Принцип действия электрической машины основан на использовании электромагнитной индукции и взаимодействии проводника с током с магнитным полем. В электрической машине две основные части: неподвижная (главные полюсы с обмоткой возбуждения), по которой проходит ток и создает рабочий магнитный поток Ф, и подвижная (якорь с проводниками).

Простейшим генератором постоянного тока является виток 1 (рис. 2.1, а), закрепленный на оси, помещенный между полюсами N (северным) и S (южным), вращаемый посторонней силой. Концы витка соединены с двумя медными полукольцами 4, называемыми коллекторными пластинами, и через неподвижные щетки 2 и 3 — с внешней цепью (нагрузкой R). Пластины 4 жестко закреплены на валу машины, изолированы друг от друга и от вала, вращаются вместе с витком. При вращении стороны витка будут оказываться под полюсами разной полярности, то интенсивно пересекая магнитные силовые линии, то скользя по ним.

В витке будет наводиться переменная синусоидальная эдс. Ее направление, определенное по правилу правой руки, показано на рис. 2.1 точкой и крестиком. Щетки 2 и 3 установлены так, чтобы при вращении витка они переходили с одной пластины на другую в тот момент, когда стороны витка перемещаются вдоль силовых линий, и наведенная в нем ЭДС равна нулю.

В любой момент времени щетка 2 соприкасается с той пластиной и с тем проводником, который находится под южным полюсом, щетка 3 всегда соединяется с проводником, находящимся под северным полюсом. Направление эдс в витке меняется каждые полоборота. Однако на щетках оно неизменно, и во внешней цепи ток будет протекать через нагрузку R только в одном направлении. Таким образом, пластины 4 (коллектор) служат механическим выпрямителем для переменной эдс, индуктированной в витке 1.

На рис. 2.1, б приведена кривая напряжения на нагрузке R. выпрямленного с помощью коллектора. Хотя напряжение на щетках 2 и 3, а значит, и ток в цепи постоянны по направлению, их величины меняются, или, как говорят, пульсируют в широких пределах от нуля до максимума и снова до нуля. Напряжение подобной формы для потребителей непригодно.

Если на валу закрепить два витка под углом 90° один к другому и их концы соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то пульсация напряжения и тока во внешней цепи значительно уменьшатся. Кривая изменения эдс на щетках в данном случае показана на рис. 2.2. С увеличением числа витков и коллекторных пластин пульсация будет быстро уменьшаться, и при значительном числе витков и пластин напряжение и ток станут практически постоянными.

На рис. 2.3 приведена схема питания обмоток возбуждения генератора от постороннего источника тока (независимое возбуждение).

Обмотки возбуждения можно запитывать и током, снимаемым с собственных щеток (самовозбуждение машины).

Пусть якорь генератора, соединенный с приемником электрической энергии R, приводится во вращение первичным двигателем (при движении электропоезда на выбеге вал якоря вращает колесная пара). Тогда на проводники с током якорной обмотки, находящиеся в магнитном поле, будут действовать электромагнитные силы F.

Направленные против вращения, они создают на валу машины тормозной момент (колесная пара электропоезда в таком случае продолжает создавать вращающий момент, направленный встречно тормозному моменту). Машина работает в режиме генератора и превращает механическую энергию в электрическую. Ток нагрузки (ток якоря) определяют из следующего выражения:

где I — ток якоря (ток нагрузки) генератора;

Е — индуктированная в якоре эдс;

R_o — сопротивление обмоток якоря генератора;

R — сопротивление внешней цепи.

Отсюда следует, что

Е = I · R + I · R_o или Е = U + I · R_о, где I · R = U — напряжение, которое обеспечивает генератор во внешней цепи; I · R_о — напряжение, теряемое внутри генератора.

Таким образом, эдс генератора больше, чем напряжение сети U на величину падения напряжения I · R_о в его якорной обмотке. Тормозящие силы F будут действовать до тех пор, пока не остановят вращение якоря (точнее — до какой-то определенной минимальной частоты вращения).

Если после остановки якоря его обмотку и обмотку главных полюсов подключить к источнику тока (рис. 2.4), то в электрической машине будет протекать ток, направление которого противоположно направлению, рассмотренному выше. Электромагнитные силы, созданные взаимодействием этого тока с магнитным полем, создают вращающий момент М, под действием которого якорь начинает вращаться в том же направлении. Электрическая машина работает двигателем (на электропоезде она начала вращать колесную пару) и превращает электрическую энергию, поступающую из сети, в механическую.

При этом щеточно-коллекторный аппарат переключает проводники обмотки вращающегося якоря, чтобы при переходе из зоны северного полюса в зону южного в них каждый раз менялось бы направление тока для сохранения суммарного вращающего момента.

Во вращающейся обмотке якоря двигателя, как и в генераторе, возникает эдс Е, но теперь она не совпадает по направлению с напряжением сети и током, а направлена встречно. Ее величина определяется произведением постоянной С_Е, частоты вращения п и величины магнитного потока Ф:

где n — частота вращения якоря;

Ф — магнитный поток двигателя;

С_Е — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров двигателя.

В то же время эдс Е является разностью между приложенным к двигателю напряжением сети U и падением напряжения внутри двигателя IR_о:

где U — напряжение сети, приложенное к двигателю;

I— ток двигателя;

R_о — сопротивление обмоток двигателя;

Эдс двигателя Е количественно отличается от напряжения сети на величину падения напряжения IR_о, теряемого в его обмотках (аналогично такой же потере в генераторе). Из приведенных выражений можно вывести формулу для определения частоты вращения якоря двигателя:

где n — частота вращения якоря;

U — напряжение сети;

IR₀ — падение напряжения на обмотках двигателя;

Ф — магнитный поток;

С_Е — постоянная величина.

