Введение. Назначение электрических машин

1.

ТЕМА 1 «ВВЕДЕНИЕ»

2. НАЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Электрические машины
предназначены
для
преобразования электрической
энергии
в
механическую
(вращательную).
Некоторые машины обладают принципом обратимости – генерирования
электрической энергии из
механической.

3. ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

Принцип электрического двигателя основан на
взаимодействии проводника с током, помещенного
в магнитное поле.

4. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДВИГАТЕЛЯ

Двигатель постоянного тока имеет:
1. Остов (техническое название корпуса)
2. Якорь
3. Коллектор
4. Щеточный аппарат
5. Подшипниковый щит

5. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДВИГАТЕЛЯ

Двигатель переменного тока имеет:
1. Статор (корпус)
2.Ротор
3.Подшипниковый щит

6. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Исходя из условий эксплуатации электровозов к
тяговым двигателям предъявляются следующие
требования:
- тяговый момент должен регулироваться в широких
пределах;
- мощность, потребляемая двигателем, постоянна;
- надежность и простота конструкции;
- возможность регулирования скорости вращения ТД в
широких пределах;
- автоматический переход из тягового в тормозной
режимы и обратно;

7. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

наилучшее
соответствие
требованиям получаются у
двигателей постоянного тока с
последовательным
возбуждением,
за
исключением
автоматического перехода из
тягового в тормозной:

8. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

наилучшее
соответствие
требованиям получаются у
двигателей постоянного тока с
последовательным
возбуждением:
- широкий предел регулирования
тягового момента;
ΔМ

9. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

наилучшее
соответствие
требованиям получаются у
двигателей постоянного тока с
последовательным
возбуждением:
- широкий предел регулирования
тягового момента;
- широкий предел регулирования
скорости;
ΔV

10. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

наилучшее соответствие требованиям
получаются
у
двигателей постоянного тока с
последовательным
возбуждением:
- широкий предел регулирования
тягового момента;
- широкий предел регулирования
скорости;
- постоянство
мощности,
потребляемой электровозом;
M1*V1 = M2 * V2
М1
V1
М1
V2

11. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

наилучшее
соответствие
требованиям получаются у
двигателей постоянного тока с
последовательным
возбуждением;
Однако есть и недостатки:
- мягкость характеристик сказывается
на
наличии
режима
разносного боксования;
скачках напряжения
появляются скачки силы тяги и
резкие колебания скорости;
-
при
ΔV

12. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Двигатели последовательного возбуждения применялись на
всех видах подвижного состава, выпускаемого до 2007 года.

13. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Δn
ΔI
Двигатели независимого возбуждения:
- имеют жесткие характеристики,
которые
трудно
регулируемые (малая величина
изменения тягового момента М
и скорости n);
Преимущества
- возможность автоматического
перехода из тягового в тормозной режим и обратно;
- отсутствие разносного боксования;

14. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Δn
ΔI
Для
исключения
вышеперечисленных недостатков ТД
последовательного возбуждения с 2007 года в электровозе
2ЭС6к внедрили ТД смешанного
возбуждения,
заменив
контактную
систему
регулирования на электронноуправляемую (МСУЛ).

15. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ И ТЯГОВОГО МОМЕНТА

Система последовательного
возбуждения
Система смешанного возбуждения
В двигателях последовательного возбуждения регулирование скорости можно осуществлять:
-изменением напряжения на ТД;
- изменением
магнитного
потока.
В
двигателях
смешанного
возбуждения
регулирование
скорости можно осуществлять:
- изменением напряжения на
ТД;
- изменением магнитного потока
основной и дополнительной
обмотки (ток обмотки).

16. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ И ТЯГОВОГО МОМЕНТА

Система последовательного
возбуждения
Uд=Uкс/4
Uд=Uкс/2
В двигателях последовательного возбуждения регулирование скорости можно осуществлять:
- изменением напряжения
на ТД;
В виду отсутствия в прошлом
электронных систем регулирования
напряжения
на
существующих
сериях
электровозов
используется
различные режимы соединения
ТД.

17. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ И ТЯГОВОГО МОМЕНТА

Система последовательного
возбуждения
Uд=Uкс- Iд*Rп
Rп
В двигателях последовательного
возбуждения
регулирование
скорости можно осуществлять:
- изменением напряжения на
ТД;
Второй способ – это включение в
цепь ТД дополнительного пускового сопротивления.
Способ
регулирования
позволяющий получить несколько
позиций (ВЛ11 до 20 позиций),
однако по времени постоянное
использование пускового сопротивления
невозможно
(из-за
нагрева).

18. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ И ТЯГОВОГО МОМЕНТА

Система последовательного
возбуждения
Uд=Uкс- Iд*Rп
Rп
В двигателях последовательного
возбуждения
регулирование
скорости можно осуществлять:
- изменением напряжения на
ТД;
Второй способ – это включение в
цепь
ТД
дополнительного
пускового сопротивления.
Способ
регулирования
позволяющий получить несколько
позиций (ВЛ11 до 20 позиций),
однако по времени постоянное
использование пускового сопротивления невозможно по нагреву.

19. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ И ТЯГОВОГО МОМЕНТА

Система последовательного
возбуждения
В двигателях последовательного
возбуждения
регулирование
скорости можно осуществлять:
-изменением напряжения на ТД;
- изменением
магнитного
потока.
Однако данный способ позволяет
регулировать
скорость
движения только в маленьких
пределах,
т.к.
сила
тока
возбуждения создает основной
магнитный поток от величины
которого зависит тяговый момент.

20. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Мощность тягового режима
Часовой режим (развиваемая в кратковременом режиме в течении
1 часа без перегрева двигателя)
Длительный режим (развиваемая в длительном режиме без
перегрева)

21.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Мощность тормозного режима
Рекуперативного режима (возвращаемая в контактную сеть);
реостатного режима.

22. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Скорость движения
Часовая скорость электровоза с составом на затяжном подъеме 9
0/
00, развиваемая в течении часа без нагрева электрических цепей
электровоза.
Длительного режима

23. ПОНЯТИЕ О РЕАКЦИИ ЯКОРЯ

24. Вредные последствия реакции якоря

Затрудняет работу электрических машин так называемая
реакция якоря. Проходящий по
проводникам обмотки якоря ток
создает
вокруг
каждого
проводника магнитный поток
(направление силовых линий
определяется
по
правилу
буравчика). Магнитные потоки
отдельных проводников обмотки якоря, складываясь, образуют общий магнитный поток
якоря,
направленный
перпендикулярно к оси полюсов.

25. Вредные последствия реакции якоря

26. Вредные последствия реакции якоря

Поток якоря, накладываясь
на магнитный поток обмотки
возбуждения, искажает его
под полюсами двигателя:
усиливает с одной стороны и
ослабляет с другой. Воздействие магнитного потока
якоря на магнитный поток
возбуждения
называют
реакцией якоря. Чем больше
нагрузка
двигателя,
тем
сильнее действие реакции
якоря.

27. Вредные последствия реакции якоря

В тяговых двигателях для
этого устанавливают дополнительные полюса.
Магнитный
поток,
создаваемый ими, должен
быть направлен так, чтобы
в коммутируемых секциях
при их перемещении наводилась ЭДС, равная реактивной и направленная
навстречу ей.

28. Вредные последствия реакции якоря

Реакция
якоря
ослабляет
магнитный поток возбуждения с
одной стороны полюса и усиливает его с другой. В витках
якоря, пересекающих область,
где магнитный поток возбуждения усилен, возникает повышенная ЭДС.
В результате возрастает напряжение между соседними коллекторными пластинами т.н.
межламельное напряжение.

29. Вредные последствия реакции якоря

Это напряжение увеличивается
также при перегрузках мощных
тяговых
двигателей,
когда
особенно сильно сказывается
реакция якоря. В таких условиях
между коллекторными пластинами может возникнуть круговой
огонь — мощная электрическая
дуга, замыкающая накоротко
обмотку якоря или большую
часть
ее.
Круговой
огонь
вызывает тяжелые повреждения
двигателя.

