Особенности двигателей пульсирующего тока

В заключение главы о тяговых двигателях отметим одно важное обстоятельство. Описание устройства двигателя в главе было общим для электровозов постоянного и переменного тока, так как большинство их узлов конструктивно выполнено одинаково.

Однако надо помнить об особенностях выпрямленного тока, питающего тяговые двигатели. После выпрямления на тяговых подстанциях он почти не имеет пульсаций, т. е. практически является постоянным (сглаженным) в отличие от тока, выпрямленного установками электровозов переменного тока. Здесь ток не постоянный, а пульсирующий. (Об этом более подробно будет рассказано в главе V).

Поэтому различают тяговые двигатели постоянного тока и пульсирующего тока. Конструктивными особенностями двигателей пульсирующего тока, как уже было отмечено, является наличие шихтованных вставок в остове и шихтованных дополнительных полюсов, большее число пар полюсов и наличие компенсационной обмотки.

Может возникнуть вопрос: а нельзя ли питать коллекторный тяговый двигатель переменным током? Вообще говоря, если обычный тяговый двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением подключить к источнику переменного тока, то его якорь вращаться будет. Но при этом возникнут значительные потери в массивных частях двигателя, которые все время будут перемагничиваться и тем чаще, чем выше частота переменного тока.

Кроме того, при прохождении переменного тока по обмоткам возбуждения и якоря в них будет индуктироваться э. д. с. самоиндукции, что вызовет неодновременность изменения подводимого напряжения и проходящего тока. Между изменениями тока и напряжения появится, как говорят, сдвиг фаз. Это значит, что напряжение и ток будут неодновременно достигать максимального и минимального значений, неодновременно изменять свое направление. В результате этого, часть электрической энергии в определенные периоды будет запасаться в обмотках двигателя, а затем в другие периоды возвращаться обратно в питающую цепь. При таком "перекачивании" энергии из сети в двигатель и из двигателя в сеть никакой полезной работы не совершается, наоборот, бесполезно загружаются электрические станции, линии передачи. В результате много энергии расходуется на нагревание проводов.

Кроме того, при питании переменным током резко ухудшается коммутация коллекторного двигателя и под щетками возникает недопустимое искрение. Это объясняется тем, что в коммутируемых секциях, кроме реактивной э. д. с., о которой уже шла речь, наводится еще трансформаторная э. д. с.

Трансформаторная э. д. с. возникает под действием пронизывающего коммутируемые секции переменного магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения. Для того чтобы снизить трансформаторную э. д. с., уменьшают число витков в секции, снижают магнитный поток возбуждения, увеличивая число полюсов, а также повышая частоту питающего тока.

Усилия ученых многих стран были направлены на создание надежного тягового двигателя переменного тока промышленной частоты, не имеющего указанных недостатков.

Электровозы с тяговыми двигателями, у которых остов так же, как и якорь, собран из отдельных листов стали с 16 полюсами и специальными обмотками, эксплуатируются на некоторых дорогах за рубежом. Однако такие двигатели очень сложны в изготовлении и эксплуатации и необходимо их дальнейшее совершенствование.

Значительно проще решается вопрос, если понизить частоту питающего тока. В этом случае коллекторный тяговый двигатель переменного тока по своим качествам приближается к тяговому двигателю постоянного тока. Резко улучшаются условия коммутации. В то же время сохраняется основное преимущество переменного тока - возможность его трансформации.

За границей сравнительно широко применяется электрическая тяга на однофазном переменном токе пониженной частоты (16²/₃ и 25 Гц). Главный ее недостаток, как уже отмечалось, необходимость сооружения специальных электростанций для питания железных дорог током пониженной частоты или сложных тяговых подстанций, оборудованных устройствами для понижения частоты тока.

Использование выпрямительных установок на электровозах переменного тока сняло проблему разработки коллекторных тяговых двигателей переменного тока промышленной частоты.

Появление управляемых полупроводников открыло широкие возможности для создания легких и надежных преобразователей и тем самым позволило поставить вопрос об использовании асинхронных или вентильных двигателей для целей тяги.

Заканчивая рассказ об устройстве тягового двигателя, отметим, что коллекторные двигатели большой мощности представляют собой сложнейшее сочетание тысяч отдельных элементов (достаточно вспомнить хотя бы конструкцию коллектора). Подавляющая часть этих элементов должна быть изолирована друг от друга материалами, не обладающими абсолютной жесткостью. В то же время вся совокупность элементов двигателя должна противостоять всевозможным колебаниям и сотрясениям. Конструирование тяговых двигателей связано со значительными трудностями.

При напряжении в контактной сети 3000 В тяговые двигатели всегда выполняют на половинное напряжение и соединяют постоянно по два последовательно.