Поскольку сопротивления обмоток якоря и возбуждения очень малы (для тягового двигателя электропоезда ЭР2 они составляют примерны 0,4 Ом), падением напряжения IR_о внутри электрической машины можно пренебречь и считать, что эдс двигателя Е мало отличается от напряжения сети U, т.е. Е ≈ U. В подобном случае говорят, что эдс двигателя уравновешивает напряжение сети.

Ток двигателя зависит от частоты вращения (не частота вращения от тока!) и в любой момент времени автоматически устанавливается таким, чтобы обеспечить требуемый магнитный поток Ф и требуемую эдс Е, которая уравновесит напряжение сети.

Вырабатываемая двигателем эдс служит надежным защитным «буфером» для него, регулируя потребляемый ток и сохраняя тем самым «жизнь» двигателю.

Таким образом, если считать, что эдс двигателя приблизительно равна напряжению внешней сети (применительно к электропоезду—сумма эдс четырех тяговых двигателей моторного вагона), то с достаточной степенью точности можно утверждать: частота вращения якоря прямо пропорциональна напряжению на зажимах двигателя и обратно пропорциональна его магнитному потоку:

Увеличивая напряжение или уменьшая магнитный поток, повышают частоту вращения якоря.

Эдс появляется в якорной обмотке в тот момент, когда якорь начинает вращаться. С ростом скорости она увеличивается и надежно защищает двигатель.

Эдс направлена встречно внешнему напряжению U и току I (ее раньше называли противо-эдс). Чтобы ток протекал через обмотку якоря в прежнем направлении и двигатель продолжал нормально работать, развивая требуемый вращающий момент М, надо приложить внешнее напряжение U, большее по величине и направленное встречно эдс Е.

Напряжение U и эдс Е — это близкие по своей природе физические величины (измеряются в одних и тех же единицах — вольтах). Когда генератор отдает определенный ток в сеть, часть его общего напряжения тратится на внутреннее сопротивление самого генератора. Его эдс численно равна такому напряжению сети, которое давал бы генератор, если бы в нем самом не терялась часть напряжения. Таким образом, когда генератор нагружен, его напряжение меньше развиваемой им эдс на величину I · R_o, т.е. Е > U.

Эдс двигателя, наоборот, меньше напряжения сети на величину падения напряжения внутри него и Е < U.

Генератор — принципиально тот же двигатель, устроены они одинаково, поэтому говорят об обратимости электрических машин. Различие заключается во взаимном направлении эдс Е и тока I, вращения якоря и электромагнитного момента М. Любая электрическая машина в зависимости от внешних условий может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

В режиме двигателя напряжение сети и эдс направлены встречно друг другу и, поскольку напряжение превышает эдс, направление тока совпадает с направлением напряжения, момент М будет вращающим, т.е. совпадать с направлением вращения. В режиме генератора ток меняет свое направление (совпадает с направлением эдс). При этом изменится и направление электромагнитного момента М, который станет тормозным, т.е. направленным против вращения.

При возрастании нагрузки тягового двигателя увеличиваются его ток, вращающий момент и механическая энергия, которую он вынужден отдавать. Одновременно возрастает потребление электрической энергии из контактной сети. В случае работы генератором картина иная: чем больше нагрузка машины (т.е. ток якоря), тем больше создаваемый им тормозной момент.

Работа двигателя характеризуется взаимодействием не только электрических, но и механических параметров. Так, с одной стороны, на вал якоря действует электромагнитный момент двигателя, с другой, — момент сопротивления вращению, передаваемый от колесной пары через редуктор. Эти моменты должны быть уравновешены. При увеличении сопротивления движению (поезд идет на подъем) уменьшается частота вращения якоря, снижается эдс, увеличиваются ток и вращающий момент, чтобы справиться с нагрузкой. Вращающий момент будет повышаться до тех пор, пока не сравняется с моментом сопротивления движению, после этого установятся новые ток якоря и частота вращения, соответствующие изменившейся нагрузке. Вращающий момент возрастает за счет увеличения тока, который автоматически достигает такой величины, чтобы обеспечить требуемые магнитный поток и эдс Таким образом, эдс двигателя будет продолжать уравновешивать напряжение сети, несмотря на уменьшение частоты вращения.

Если внешнее сопротивление движению уменьшится (поезд на уклоне), увеличивается частота вращения якоря, уменьшается его ток и вращающий момент. Это продолжается до тех пор, пока вновь не наступит равенство вращающего момента и момента сопротивления.

Пуск двигателя. Если к неподвижному якорю тягового двигателя подвести полное напряжение контактной сети, его ток примерно в 10 раз превысит номинальное значение. При напряжении контактной сети 3000 В пусковой ток, например, для двигателя электропоезда ЭР2 составит:

где 4R₀— внутренне сопротивление четырех двигателей моторного вагона.

На такую величину тока не рассчитаны ни обмотка якоря, ни его коллектор и щетки — двигатель сгорит. Следовательно, в момент пуска напряжение на двигателе должно быть значительно ограничено. Для этого последовательно с якорем подключают дополнительное активное сопротивление. Резисторы, предназначенные для ограничения и регулирования пускового тока, называются пусковыми. Теперь пусковой ток будет равен

где R_п — сопротивление пусковых резисторов, равное 17,66 Ом;

4R₀ — внутреннее сопротивление четырех двигателей моторного вагона;

U — напряжение контактной сети.

Это вполне допустимое значение тока. На электропоездах ЭР2Т и ЭД2Т, где установлены более мощные двигатели, сопротивление обмоток равно 0,13 Ом, пусковых резисторов — 15,12 Ом. Пусковой ток составит примерно 187… 190 А.

Как только состав придет в движение и якоря начнут вращаться, в обмотках двигателей появится эдс, направленная встречно подведенному напряжению. Следовательно, ток двигателей будет определяться разностью между напряжением контактной сети и эдс двигателей, поделенной на общее сопротивление:

где U — напряжение контактной сети;

Е — эдс двигателя;

R_п — сопротивление пусковых резисторов;

4R₀ — сопротивление обмоток четырех двигателей.