30. Вредные последствия реакции якоря

Другие способы уменьшения
реакции якоря:
- увеличение воздушного зазора
между якорем и полюсами до
оптимальной величины (в ТД
ВЛ11 зазор 4.5 мм под главными
полюсами, а под дополнительными полюсами – 7 мм).
- применение специальной формы воздушного зазора или
формы сердечника главных полюсов, затрудняющих проникновение магнитного потока якоря
в сердечники главных полюсов.

31. Вредные последствия реакции якоря

Во
всех
двигателях
электровозов постоянного тока
в т.ч. На электровозах ВЛ10,
ВЛ11
и
2ЭС6
применяют
компенсационную обмотку.

32. Вредные последствия реакции якоря

Эту
обмотку
соединяют
последовательно с обмоткой
якоря так, чтобы создаваемый
компенсационной
обмоткой
поток был направлен встречно
по отношению к потоку реакции
якоря. Этот поток устраняет
искажение потока под главными
полюсами.

33. ПОНЯТИЕ О КОММУТАЦИИ

34. Коммутация в тяговых двигателях

В процессе вращения якоря
двигателя витки его обмотки
поочередно
переходят
из
области
взаимодействия
с
северным полюсом в область
взаимодействия с южным, а
затем снова с северным и т. д.
При переходе витка из одной
области в другую ток в нем
уменьшается до нуля (происходит
как бы отключение цепи), а затем
возрастает
(включение)
до
прежнего значения, но изменив
направление на противоположное.

35. Коммутация в тяговых двигателях

Изменение соединений в электрических цепях (включение, отключение и переключение их частей),
осуществляемое
с
помощью
различных аппаратов — коммутаторов, называется коммутацией (от
латинского слова — изменение,
перемена).
В
электрических
машинах
постоянного
тока
коммутатором служит коллектор.
Максимальная частота изменения
направления тока в секции обмотки
якоря очень велика и составляет в
зависимости от типа двигателя 13—
15 тысяч переключений в минуту.

36. Коммутация в тяговых двигателях

Известно, что в электрической цепи
при изменении тока возникает Э.Д.С.
самоиндукции.
Появление
ее
объясняется тем, что магнитное
поле, создаваемое электрическим
током, проходящим по проводнику,
изменяется
одновременно
с
изменением тока. Изменяющееся
магнитное
поле
приводит
к
возникновению в проводнике э. д. с.
самоиндукции,
направление
которой таково, что она препятствует
изменению тока, вызывающему ее,
т.
е.
стремится
поддержать
первоначальный ток.

37. Коммутация в тяговых двигателях

Если ток уменьшается, то э.д.с.
самоиндукции задерживает его
снижение
и,
наоборот,
при
увеличении тока задерживает его
рост.
При коммутации витка обмотки
якоря в момент, когда щетка сходит с
коллекторной пластины, с которой
электрически соединен коммутирующий виток, цепь размыкается и
возникающая ЭДС самоиндукции
стремится поддерживать прекращающийся ток.

38. Коммутация в тяговых двигателях

Другой
причиной
ухудшения
коммутации является ЭДС взаимной
индукции. Как уже было отмечено,
щетка перекрывает не одну, а
несколько пластин коллектора, т. е. в
процессе коммутации участвуют
несколько
соседних
витков
одновременно;
поэтому
с
изменением тока в коммутируемых
витках переменные магнитные поля
наводят
не
только
ЭДС
самоиндукции
в
собственных
проводниках, но и в соседних.

39. Коммутация в тяговых двигателях

Процесс коммутации в ТД последовательного возбуждения

40. Коммутация в тяговых двигателях

Классы коммутации
Оцениваются по степени искрения под щетками
«1» - «темная коммутация» - искрения под щеткой нет
«1 1/4» - искрение под незначительной частью щетки
«1 1/2» - искрение под большей частью щетки
«2» - искрение под всей щеткой
«3» - искрение под всей щеткой, из-под щетки вылетают
крупные искры
«2» и «3»- недопустимые классы, так как могут привести к круговому огню

