Бесколлекторные тяговые двигатели

Около 8-10 лет назад масса поезда (весовая норма) ограничивалась условиями сцепления, т. е. достигнутым значением расчетного коэффициента сцепления. Поэтому не так остро ставился вопрос о существенном повышении силы тяги, а следовательно, и мощности тяговых двигателей электровозов. Исследования и опытная эксплуатация ряда новых устройств показали, что имеются большие возможности повышения расчетного коэффициента сцепления. Этого можно достичь, применив независимое возбуждение, а также осуществив автоматическое выравнивание нагрузок тяговых двигателей. О других возможностях повышения коэффициента сцепления будет рассказано ниже.

Но дальнейшее повышение мощности тяговых двигателей электровозов, необходимой для реализации более высокого расчетного коэффициента сцепления, осуществить все трудней. Этому препятствуют прежде всего размеры тягового двигателя: длина его ограничена расстоянием между бандажами колесных пар, диаметр - расстоянием между осью колесной пары и валом двигателя - централью Ц (см. рис. 3). До сих пор при наличии жестких габаритных ограничений размеров двигателей мощность их повышали путем применения более теплостойких изоляционных материалов, усиления охлаждения, увеличения числа пар полюсов, устройства компенсационной обмотки, выбора оптимального напряжения для тяговых двигателей электровозов переменного тока.

С повышением мощности все напряженнее работает коллекторно-щеточный узел. Его состоянием в значительной мере определяется продолжительность работы электровоза между осмотрами и ремонтами. Повышение мощности тяговых двигателей встречает все больше препятствий и не способствует увеличению их надежности и к. п. д. Поэтому вполне понятно стремление создать мощный бесколлекторный тяговый двигатель.

Электровозы с асинхронными тяговыми двигателями. На протяжении всей истории создания и совершенствования электровозов было много попыток использовать самый простой и дешевый асинхронный двигатель для целей тяги. До недавнего времени этого не удавалось сделать, так как частоту его вращения можно экономично регулировать только изменением частоты питающего тока. Применяемые ранее для этого электромашинные преобразователи были тяжелыми. Появление тиристоров открыло путь для создания легкого и надежного преобразователя частоты.

Устройство асинхронного двигателя, как уже отмечалось, несложно. Он имеет неподвижный статор и вращающийся ротор (рис. 75). Различают асинхронные двигатели: с короткозамкнутым ротором и с фазовым ротором. В качестве тяговых используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Сердечник такого ротора, как и статора, собирают из листов электротехнической стали. Обмотка ротора состоит из медных стержней, расположенных в пазах сердечника и замкнутых с торцов кольцами. Обмотка без сердечника ротора представляет собой так называемое "беличье колесо".

Рис. 75. Схема (а), статор (б) и ротор (в) асинхронного двигателя

В пазах статора уложены три обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 120°. Эти обмотки обычно соединяют звездой. При включении обмоток в трехфазную цепь по каждой из них проходит переменный ток и создается три переменных магнитных потока. Эти потоки, складываясь, образуют результирующий поток, вращающийся с частотой 3000 об/мин при одной паре полюсов на каждую фазу. Вращающийся магнитный поток статора двигателя, пересекая обмотку ротора, индуктирует в ней э. д. с. Под действием э. д. с. в обмотке ротора проходит ток, создающий собственный магнитный поток. Магнитные потоки статора и ротора взаимодействуют, в результате чего ротор начинает вращаться.

Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного потока статора, иначе силовые линии не пересекали бы обмотку ротора. Разность этих частот вращения называется скольжением. Увеличивая число пар полюсов, можно получить другие частоты вращения магнитного потока: 1500, 1000, 750 об/мин и т. д. Частота вращения ротора будет несколько меньше этих значений.

Обычно скольжение составляет 1-3% синхронной частоты. Следовательно, если изменять частоту питающего напряжения в широких пределах и тем самым синхронную частоту, вместе с ней будет изменяться и частота вращения ротора. Но, помимо частоты, необходимо регулировать и напряжение, подводимое к асинхронному двигателю для того, чтобы получить тяговую характеристику примерно такую, как при использовании двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.

Регулирование напряжения осуществляется, как и на отечественных электровозах переменного тока, переключением вторичной обмотки тягового трансформатора с помощью главного контроллера ГК (рис. 76) ступенями. Затем в выпрямительной установке В напряжение выпрямляется и подается на инвертор И. В выпрямителе осуществляется плавное регулирование напряжения, подводимого к инвертору И.

Рис. 76. Структурная схема электровоза с асинхронными двигателями

Отпирая и запирая тиристоры инверторной установки в определенной последовательности, получают трехфазное напряжение, которое подводится к обмотке статора асинхронного двигателя АД. Напомним, что к обычным асинхронным двигателям подводится переменное трехфазное напряжение, а следовательно, и ток, изменяющийся синусоидально. При этом каждая фаза сдвинута относительно другой на 120°, как показано на рис. 77. Для наглядности изменение напряжения каждой фазы показано на отдельных осях. При формировании трехфазного напряжения на электровозе с асинхронными двигателями переключаемые вентили инвертора создают напряжение ступенчатой формы в каждой фазе.