По мере нарастания частоты вращения и увеличения эдс ток уменьшается, надобность в дополнительном сопротивлении (т.е. в пусковых резисторах) постепенно отпадает, и его ступенями уменьшают до нуля. После вывода резисторов ток двигателей моторного вагона определяется следующим выражением:

Если пусковые резисторы в цепи двигателей оставить постоянно включенными, то с уменьшением тока будет уменьшаться и сила тяги, разогнать электропоезд будет невозможно. Чтобы при пуске (разгоне поезда) сила тяги оставалась постоянной, необходимо поддерживать ток на определенном уровне — в этом вторая причина постепенного уменьшения введенного сопротивления. Плавный вывод пусковых резисторов практически сложен, поэтому их выводят ступенями. На электропоездах ЭР2Т и ЭД2Т имеется 13 реостатных ступеней, на позиции 14 вывод резисторов заканчивается, и двигатели оказываются включенными под полное напряжение контактной сети.

В момент трогания поезда почти все напряжение контактной сети прикладывается к пусковым резисторам. Падение напряжения на них подсчитывается по формуле

где U_R — падение напряжения на пусковых резисторах;

I — ток в силовой цепи;

R_п — сопротивление резисторов.

Для электропоезда ЭР2 при токе трогания 155 А и сопротивлении пусковых резисторов 17,66 Ом оно приблизительно составит 2750 В. Аналогично подсчитывают напряжение на каждом двигателе в момент трогания электропоезда:

где U_Д — напряжение на обмотках двигателя;

I — ток двигателя при трогании;

R_o — сопротивление обмоток двигателя.

Для электропоезда ЭР2 напряжение составит: U_д = (155… 157) х 0,416 ≈ 62. ..64 В.

Когда скорость электропоезда повысится, пусковые резисторы будут выведены, двигатели окажутся включенными под полное напряжение контактной сети. На каждый из них при последовательном соединении приходится 750 В, при параллельном — 1500 В.

На электропоездах ЭР2Т и ЭД2Т установлены более мощные тяговые двигатели с петлевыми обмотками. Сопротивление обмоток как и пусковых резисторов меньше. Поэтому в момент трогания значительно меньшим оказывается напряжение на коллекторе, а пусковой ток — больше. В процессе пуска напряжение на двигателях повышается до 750 В, ток — уменьшается.

Реверсирование двигателя. Реверсированием называют процесс изменения направления вращения якоря двигателя. Это происходит за счет изменения направления тока в обмотке возбуждения. Одновременно становятся противоположными полярность главных полюсов и направление вращающего момента. Можно реверсировать и саму обмотку якоря, что также приведет к изменению направления вращения. Однако целесообразнее переключать обмотку возбуждения, так как она находится под меньшим напряжением. Кроме того, переключающий аппарат можно выполнить с меньшими габаритами за счет более компактной изоляции. Одновременное переключение направления тока в обеих обмотках не приведет к изменению направления вращения якоря.

Переключающий аппарат, называемый реверсом, имеет два положения: «Вперед» и «Назад». В первом замкнуты его контакты В1 и В2 (рис. 2.5), а Н1 и Н2 разомкнуты, во втором замыкаются Н1 и Н2, а размыкаются В1 и В2.

Регулирование частоты вращения. Как отмечалось, для ограничения пускового тока в цепь обмоток якорей вводят сопротивление (пусковые резисторы). Причем, чем больше сопротивление, тем меньше частота вращения якоря. Постепенно выводя резисторы, увеличивают частоту вращения, т.е. скорость электропоезда.

Несмотря на то, что скорость действительно увеличивается, такой способ нельзя считать регулированием. Это — вынужденная мера, применяемая только при пуске, очень неэкономичная, так как связана с большим расходом электроэнергии из-за потерь на нагрев резисторов.

Согласно формуле n (U IК_o)/С_ЕФ частоту вращения регулируют изменением подводимого напряжения (электропоезда ЭР2) или изменением магнитного потока двигателей (электропоезда ЭР2, ЭР2Т,ЭД2Т).

На электропоездах ЭР2 применяют два соединения тяговых двигателей: последовательное и параллельное, при котором напряжение на двигателях повышается в два раза. На электропоездах с электрическим торможением тяговые двигатели имеют только последовательное соединение. Частота вращения якорей увеличивается за счет ослабления возбуждения.

Для этого параллельно обмоткам возбуждения подключают шунтирующую цепь, в которую входят контактор, индуктивный шунт и регулировочные резисторы (шесть ступеней). Поэтому через обмотки возбуждения будет протекать не весь якорный ток, а его часть. Другая часть тока будет протекать через регулировочные резисторы шунтирующей цепи.

Вначале вводится максимальное сопротивление, затем резисторы закорачивают, уменьшая сопротивление цепи и отводя больший ток с обмоток возбуждения в данную цепь. При этом значительно увеличивается ток в обмотках якорей, возрастают вращающий момент и, следовательно, скорость поезда. Такой способ раньше называли «ослаблением поля», теперь — «ослаблением возбуждения», что ближе к истине.

Оказывается, что при включении шунтирующей цепи магнитный поток обмоток возбуждения уменьшается всего на несколько процентов (остается приблизительно на том же уровне). Ток якоря увеличивается в гораздо большей степени. В результате достигается действительно ослабление возбуждения (а не поля), так как реализуется не весь возможный магнитный поток, а лишь часть его.

В момент перехода с полного возбуждения на ослабленное уменьшается величина магнитного потока главных полюсов и, поскольку скорость электропоезда еще не успела измениться, снизится и суммарная эдс. Это приведет к увеличению тока якорей, т.е. мощности, развиваемой тяговыми двигателями. Ток будет возрастать до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежней величины, т.е. пока не наступит равновесие между эдс якоря и приложенным напряжением контактной сети.

