Устройство тягового генератора переменного тока

Реферат Устройство тягового генератора переменного тока ТЯГОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА На современных магистральных тепловозах многих стран мира применяют преимущественно тяговые генераторы переменного тока, которые преобразуют механическую энергию дизеля в переменный ток.

Переменным называют ток, который, в отличие от постоянного, каждое мгновение изменяет свое значение и периодически — направление. Промежуток времени, в течение которого совершается полный цикл изменений величины электродвижущей силы (э.д.с.) Е и силы тока I, называется периодом Т.

Как известно, все электростанции России вырабатывают переменный ток стандартной частоты 50 Гц. Это означает, что за одну секунду происходит 50 полных циклов изменения параметров тока стандартной частоты.

Переменный ток имеет заметные преимущества перед постоянным: его легко трансформировать (менять напряжение) с помощью простейших устройств — неподвижных трансформаторов. Электрические машины переменного тока более надежны в эксплуатации и дешевле при изготовлении.

Принцип получения переменного тока. Простейшим генератором переменного тока (. 52) является рамка (виток) 1 из медной проволоки, которая вращается под действием внешнего момента Ме в магнитном поле Ф, создаваемом постоянными магнитами С и Ю. В принципах работы генераторов переменного и постоянного токов много общего. При пересечении рамкой 1 магнитных силовых линий в ней, в соответствии с законом Фарадея, индуктируется э.д. с. Е, направление которой определяется правилом правой руки. При протекании по рамке 1 тока на проводники П начинают действовать электромагнитные силы, величина которых определяется законом Ампера, а направление действия — правилом левой руки.

Схема устройства простейшего генератора переменного тока: 1 — рамка (виток); 2 — контактные кольца; 3 — щетки; С, Ю — постоянные магниты; Д — двигатель При указанном направлении тока согласно правилу левой руки на проводник П, расположенный под южным полюсом Ю, будет действовать сила, направленная влево, а на проводник, расположенный под северным полюсом, — действие силы направлено вправо. Эти две силы создают так называемый электромагнитный момент М, действие которого направлено в сторону, противоположную направлению вращения рамки, т. е. по часовой стрелке.

Таким образом, для обеспечения нормальной работы электрической машины переменного тока в генераторном режиме величина внешнего момента, например, момента на валу дизеля Ме, должна превосходить величину электромагнитного момента М, т. е. для генератора всегда имеет место неравенство Ме > М.

При вращении рамки каждые ½ оборота ее проводники П меняются местами и находятся под полюсами обратной полярности, в результате чего в рамке индуктируется э.д.с. Е и ток I, периодически изменяющие направление. Наибольшие значения величины Е и I достигают дважды за каждый оборот рамки в те моменты, когда виток (рамка) находится в вертикальном положении относительно действия магнитного потока Ф, а его активные проводники П пересекают наибольшее количество магнитных силовых линий. Именно в этом положении показан виток 1.

При дальнейшем повороте рамки против часовой стрелки э.д.с. Е и ток I по синусоиде плавно уменьшаются, и когда виток занимает горизонтальное положение в магнитном поле, ее проводники П как бы скользят вдоль магнитных силовых линий и в них не индуктируется э.д.с., т. е. I = 0. После поворота рамки на 180° ее проводники П поменяются местами и, в соответствии с правилом правой руки, в каждом из них э.д.с. и ток изменят свое направление. Дальнейшие изменения этих величин будут происходить по синусоиде.

Принципиальным конструктивным отличием простейшего генератора переменного тока является то, что концы каждого из проводников П рамки соединены с двумя контактными кольцами 2, которые вращаются вместе с рамкой 1. По поверхности контактных колец 2 скользят неподвижные щетки 3, соединяющие рамку с помощью замкнутой электрической цепи с потребителем энергии — лампочкой сопротивлением Rл. Следовательно, в генераторе переменного тока, в отличие от машины постоянного тока, отпала необходимость в коллекторе, и он заменен контактными кольцами 2.

Частота переменного тока f, вырабатываемая генератором, прямо пропорциональна частоте вращения его якоря n и числу пар полюсов 2р его магнитной системы, т. е. f = 2рn. Чем быстрее вращается коленчатый вал дизеля и, соответственно, якорь тягового генератора, тем больше частота f переменного тока.