Рис. 77. Диаграмма фазных напряжений асинхронного тягового двигателя

Частота напряжения, подводимого к асинхронному двигателю, регулируется изменением частоты переключения этих вентилей.

В инверторе предусмотрено специальное устройство, надежно восстанавливающее управляющие свойства тиристоров при срыве инвертирования. Реверсирование тяговых двигателей осуществляют, переключая цепи управления тиристоров инвертора, так как для изменения направления вращения асинхронного двигателя достаточно поменять местами любые две подводимые фазы.

На основе разработок научно-исследовательских и учебных институтов на Новочеркасском электровозостроительном заводе построен электровоз переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями ВЛ80^а. Электровоз создан на базе восьмиосного электровоза ВЛ80^К. Мощность каждого тягового двигателя составляет 1200 кВт, т. е. в 1,5 раз больше, чем коллекторного двигателя электровоза ВЛ80^К.

Не исключена возможность создания тягового привода с асинхронным двигателем без редуктора. В этом случае ротор асинхронного двигателя монтируют непосредственно на оси колесной пары, а статор имеет разъемную форму.

Электровозы с вентильными синхронными двигателями. В качестве бесколлекторных тяговых двигателей на электровозе можно использовать синхронные двигатели со статическими (вентильными) преобразователями - так называемые вентильные двигатели.

Поясним принцип работы вентильного двигателя. На его статоре расположена трехфазная обмотка, а на роторе - обмотка возбуждения постоянного тока (рис. 78). Начало и конец обмотки возбуждения соединены с двумя кольцами, электрически изолированными одно от другого. Фазные обмотки статора соединены в звезду; начала их подключены к преобразователю - инвертору И (или источнику постоянного тока). Инвертор И питается от выпрямительной установки В, подключенной к вторичной обмотке тягового трансформатора. Если, например, в какой-либо момент времени открыты тиристоры А1 и Х2 инвертора, ток от выпрямителя В пройдет через тиристор А1, обмотки статора I и II, тиристор Х2, обмотку возбуждения ОВ и возвратится в выпрямительную установку. При указанном стрелками направлении тока в обмотках I, II и обмотке возбуждения результирующий магнитный поток статора, взаимодействуя с потоком обмотки возбуждения, создаст вращающий момент, и ротор повернется по часовой стрелке. Переключая в, определенном порядке выводы статорной обмотки, можно обеспечить непрерывное вращение ротора.

Рис. 78. Принципиальная схема вентильного двигателя

Таким образом, по принципу действия вентильный двигатель подобен машине постоянного тока, где коллектор заменен системой силовых управляемых вентилей инверторной установки. Но в отличие от двигателя постоянного тока вентильный двигатель имеет только три коммутируемых вывода при трехфазной обмотке вместо нескольких сотен коллекторных пластин. Кроме того, обмотка возбуждения в вентильном двигателе стала подвижной, а якорь неподвижным. Вентильная коммутация тока в обмотках допускает значительное напряжение между выводами: до нескольких тысяч вольт. Напомним, что обычный механический коллектор удовлетворительно работает при напряжении между коллекторными пластинами не более 30-32 В. Переключение выводов статорной обмотки в необходимой очередности и соответственно изменение положения ротора осуществляет система управления, имеющая специальный датчик положения ротора.

Вентильный двигатель является многофазной машиной, обмотка якоря которой питается от преобразователя, управляемого синхронно с вращением ротора, снабженного обмоткой возбуждения. Таким образом, вентильный двигатель состоит из электрической машины, вентильного преобразователя и связывающей их системы управления.

Новочеркасским электровозостроительным заводом первоначально был построен опытный образец восьмиосного грузового электровоза ВЛ80^В с вентильными тяговыми двигателями. После испытания его была выпущена небольшая партия подобных электровозов для эксплуатационных испытаний. Электровозы оборудованы системой автоматического управления, действующей в режимах тяги и электрического торможения. На электровозе применено независимое возбуждение вентильных двигателей от выпрямителей-возбудителей, изменяющих ток возбуждения пропорционально току обмотки якоря двигателя. Ротор двигателя имеет шесть полюсов, ток к обмотке возбуждения подводится через два кольца и щетки. Частота вращения двигателя регулируется изменением подводимого напряжения. Напряжение вторичной обмотки, а следовательно, и выпрямительной установки регулируется примерно так же, как и на электровозах переменного тока с коллекторными двигателями. Исключено только встречное включение регулируемой и нерегулируемой обмоток трансформатора и несколько повышено их напряжение. После того, как к двигателям будет подведено номинальное напряжение, дальнейшее увеличение скорости осуществляется регулированием магнитного потока возбуждения.

На электровозах ВЛ80^В применена схема выпрямления и преобразования тока, несколько отличающаяся от изображенной на рис. 78. На рис. 78 показаны отдельные выпрямительная В и инверторная И установки, т. е. приведена так называемая схема с явным звеном постоянного тока. На электровозе ВЛ80^В эти две установки совмещены в общем устройстве.