Поэтому ослабление возбуждения сопровождается увеличением тока якоря при сохранении величины магнитного потока. Возрастает сила тяги моторного вагона, а значит, скорость электропоезда. С ростом скорости ток двигателя и магнитный поток будут уменьшаться.

Степень ослабления возбуждения обычно выражают в процентах — это отношение тока возбуждения к току якоря. Так, для электропоезда ЭД2Т эти величины составляют: 43,4% — на втором положении контроллера машиниста; 28,1% — на третьем положении и 18,5% — на четвертом. На других сериях поездов эти величины близки к указанным.

Обмотка якоря. Обмотка якоря может быть волновой и петлевой. На ранее выпущенных электропоездах (например, на ЭР2) предпочтение отдавали волновой обмотке, на поездах с электрическим торможением, где установлены более мощные тяговые двигатели, рассчитанные на большие токи, применяют петлевую обмотку. Обмотка состоит из отдельных секций (катушек). Цилиндрическая поверхность сердечника якоря имеет продольные клиновидные пазы, в которые укладывают активные части проводников обмотки. Их лобовые части соединяют между собой и припаивают к коллекторным пластинам. Каждая секция состоит из нескольких последовательно соединенных витков и является многовитковой (на рис. 2.6 для упрощения показаны одновитковые секции).

В петлевой обмотке начало первой секции припаивают к одной коллекторной пластине, а ее конец и начало следующей секции — к соседней пластине и т.д., пока обмотка не замкнется, т.е. придут к первой секции. Такая секция (якорная катушка) имеет форму петли, откуда и получила свое название обмотка.

Через петлевую обмотку могут протекать значительно большие токи, чем через волновую, так как в четырехполюсной машине обмотка имеет четыре параллельные ветви (в случае волновой обмотки их всегда только две). На рис. 2.7, а графически изображена якорная обмотка. На рис. 2.7, б схематично показана петлевая обмотка четырехполюсной машины. Ток I_я из внешней цепи подходит к плюсовым щеткам, делится пополам, затем протекает по четырем параллельным ветвям и попадает на минусовые щетки. В волновой якорной обмотке ток I_я разделяется на две параллельные ветви (рис. 2.7, в).

Если цилиндрическую якорную обмотку мысленно развернуть в плоскость, то увидим, что расстояние между активными частями проводников каждой секции примерно равно расстоянию между осями полюсов. Активные части проводников одной секции находятся под полюсами разной полярности, направление тока в них противоположно. При вращении якоря наведенная в его проводниках эдс, а также вращающий момент суммируются.

В качестве примера на рис. 2.8 приведена упрощенная развертка цилиндрической поверхности якоря с петлевой обмоткой. Электрическая машина в данном случае имеет два полюса, шесть коллекторных пластин и шесть пазов в сердечнике якоря, в которые уложены активные стороны проводников (номера пластин и пазов обозначены цифрами). Если смотреть со стороны коллектора, то видно, что от пластины 1 провод по ближнему торцу якоря идет в паз 1, по дальнему торцу якоря попадает в паз 4 (показано штриховой линией) и, выходя оттуда, по ближнему торцу якоря присоединяется к коллекторной пластине 2. От второй коллекторной пластины провод попадает во второй паз и т.д. Проследив до конца ход обмотки, увидим, что она замыкается сама на себя и состоит в данном случае из шести одинаковых частей (секций), присоединенных к двум соседним коллекторным пластинам.

Отдельные секции петлевой и волновой обмоток показаны на рис. 2.9. Чтобы придать секции необходимую форму, ее изготавливают на специальном шаблоне, изолируют и укладывают в пазы сердечника якоря, припаивая к каждой коллекторной пластине два провода: конец предыдущей секции и начало следующей за ней секции. Описанный принцип устройства якорной обмотки сохранен во всех электрических машинах, независимо от числа полюсов, секций, параллельных ветвей и коллекторных пластин.

Реакция якоря. Рассмотрим двухполюсную электрическую машину (двигатель или генератор) в режиме холостого хода (ток в обмотке якоря отсутствует). В этом случае магнитный поток возбуждения, пронизывающий якорь, располагается симметрично относительно продольной оси полюсов. Поэтому магнитное поле называют продольным. Плоскость, перпендикулярная оси полюсов и проходящая через ось якоря, называется геометрической нейтралью.

При работе машины под нагрузкой через обмотку якоря проходит ток, который создает свое магнитное поле. Магнитный поток, созданный током якоря в двухполюсной машине, направлен вдоль поперечной оси машины, поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. Влияние двух взаимно перпендикулярных магнитных полей друг на друга — явление вредное и называется реакцией якоря. Перечислим ее основные нежелательные последствия.

Если в генераторе считать левый относительно направления вращения край северного полюса N набегающим на поверхность якоря, а правый — сбегающим, то можно заметить, что поперечный магнитный поток якоря размагничивает набегающий край полюса, а сбегающий — намагничивает. Перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре показано на рис. 2.10. Общий магнитный поток машины сдвигается по направлению вращения якоря, в ту же сторону смещается и нейтраль машины, называемая физической нейтралью.

В двигателе магнитное поле якоря смещает общий магнитный поток и физическую нейтраль в сторону, противоположную направлению вращения. Угол смещения нейтрали, очевидно, будет меняться в зависимости от величины нагрузки машины, т.е. от тока якоря. Это затрудняет правильную установку щеток (поскольку электрическая машина работает хорошо, без искрения, когда щетки установлены строго по нейтрали). Задача решается применением добавочных полюсов и компенсационной обмотки.

