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 чем же состоит сущность коммутационного процесса?

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 что сила тока в короткозамкну-той секции будет изменяться также очень медленно, можно считать, что э. д. с. самоиндукции ничтожно мала и ею можно пренебречь.

Рис. 70. Одновитковые секции обмотки якоря:

1 — 4 витки обмотки

Рассмотрим процессы, которые происходят в этом случае. Обмотка якоря двигателя (рис. 71, 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 1/2 через секцию Б идет в левую параллельную ветвь, половина 1/2 —- 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 (рис. 71, б), площадь ее соприкосновения с пластиной в начнет уменьшаться по мере вращения якоря. Тогда ток от щетки пойдет к щеткам бив. 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 (рис. 74, в), ток в секции Б будет равен половине тока 1/2, 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.

Время Т, в течение которого секция замкнута накоротко щеткой, называется периодом коммутации. Витки обмотки присоединены к коллекторным пластинам и к щетке подводится ток 1. Этот ток, пройдя через щетку в обмотку якоря, разветвляется в ней. Токи +1/2 и —1/2 (рис. 72) в параллельных цепях обмотки одинаковы по величине, но противоположны по направлению.

Как отмечалось выше, при вращении якоря коллекторные пластины перемещаются относительно неподвижных щеток и наступает момент, когда сопротивления площадей левой и правой половин щеточного контакта равны. Тогда ток, притекающий к щетке, делится поровну между пластинами 1 и 2. Таким образом,

за период коммутации Т ток в секции А\ меняется на величину 21/2 = 1. Однако с изменением тока в секции А\ изменяется и магнитный поток Фь, окружающий ее. Поэтому в ней наводится э. д. с. самоиндукции

е, = 2ф,/7" ^ 1/Т г~ п1, (14)

Рис. 72. Распределение токов в коммутационной секции

где п — частота вращения якоря.

Направление э. д. с. самоиндукции определяется правилом Ленца и оно таково, что препятствует изменению тока. Обычно в пазах якоря помещается не одна активная сторона секции, а несколько. Кроме того, щетка имеет такую ширину, что перекрывает сразу несколько коллекторных пластин, поэтому

процесс коммутации происходит не в одной секции, а в нескольких одновременно.

Магнитные потоки секции замыкаются через одни и те же соседние зубцы якоря и охватывают не только проводники, токами которых они созданы, но и соседние, лежащие в этих пазах. При этом каждый из потоков при своем изменении наводит как э. д. с. самоиндукции ех в стороне секции, током которой он создан, так и э. д. с. взаимоиндукции ем во всех остальных секциях. Полная э. д. с, появляющаяся в секциях обмотки якоря, называется реактивной э. д. с. ер и равна сумме э. д. с. самоиндукции и э. д. с. взаимоиндукции:

Э. д. с. коммутации ек, наводимая в короткозамкнутой секции магнитным потоком дополнительных полюсов, полностью компенсирует реактивную э. д. с. ер в той же секции, поэтому

<?р- ек = 0.

Однако вследствие насыщения магнитной цепи дополнительных полюсов обеспечить равенство между э. д. с. ек и <?р можно лишь для одного режима, например часового.

Разность <?р—ек гасится падением напряжения в переходном сопротивлении между щеткой и пластинами коллектора от тока I. Если переходное сопротивление щеток поглощает .разность этих э. д. с. при незначительных величинах добавочных токов коммутации, то плотность тока под щетками изменяется незначительно. Если же ток коммутации 1 заметно перегрузит какой-нибудь из краев щетки, то будет иметь место перегрев перегруженного края, что вызывает появление электрической дуги при сбегании щетки с пластины коллектора.

Через тысячные доли секунды щетка теряет контакт с другой пластиной коллектора, образуя новую дугу. Эти дуги воспринимаются нашим зрением как постоянное искрение под сбегающими краями щеток и могут вызвать ухудшение контакта между щетками и коллекторными пластинами в результате вытекания меди пластин и щеточного графита. Поэтому устанавливается пять степеней искрения, возникающего под щетками электрических машин. Степени искрения 1, 1'/4, 11 1г являются нормальными для длительной работы двигателя. Степень 2 допускается лишь при кратковременных перегрузках, так как может вызвать подгорание и нагар на поверхности коллектора.

