны быть минимально возможными и не превышать 4.5 % эффективной мощности дизелей тепловоза.

8. При совместной работе нескольких тяговых электродвигателей на локомотиве требуется, чтобы их характеристики были одинаковыми. Однако при изготовлении тяговых электродвигателей и их эксплуатации имеются расхождения в характеристиках, что вызывает неравномерность нагрузки двигателей, а это приводит к дополнительной перегрузке и превышению температуры нагрева отдельных двигателей.

9. Тяговые электромашины должны обладать высокой надежностью. При работе тяговых электродвигателей их отказы, угрожающие безопасности движения поездов, должны быть полностью исключены.

10. Тяговые машины должны обладать высокой экономичностью. Экономичность тяговых электродвигателей в эксплуатации определяется удельным расходом энергии на единицу поездной работы.

Для изготовления электрических машин используются конструктивные, активные и изоляционные материалы.

Конструктивные материалы применяются для изготовления деталей и частей машины, воспринимающих и передающих механические нагрузки (валы, станины, подшипниковые щиты и стояки, различные крепежные детали и т.д.). В качестве конструктивных материалов в электрических машинах используют сталь, чугун, цветные металлы и их сплавы, а также пластмассы.

Активные материалы предназначаются для изготовления активных частей машины (обмотки и сердечники магнитопроводов). Они подразделяются на: проводниковые материалы - электролитическая медь, рафинированный алюминий, а также медные и алюминиевые сплавы, свойства которых изменяются в широких пределах в зависимости от их состава; магнитные материалы - листовая электротехническая сталь, листовая конструкционная сталь, литая сталь и чугун.

Изоляционные материалы разделяют на твердые, жидкие (например, трансформаторное масло) и газообразные (например, воздух и водород, которые представляют собой по отношению к машине окружающую или охлаждающую среду и одновременно играют роль электрической изоляции). Твердые изоляционные материалы подразделяются на следующие группы:

естественные органические волокнистые материалы - хлопчатая бумага, материалы на основе древесной целлюлозы и шелк;

неорганические материалы - слюда, стекловолокно, асбест;

различные синтетические материалы в виде смол, пленок из листового материала и т.д.;

различные эмали, лаки и компаунды на основе природных и синтетических материалов.

Важнейшей характеристикой изоляционных материалов является их нагревостойкость, которая влияет на надежность работы и срок службы электрических машин. По нагревостойкости электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах и аппаратах, подразделяют на семь классов в соответствии с предельно допустимой температурой ?тах (табл. 10.1).

Важную роль в работе коллекторных электрических машин играют электрические щетки, которые подразделяются на две группы:

угольно-графитные, графитные и электро-графитированные - содержат сажу, измельченный природный графит, антрацит с каменноугольной смолой в качестве связующего;

металлографитные - содержат также металлы (медь, бронза, серебро).

Наиболее распространены щетки первой группы.

От класса щеток зависит характер коммутации, при которой рекомендуется их применение (табл. 10.2).

Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменения направления тока в них на противоположное. Во время коммутации Таблица 10.1

Класс изоляции

Г °С

Основные изоляционные материалы

Г

90

Не пропитанные жидкими диэлектриками и не погруженные в них волокнистые материалы из хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка, а также ряд синтетических полимеров (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и т.д.)

А

105

Волокнистые материалы из хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка, пропитанные жидкими электроизоляционными материалами или погруженные в них; изоляция эмальпроводов на основе масляных лаков (капрон); полиамидные пленки; бутилкаучуковые материалы; пропитанное дерево; а также лакоткани, ленты, электротехнический картон, гетинакс, текстолит и т.д.

Е

120

Изоляция эмальпроводов и электрическая изоляция на основе поливинилацеталевых, полиурета-новых, эпоксидных, полиэфирных (лавсан) смол и других синтетических материалов с аналогичной нагревостойкостью

В

135

Изоляционные материалы на основе неорганических диэлектриков (слюда, асбест, стекловолокно) и клеящих, пропиточных и покровных лаков и смол повышенной нагревостойкости органического происхождения; различные синтетические материалы с неорганическим заполнителем

155

Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна с применением органических лаков и смол модифицированных кремнейорганическими и другими смолами с высокой нагревостойкостью, или же с применением других синтетических смол соответствующей нагревостойкости

Н

180

Изоляция на основе слюды, стекловолокна и асбеста в сочетании с кремнийорганическими и другими нагревостойкими смолами (миканиты, слю-диниты, стекломиканиты, стекломикафолий, стек-ломикаленты, стеклослюдиниты, стеклолакоткани и стеклотекстолиты)

С

Более 180

Слюда, кварц, стекловолокно, стекло, фарфор и другие керамические материалы, применяемые без органических связующих или с неорганическими связующими

Таблица 10.2

Класс щеток

Марка

Характер коммутации, при котором рекомендуется применение щеток

Угольно-графитные

УГ4

Несколько затрудненная

Графитные

Г8

Нормальная

Электрографити-рованные

ЭГ4 ЭГ8

ЭГ12, ЭГ84

Нормальная Самая затрудненная Затрудненная

Медно-графитные

МГ2

Самая легкая

секции замыкаются накоротко щетками, через которые ток из якоря передается во внешнюю цепь или из внешней цепи в якорь. Явления в щеточном контакте, т.е. между щетками и коллекторными пластинами, оказывают большое влияние на коммутацию и на исправную работу машины.

Передача тока от щетки к коллектору и обратно может осуществляться через: непосредственный механический контакт между' щеткой и коллектором (зона непосредственного контакта); мельчайшие частицы медной и графитной пыли (зона пылевидного контакта); ионизированные воздушные щели между щеткой и коллектором (зона ионной проводимости).

Перечисленные разнородные зоны проводимости невелики по размерам, перемежаются друг с другом и перемещаются по контактной поверхности щетки.

С практической точки зрения важно, чтобы коммутация происходила без значительного искрения у контактных поверхностей щеток, так как сильное искрение портит поверхность коллектора и щеток и делает длительную работу машины невозможной.

Причины искрения под щетками можно подразделить на механические, связанные с нарушением контакта между щетками и коллектором, и электромагнитные, связанные с характером протекания электромагнитных процессов в коммутируемых секциях.

В табл. 10.3 приведены некоторые возможные причины искрения под щетками и способы их устранения.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, т.е. под тем краем, из-под которого пластины коллектора выходят при своем вращении.

Сведения о степени искрения даны в табл. 10.4.

Таблица 10.3

Окончание табл. 10.3

Степени искрения 1, 1^, 1^ допускаются при любых режи-

4 2

мах работы электрической машины. Класс коммутации 2 допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки.

Таблица 10.4

Степень искрения 3 допускается только для момента прямого включения (без реостатных включений) или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы.

В случае несоблюдения условий эксплуатации, неудовлетворительного ухода, а также низкого качества ремонта электрических машин возможны повреждения их деталей.

Таблица 10.5

Продолжение табл. 10.5

Окончание табл. 10.5

Неисправности происходят и по причине естественного износа отдельных узлов, таких, как обмотка якоря, коллектор и др. В табл. 10.5 приведены наиболее характерные неисправности электрических машин и способы их устранения.

⇐ | Приводы вентиляторов | | Устройство и ремонт тепловозов | | Тяговые электродвигатели | ⇒