Другим отрицательным последствием реакции якоря является ее размагничивающее действие. Под одной половиной полюса поток якоря усиливает общий поток машины, а под другой ослабляет его. Но благодаря насыщению магнитной цепи электрической машины поток под одной половиной полюса увеличивается в меньшей степени, чем снижается поток под другой половиной. Поэтому результирующий поток уменьшается. Хотя его уменьшение невелико и составляет всего 1,..3%, это заметно сказывается на характеристиках и снижает эдс машины при нагрузке.

В воздушных зазорах под сбегающими краями главных полюсов реакция якоря вызывает резкий рост магнитной индукции, что является отрицательным свойством, условием для возникновения кругового огня на коллекторе (магнитная индукция характеризует интенсивность магнитного поля, т.е. его способность совершать работу).

Коммутация. Слово «коммутация» можно перевести как переключение. Обмотка якоря представляет собой замкнутую электрическую цепь, разделенную щетками на несколько параллельных ветвей. При вращении якоря каждая секция обмотки поочередно переходит из одной параллельной ветви в другую. Это сопровождается замыканием данной секции накоротко с последующим изменением направления тока в ней на противоположное. Переключение секций называется коммутацией, секции, замыкаемые накоротко в процессе коммутации, называют коммутируемыми секциями. В широком смысле под коммутацией понимают все процессы, протекающие между коллектором и щетками во время работы электрической машины. О ее качестве судят по искрению: если искрения нет, говорят, что коммутация хорошая, если искрение большое — плохая, так как интенсивное искрение может привести к круговому огню на коллекторе.

Чтобы понять, что происходит при изменении направления тока в секциях якорной обмотки, рассмотрим рис. 2.11, где упрощенно показана волновая обмотка, разделенная щетками на две параллельные ветви — левую и правую. Если, например, секция 1 находится в левой ветви и ток по ней проходит от начала Н к концу К, то при вращении коллектора секция перейдет в правую ветвь, и ток по ней уже пойдет от конца К к началу Н, т.е. в обратном направлении. Как видим, при вращении якоря секции обмотки, перемещаясь под разными полюсами, одна за другой непрерывно переключаются из одной параллельной ветви в другую (коллектор и щетки служат механическим выпрямителем). Поэтому эдс на щетках электрической машины, равная сумме эдс всех последовательно соединенных секций, будет неизменной по направлению.

Так как процесс коммутации очень сложен, то, не имея возможности здесь подробно объяснить это явление, попытаемся его представить в упрощенном виде (рис. 2.12). Возьмем ширину щетки равной ширине коллекторной пластины и допустим, что якорь вращается очень медленно, поэтому ток в коммутируемой секции меняется тоже медленно и эдс самоиндукции будет мала (ею можно пренебречь).

Коммутация конкретной секции начинается, когда щетка коснется коллекторных пластин, к которым подключена секция, и заканчивается, когда щетка отойдет с них. Допустим, в начале коммутации щетка соединена с пластиной 1, и ток якоря I_я протекает через правую и левую параллельные ветви (рис. 2.12, я), затем подходит к минусовой щетке и возвращается к источнику питания.

Рассмотрим следующий момент времени, когда при вращении коллектора щетка равномерно перекроет пластины 1 и 2 (рис. 2.12, б). Токи I_я/2 продолжают протекать по обеим параллельным ветвям, ток в коммутируемой секции 1 — 4, оказавшейся замкнутой накоротко, равен нулю. По мере схода пластины 1 со щетки при дальнейшем вращении ток в секции 1 — 4, сменив направление, начинает возрастать и достигает своего максимума. Процесс коммутации (изменения тока в секции) закончился (рис. 2.12, в), направление тока в проводниках 1 и 4 (см. рис. 2.12, я) изменилось на противоположное, секция 1—4 перешла из правой ветви в левую.

Поскольку время коммутации очень мало (как и сопротивление цепи секции, щеток, коллекторных пластин), ток в секциях изменяется с большой скоростью, а значит, меняется и магнитный поток. В результате в секции наводится эдс самоиндукции е_с, которая проявляет себя в создании тока самоиндукции довольно большой величины. Направление эдс самоиндукции определяется по правилу Ленца.

Так как в пазах сердечника якоря уложена не одна, а несколько секций, и щетка перекрывает несколько коллекторных пластин, изменяющиеся магнитные потоки охватывают соседние проводники, в которых наводится эдс взаимоиндукции е_в (трансформаторный эффект). Полная эдс, появляющаяся в коммутирующей секции, называется реактивной е_р и равна сумме эдс самоиндукции и взаимоиндукции:

Реактивная эдс вызывает в короткозамкнутой секции ток i_к — ток коммутации (на рис. 2.12, б он показан штриховой линией). Его направление под сбегающим краем щетки совпадает с направлением рабочего тока, а под набегающим будет противоположно ему. Это приводит к неравномерному распределению плотности тока под щеткой: под ее сбегающим краем плотность тока будет больше. По мере схода пластины 1 со щетки площадь их соприкосновения уменьшается, что также увеличивает плотность тока под сбегающим краем щетки. Через щетку перестает протекать весь увеличившийся ток (он начинает проходить, минуя контакт), между щеткой и пластиной образуется искровой разряд (см. рис. 2.12, б).

В момент, когда пластина 1 сходит со щетки (см. рис. 2.12, в), короткозамкнутая электрическая цепь секции 1 — 4 разрывается, в месте разрыва возникает дуга, в которой рассеивается запасенная электромагнитная энергия. Через тысячные доли секунды щетка теряет контакт со следующей пластиной, образует новую дугу и т.д.

Таким образом, процесс коммутации при соответствующих условиях может сопровождаться постоянным искрением, что ухудшает контакт между щетками и коллектором, выжигает медь пластин, изнашивает щетки и коллектор.