Работа тягового двигателя со степенью искрения 3 недопустима, так как это приводит к разрушению коллекторного узла. Однако при резких изменениях нагрузки, при сильном биении коллектора, сильном его износе, подгаре и по другим причинам может возникнуть круговой огонь по коллектору (рис. 73, а), т. е. мощная электрическая дуга на коллекторе, которая перебрасывается не только на щетки другой полярности, но также и на заземленные части двигателя, что может вызвать очень серьезное повреждение.

Для тяговых машин опытным путем установлено, что для горения дуги достаточно 22—25 В. Следовательно, если дуга 1, возникшая под щетками, растянется до точки А, то она не погаснет, а будет гореть между коллекторными пластинами, так как напряжение относительно точки О по кривой 2 межсегментного напряжения равно 25 В. В результате вращения якоря пластины коллектора непрерывно перемещаются. На место ушедшей пары пластин в точку А попадает новая пара и т. д. И в каждом случае будет гореть дуга. Из этих небольших дуг над частью коллектора и образуется круговой огонь.

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, рис. 73,6), чем обеспечивается равномерное распределение напряжения между коллекторными пластинами. Однако наличие тока в обмотке якоря создает свое магнитное поле вокруг обмотки якоря, которое искажает

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

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).

При полной компенсации потока реакции якоря в зоне коммутации дополнительными полюсами результирующая индукция

вв = вв0 + вря. (16)

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.

Для улучшения процесса коммутации пользуются двумя основными способами. Самым распространенным способом является применение дополнительных полюсов, которые создают в коммутационной зоне магнитное поле, наводящее в коммутирующих секциях э. д. с. <?„, которая компенсирует реактивную э. д. с. ер. Катушки дополнительных полюсов включают последовательно в цепь якоря двигателя, что и способствует компенсации реактивной э. д. с. в любых режимах работы двигателя.

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 э. д. с. при перегрузках.

Другим способом улучшения коммутации является правильный выбор применяемых на тяговых двигателях щеток. Уменьшения тока, наводимого реактивной э. д. с, 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 э. д. с. 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.

Особенности работы тяговых двигателей в режиме электрического торможения. Наиболее распространены два вида торможения — реостатное и рекуперативное. При реостатном торможении тяговые электродвигатели работают независимо от контактной сети. Для перевода тягового двигателя в режим реостатного торможения двигатель отключают от контактной сети и подключают на тормозное сопротивление.

Обмотку возбуждения wB обычно реверсируют и включают последовательно с обмоткой якоря. Через сопротивление RT проходит ток 1т, вырабатываемый двигателем Д, работающим в режиме реостатного торможения. Э. д. с. тягового двигателя

£ = С,сФ. (17)

При этом режиме возможно применение как последовательного, так и параллельного возбуждения, но обычно сохраняется последовательное возбуждение, как и при двигательном режиме. Так как большие тормозные усилия и токи могут потребоваться на высоких скоростях, то при реостатном торможении возможно значительное повышение электродвижущей силы по сравнению с двигательным режимом.

При двигательном режиме свойства тягового двигателя определяются электротяговыми характеристиками; при тормозном режиме они определяются электротормозными характеристиками, т. е. зависимостями скорости от тока v = f\(I) и тормозной силы от тока Вк = 1г(/).

Для реостатного торможения скоростные характеристики для различных значений RT могут быть выражены уравнением

l(lr + RT) (т с,Ф ' v ;

Возможность значительного повышения э. д. с. при реостатном торможении вызывает необходимость ограничения напряжения на коллекторе двигателя в этом режиме, а следовательно, и ограничения среднего напряжения между коллекторными пластинами

1ukcp=1E£jL< 19-М7 В. ' (19)

Для перехода в режим торможения необходим поток остаточного магнетизма Ф ост, который имеется всегда в двигателях с массивным магнитопроводом.

Необходимо отметить, что до настоящего времени режим реостатного торможения применялся на отечественных электропоездах только постоянного тока.

Сейчас проводятся испытания схемы реостатного торможения на электропоездах переменного тока.

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 в объеме. ТР-1.

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 микани-товых 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 ниже указанной 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.

Конструкция тяговых двигателей | Электропоезда переменного тока | Общие сведения