41. Коммутация в тяговых двигателях

Искрение на коллекторе возникает из-за
добавочного тока коммутации. Необходимо уменьшить реактивную ЭДС и
увеличить сопротивление коммутируемой секции.
Для уменьшения реактивной ЭДС:
• уменьшают глубину паза в якоре и число витков в секции ОЯ
(уменьшается индуктивность секции обмотки якоря)
• уменьшают ширину щетки (уменьшается взаимная индуктивность
коммутируемых секций ОЯ)
• уменьшают реакцию якоря применением компенсационной обмотки
• в зоне коммутации создают дополнительное магнитное поле,
уменьшающее реактивную ЭДС, при помощи добавочных полюсов

42. Коммутация в тяговых двигателях

Искрение на коллекторе возникает из-за
добавочного тока коммутации. Необходимо уменьшить реактивную ЭДС и
увеличить сопротивление коммутируемой секции.
Для увеличения сопротивления коммутируемой секции:
• применяют графитовые щетки (они к тому же обладают невысоким
коэффициентом трения с медью)
• наличие политуры (оксидной пленки) на поверхности коллектора
способствует увеличению сопротивления в цепи добавочного тока
коммутации (образуется в процессе притирки щеток).

43. Потенциальные условия на коллекторе

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ НА
КОЛЛЕКТОРЕ

44. Потенциальные условия на коллекторе

круговой огонь – это мощная
электрическая дуга, возникающая
на коллекторе при соответствующих условиях механического и
электрического характера.
Эти причины вызывают искрение,
переходящее в дуговой разряд, а
потом и в круговой огонь.

45. Потенциальные условия на коллекторе

Большое значение для обеспечения надежной коммутации двигателей имеет выбор напряжения
между соседними коллекторными
пластинами. Коммутация двигателей протекает без искрения при
напряжении между ними, не превышающем 30—32 В. Более высокое напряжение способно пробить воздушный промежуток, и
тогда в момент разрыва контакта
между щетками и сбегающими с
них коллекторными пластинами
возникает искрение.

46. Потенциальные условия на коллекторе

Данное явление приводит :
- потери силы тяги (часть обмотки не работает);
- возникает ток короткого замыкания,
который
перегревает
обмотки и оставляет «ожоги» на
поверхности коллектора;
-в
конечном
итоге
может
привести к возгоранию тягового
двигателя.

47. Потенциальные условия на коллекторе

Причины механического характера:
- неправильно
настроенная
коммутация или неправильно
настроенная траверса;
- заволакивание
межламельного пространства медью коллекторных пластин из-за неправильно снятых фасок, затрудняющих выдувание щеточной пыли;

48. Потенциальные условия на коллекторе

Причины механического характера:
- грязный
коллектор, корпус
изоляционный,
изоляторы
кронштейнов, выступание миканитовых
пластин
выше
медных;
- перекос или тугое перемещение щеток из-за неправильно
выполненных зазоров;
- неправильно отрегулированное давление на щетки, непритёртые щетки к коллектору;
- биение коллектора или его
выработка;

49. Потенциальные условия на коллекторе

Причины электрического характера:
- увеличение
межламельного
напряжения при боксовании
или
превышения
рабочего
напряжения при рекуперации
(как правильно превышение Iв
над Iя в 2.3 раза в режиме СП,
более 4 раз - П);
- увеличение реакции якоря,
приводящее к перераспределению межламельного напряжения;

50. Потенциальные условия на коллекторе

Для предотвращения возникновения кругового огня необходимо
правильно настраивать коммутацию ТД (нейтраль на щеточном
аппарате) и исключить появление
перенапряжения путем:
- правильное
содержание
коллекторно-щеточного
узла
тягового двигателя;
- правильная эксплуатация ТД (не
допускание
перегрузки,
превышение соотношения Iя/Iв

51. Классы изоляции электрических машин

В электрических машинах применяется изоляционные
материалы с разными классами температурного нагрева:
Класс
Максимальная температура,
ОС
Класс B
130
Класс F
155
Класс H
180
Класс C
Свыше 180
Класс изоляции предусматривает сохранение электрических свойств
материала при кратковременной работе при указанных температурах.