Чем больше мощность электрической машины, тем большая реактивная эдс наводится в коммутируемых секциях, тем тяжелее протекает коммутация. Интенсивное искрение зависит от скорости вращения коллектора и величины напряжения между соседними коллекторными пластинами (межламельное напряжение). Маленькие электрические дуги сливаются в мощную дугу, которая растягивается по коллектору и может замкнуться между щетками разной полярности (так называемый переброс дуги), и самое неблагоприятное, когда она попадает на заземленные части двигателя. Это может произойти при определенных условиях: ионизация окружающего воздуха, наличие угольной пыли между пластинами, при межламельном напряжении, превышающем 22…25 В и т.д.

На коммутацию вредно влияет и сдвиг физической нейтрали относительно геометрической под действием реакции якоря. Щетки обычно устанавливают под серединами главных полюсов, но так, чтобы замыкаемые ими пластины соединялись с секциями якорной обмотки, расположенными на геометрической нейтрали, где магнитная индукция равна нулю или очень мала (поэтому и наведенная в этих секциях эдс должна быть также мала).

Однако при нагрузке электрической машины физическая нейтраль сдвигается, и секции, расположенные на геометрической нейтрали, попадают в зону действия магнитного поля якоря. В них, как и в остальных секциях обмотки якоря, наводится эдс вращения, совпадающая по направлению с реактивной и ухудшающая коммутацию.

Чтобы улучшить коммутацию, стараются уменьшить реактивную эдс, компенсировать ее и эдс вращения при помощи внешнего дополнительного (коммутирующего) магнитного поля, уменьшить токи коммутации, увеличив сопротивление цепей коммутируемых секций.

Реактивную эдс снижают различными конструктивными мерами: уменьшают индуктивность секции, делая пазы якоря открытыми и неглубокими, уменьшают число витков секции. Ширина щетки также влияет на коммутацию: чем шире щетка, тем больше пластин она одновременно перекрывает и тем больше секций коммутируют одновременно. Практика показывает, что ширина щетки оптимальна, когда она перекрывает 3—4 пластины.

Правильным подбором щеток (с повышенным электрическим сопротивлением) также уменьшают токи коммутации, наводимые реактивной эдс. На тяговых двигателях устанавливают щетки ЭГ-2А и ЭГ-61А.                     ‘

Самая радикальная мера снижения тока коммутации — применение добавочных полюсов, которые расположены между главными полюсами на геометрической нейтрали, т.е. в тех местах, где находятся коммутируемые секции. Добавочные полюсы изготавливают небольшой ширины, чтобы их магнитный поток действовал бы только в узкой коммутационной зоне. Он направлен встречно магнитному потоку якоря, поэтому в коммутируемых секциях эдс вращения не создается. В то же время магнитный поток добавочных полюсов наводит в коммутируемых системах коммутационную эдс е_к, направленную встречно реактивной е_р. Если е_к численно равна е_р, то дополнительный ток секции (ток коммутации i_к) будет равен нулю.

Обмотки добавочных полюсов соединяют с обмоткой якоря последовательно, чтобы реактивная эдс была скомпенсирована при любой нагрузке машины (при изменяющемся токе якоря), причем магнитная цепь добавочных полюсов должна оставаться ненасыщенной. С этой целью между якорем и добавочным полюсом увеличивают воздушный зазор, сердечники полюсов выполняют сплошными из листовой стали, а для уменьшения магнитного потока рассеяния, который может вызвать насыщение добавочных полюсов, между ними и остовом двигателя устанавливают диамагнитные прокладки. Такими мерами добиваются, чтобы магнитное поле в зоне коммутации изменялось бы пропорционально изменениям тока якоря.

Искрение щеток может быть вызвано и другими причинами: резкими изменениями нагрузки, биением коллектора, его износом и выработкой, большой загрязненностью коллектора из-за попадания угольной пыли между пластинами, подгарами коллектора. Коллекторные пластины изнашиваются быстрее, чем миканитовая изоляция между ними. Поэтому если коллектор своевременно не обтачивать, миканитовые пластины могут выступать над поверхностью. Это нарушает процесс коммутации и может привести к круговому огню. Поэтому даже незначительное искрение всегда нежелательно, так как увеличивается износ щеток и коллектора, их нагрев из-за увеличения сопротивления между щеткой и коллектором.

Вероятность кругового огня возрастает в режиме ослабления возбуждения и при боксовании колесных пар. В первом случае к этому приводит значительно возросший ток двигателя, во втором — перераспределение напряжения между соседними двигателями: напряжение на боксующем двигателе резко увеличивается, возрастает разность потенциалов между коллекторными пластинами (межламельное напряжение). Следует помнить, что боксование всегда сопровождается круговым огнем на коллекторе с тяжелыми последствиями для двигателя.

Для визуальной оценки допустимой коммутации, согласно государственному стандарту, установлены пять степеней искрения на коллекторе (табл. 1).

Таблица 1 . Классификация искрения

Степень искрения	Характеристика	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения	—
1 ¼	Слабое искрение под небольшой частью щетки	Почернений на коллекторе и следов подгара на щетках нет
1 ½	Слабое искрение под большой частью щетки	Появление почернения на коллекторе и следов подгара на щетках, устраняемое протиранием бензином
2	Искрение под всей щеткой (допускается только при кратковременной перегрузке)	Появление следов почернения на коллекторе и нагара на щетках, не устраняемое протиранием бензином
3	Значительное искрение с крупными вылетающими искрами. Допускается только в моменты прямого включения или реверсирования, если при этом коллектор и щетки пригодны для дальнейшей работы	Большое почернение коллектора, не устраняемое протиранием бензином, подгар и частичное разрушение щеток

Степени 1,J  j ,Т S являются нормальными для длительной работы двигателя. Работа тяговых двигателей со степенями 2 и 3 недопустима, так как вызывает подгорания и нагары на поверхности коллектора и затем приводит к разрушению коллекторного узла.

Двигатель с последовательным возбуждением. Обмотку якоря и обмотку возбуждения можно соединять различными способами — последовательно или параллельно. Имеются также двигатели с питанием обмотки возбуждения от постороннего источника (независимое возбуждение), нашли применение машины со смешанным возбуждением. На электропоездах до настоящего времени устанавливают тяговые двигатели последовательного возбуждения. Почему же им отдано предпочтение?

Данные двигатели лучше в конструктивном отношении. В основном напряжение сети прикладывается к вращающей якорной обмотке, а на обмотку возбуждения приходится всего 5…6 % (заметим, что у двигателя с параллельным возбуждением напряжение на якоре равно напряжению на обмотке возбуждения). Так как обмотки главных полюсов находятся после якорных обмоток, т.е. под меньшим потенциалом, снижается вероятность пробоя катушек. При одинаковой электрической и механической прочности в них можно использовать более дешевую изоляцию и уменьшить габариты двигателя по сравнению с двигателем параллельного возбуждения.

При больших нагрузках и одном и том же токе двигатель с последовательным возбуждением развивает больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением, что особенно важно при частых троганиях электропоезда. Мощность такого двигателя автоматически регулируется в зависимости от нагрузки. При ее увеличении уменьшается частота вращения якоря, повышаются ток и вращающий момент. При снижении нагрузки возрастает частота вращения, уменьшаются ток и вращающий момент. Это благоприятно и для самого двигателя, так как его можно сделать менее мощным, и для системы энергоснабжения: чем равномернее нагрузка на линии, тем меньше амплитуды нагрузок на тяговых подстанциях и падение напряжения в контактной сети.

Исследования показывают, что неизбежные колебания напряжения контактной сети меньше отражаются на двигателе с последовательным возбуждением, чем на двигателе параллельного возбуждения. Так, при резком повышении напряжения сети бросок тока в двигателе с последовательным возбуждением, имеющем «мягкую» характеристику, значительно меньше, чем у двигателя параллельного возбуждения с «жесткой» характеристикой

Электрическое торможение. При торможении тяговые двигатели переводятся в генераторный режим, при котором они создают тормозной момент. Энергия, вырабатываемая генераторами, может возвращаться в контактную сеть (рекуперативное торможение) или гаситься на пускотормозных резисторах (реостатное торможение). На электропоездах цикл торможения состоит из двух этапов: с максимальной скорости до скоростей 50…45 км/ч действует рекуперативное или реостатное торможение с независимым возбуждением. Затем автоматически происходит переход на реостатное торможение с самовозбуждением и дальнейшее снижение скорости поезда.

Рекуперация возможна, когда сумма эдс четырех последовательно соединенных двигателей моторного вагона превышает напряжение контактной сети. Но если при этом напряжение сети станет более 4 кВ, схема перейдет в режим реостатного торможения при продолжающемся независимом возбуждении.

Тяговые двигатели с последовательным возбуждением нельзя перевести в режим рекуперации. Для этого потребовалось бы уменьшить нагрузку и миновать режим холостого хода, но тогда двигатель пошел бы «вразнос». Поэтому для рекуперативного торможения обмотки возбуждения тяговых двигателей отсоединяют от якорей и подключают к управляемому тиристорному выпрямителю (статическому преобразователю), на который воздействует система автоматического управления тормозами САУТ. Тяговые двигатели стали генераторами с независимым возбуждением. Статический преобразователь питается трехфазным напряжением переменного тока от постороннего источника (синхронного генератора), преобразует его в постоянный ток и запитывает обмотки возбуждения тяговых двигателей. В процессе уменьшения частоты вращения якорей (торможения поезда) автоматически повышается ток в обмотках возбуждения.

Торможение продолжается до достижения наибольшего тока возбуждения. После этого наступает переход на реостатное торможение с самовозбуждением. Обмотки возбуждения подсоединяются к якорям, и тяговые двигатели начинают работать как генераторы с последовательным возбуждением. Вырабатываемая ими электроэнергия превращается в тепловую в тормозных резисторах. В качестве последних используют те же резисторы, что и при пуске двигателей.

По мере уменьшения частоты вращения якорей двигателей при реостатном торможении с самовозбуждением будут снижаться вырабатываемые ими напряжение, ток и тормозной момент. Чтобы поддерживать тормозную силу на заданном уровне в процессе торможения, необходимо уменьшать сопротивление пускотормозных резисторов. До полной остановки применять реостатное торможение нельзя, потому что при малых частотах вращения резко уменьшаются эдс, ток и тормозной момент двигателя (генератора).

Реостатное торможение с самовозбуждением можно использовать и на высоких скоростях, так как в этом случае напряжение генераторов (тяговых двигателей) не зависит от напряжения контактной сети и может быть установлено таким, какое необходимо для получения требуемой тормозной силы. Если весь цикл торможения проводить в данном режиме, то значительно повысилась бы устойчивость схемы. Но необходимость возврата электроэнергии в сеть (рекуперация) существенно усложняет работу тормозной схемы.

Понятия об основных характеристиках тяговых двигателей. Иногда ошибочно считают, что, зная мощность двигателя, можно оценить его работоспособность. Однако этого недостаточно, поскольку двигатель работает в условиях резко меняющихся режимов. Для правильной эксплуатации важно иметь понятия об основных характеристиках электрической машины.

По рабочим характеристикам оценивают тяговые качества электропоезда. Как было сказано, частота вращения якоря двигателя п определяется следующим выражением:

где U — напряжение на зажимах двигателя;

I — ток двигателя;

_R0 — сопротивление обмоток двигателя;

Ф — магнитный поток;

С_Е — постоянная величина, зависящая от конструкции двигателя (числа пар полюсов, проводников и параллельных ветвей якорной обмотки).

Скоростная характеристика двигателя — зависимость его тока от частоты вращения, имеет форму гиперболы (на рис. 2.14 она показана жирной линией). К скоростной характеристике нередко обращаются, например, при анализе пусковой диаграммы. Это кривая, характеризующая работу двигателя при определенном напряжении, когда из его внешней цепи полностью выведены пусковые резисторы. Если ограничивающие резисторы ввести в цепь якоря, получим ряд кривых, похожих на основную гиперболу, но расположенных ниже ее (они показаны тонкими линиями). Причем, чем большее сопротивление введено в цепь двигателя, тем ниже располагается кривая. Характеристики режима ослабленного возбуждения находятся выше основной кривой (на рисунке показаны штриховыми линиями).

Вращающий момент двигателя описывает формула

Ф — магнитный поток;

На графике (рис. 2.14) видно, что чем больше ток якоря и магнитный поток двигателя, тем больше развиваемый им вращающий момент М. Как следует из графика, повышение частоты вращения сопровождается уменьшением тока и силы тяги (вращающего момента), снижение частоты вращения приводит к увеличению этих величин.

Зависимость частоты вращения от нагрузки на валу двигателя называют механической характеристикой. Ток нагрузки определяют как частное от деления разности между питающим напряжением и эдс двигателя Е на сопротивление двигателя:

Нагрузка, т.е. момент сопротивления вращению на валу тягового двигателя, постоянно меняется. На нее влияют масса электропоезда, профиль пути, ветер, все виды трения, частые остановки. В зависимости от момента сопротивления якорь будет вращаться с постоянной частотой, с ускорением или замедлением. С увеличением нагрузки на валу возрастает и потребляемая мощность. Одновременно возрастет ток, а частота вращения уменьшится. Характерная особенность работы двигателя с последовательным возбуждением в том, что его ток возбуждения равен току якоря. Поэтому его магнитный поток зависит от нагрузки. Уменьшение частоты вращения с ростом тока объясняется одновременным увеличением падения напряжения на внутреннем сопротивлении двигателя и повышением его магнитного потока.

После увеличения момента сопротивления на валу двигателя за счет роста тока и магнитного потока вращающий момент будет автоматически возрастать до тех пор, пока не наступит равенство этих моментов. Иными словами, каждой нагрузке соответствует своя частота вращения. Напомним, когда электрическая машина работает двигателем, она создает вращающий момент. При работе генератором и наличии тока нагрузки (тока в обмотке якоря) тот же самый момент становится тормозным.

Различия свойств исходных материалов и допуски на обработку при изготовлении тяговых двигателей приводят к несовпадению их рабочих характеристик. Характеристики двигателей, устанавливаемых на один моторный вагон, не должны отличаться более чем на ± 4 %. Несовпадение диаметров бандажей колесных пар одной тележки не должно превышать 8 мм, а на колесных парах разных тележек — 15 мм, поскольку при одной и той же скорости поезда при различной толщине бандажей двигатели будут вращаться с разной частотой. Кроме того, двигатели, связанные с колесными парами с новыми бандажами, будут более нагружены, чем те, что связаны изношенными бандажами. Это различие стараются устранить в депо при формировании колесно-моторных блоков: более быстроходные двигатели устанавливают на колесных парах с меньшими диаметрами бандажей и наоборот. На практике такое выравнивание ценно не только в режиме тяги, но и особенно в режимах электрического торможения.

В процессе работы часть электрической энергии, забираемая из контактной сети, рассеивается в виде тепла, так как двигатель нагревается из-за электрических, магнитных и механических потерь. Общие потери составляют примерно 8… 10 %, поэтому коэффициент полезного действия (кпд) двигателя будет равным 90…92%. Кпд характеризует экономичность двигателя и зависит от соотношения постоянных и переменных потерь в двигателе, которые меняются в зависимости от нагрузки. При малых нагрузках магнитные и механические потери велики, и кпд мал (рис. 2.15). С увеличением нагрузки возрастает полезная мощность и при некотором ее значении кпд становится максимальным, затем уменьшается. Благодаря конструктивным решениям зону максимального кпд можно смещать вправо или влево. Например, для тяговых двигателей электропоездов, работающих в условиях частых пусков с большими токами, выгоднее, чтобы максимальный кпд располагался в зоне больших токов.

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением. Такие генераторы наиболее распространены, потому что не требуют дополнительного источника тока для обмотки возбуждения. В качестве примера на рис. 2.16 приведена схема подсоединения генератора к цепи управления и аккумуляторной батарее на электропоезде ЭР2.

Обмотка возбуждения генератора с параллельным возбуждением подключена к зажимам якорной обмотки параллельно цепи нагрузки. Ток якоря равен сумме токов возбуждения I_в и нагрузки I_н: I_я = I_в + I_н. Причем ток возбуждения составляет не более 7% тока нагрузки: I_в = (1…7)% I_н.

Для возбуждения такого генератора требуется, чтобы магнитный поток, создаваемый током возбуждения, совпадал по направлению с остаточным магнитным потоком.

Тогда ток в обмотке возбуждения, созданный остаточным магнитным потоком, подмагничивает машину, вызывает нарастание магнитного потока генератора и увеличивает эдс в обмотке якоря. В свою очередь, это вновь повышает ток возбуждения, а значит, магнитный поток и эдс якоря. Нарастающий процесс самовозбуждения продолжается до тех пор, пока эдс генератора не станет равной падению напряжения в обмотке возбуждения: Е = I_в ·  R_в. Если генератор не возбуждается, можно кратковременно подать питание на его обмотку возбуждения от аккумуляторной батареи. (В общем случае меняют направление тока возбуждения, переключая выводы обмотки.)

Электронный блок БРЗГ, регулирующий ток в обмотке возбуждения, в зависимости от внешних условий (изменения напряжения в контактной сети или изменения нагрузки генератора, а также при зарядке сильно разряженной батареи) обеспечивает стабильное напряжение на щетках генератора.