Как отмечалось ранее, в генераторах большой мощности вместо постоянных магнитов используются полюсы с катушками (обмотками) возбуждения. Электрическая мощность, потребляемая обмотками возбуждения электрических машин, невелика и составляет чуть больше 1% номинальной мощности генератора. Поэтому тяговые генераторы тепловозов устроены не так, как простейший генератор переменного тока: у них вращаются обмотки возбуждения, а обмотки, в которых индуктируется э.д.с., размещают на неподвижной станине.

Напомним, что одним из основных условий индуктирования э.д.с. в любом генераторе является пересечение проводниками П магнитных силовых линий. При этом абсолютно не принципиально, что вращаются проводники (витки) или полюса с обмотками возбуждения.

Такое устройство генератора переменного тока с вращающимися обмотками возбуждения позволяет существенно упростить конструкцию и повысить надежность работы щеточного аппарата, а также уменьшить размеры (и массу) контактных колец, так как значения силы тока и напряжения примерно в 100 раз меньше по сравнению с коллекторно-щеточным узлом генератора постоянного тока при одинаковой мощности электрических машин.

И еще одно важное обстоятельство: раз преобразование механической энергии в электрическую происходит в неподвижной части тягового генератора, то внешнюю электрическую цепь, соединяющую тяговый генератор с потребителем энергии (например, ТЭД), можно просто закрепить на станине генератора с помощью контактных болтов. При этом надо учитывать, что по силовой (внешней) электрической цепи передачи тепловоза передаются большие (в тысячи киловатт) электрические мощности. Как следствие, успешно решаются проблемы искрения в силовой цепи и самой электрической машине и повышается надежность передачи в целом.

Схема магнитной цепи генератора переменного тока показана на. 53. На внутренней поверхности статора 1 (неподвижной части машины) по окружности в пазах 3 расположены проводники 2, каждая пара которых образует виток. Принципиальным является то обстоятельство, что витки по отношению друг к другу расположены на одинаковом расстоянии по окружности внутренней поверхности статора 1, т. е. под постоянным углом б. У генераторов переменного тока виток принято называть фазой.

В реальных тепловозных генераторах в каждую фазу включают несколько витков, которые размещают в соседних пазах статора. Например, у тягового генератора типа ГС-501А тепловоза 2ТЭ116 в одной фазе имеются 12 витков, размещенных в 24 пазах, при общем числе пазов статора 144. Таким образом, тяговый генератор ГС-501А имеет как бы шесть фаз. Начало фазы в электротехнике, в соответствии с принятыми стандартами, принято обозначать заглавными буквами начала латинского алфавита (А, В, С…), а конец фазы — заглавными буквами окончания того же алфавита (X, Y, Z), соответственно.

Схема магнитной цепи трехфазного генератора переменного тока: 1 — статор; 2 — активные проводники обмотки статора; 3 — пазы статора; 4 — вал ротора; 5 — ротор; 6 — обмотка возбуждения; 7 — щетки; 8 — контактные кольца Схема трехфазного генератора переменного тока (такие используются в промышленности) с фазами А-Х, В-Y, С-Z, оси которых сдвинуты одна относительно другой на угол б = 120° (360°: 3). Направления токов в обмотках фаз генератора обозначены точками (к нам) и крестиками (от нас).

Надо отметить, что любая из фазных обмоток генератора трехфазного тока является самостоятельным источником электрической энергии, к которому в принципе можно подключить отдельный потребитель электрической энергии. На практике фазовые обмотки генераторов переменного тока соединяют между собой по схемам «звезда» или «треугольник». В тяговых генераторах тепловозов обычно используют схему соединения фаз «звезда», когда концы X, Y, Z. его трех обмоток соединяют в общий узел.

На валу 4 генератора переменного тока, соединенном посредством муфты с источником механической энергии (например, валом дизеля), прикреплен ротор 5, выполненный в виде сердечника полюса с обмоткой возбуждения 6. В реальных конструкциях тяговых генераторов тепловозов число таких вращающихся полюсов несколько и они объединены в ротор. Концы обмотки возбуждения подключены к вращающимся контактным кольцам 8, к которым прижаты неподвижные щетки 7. Ток возбуждения IВ (постоянный ток) от источника электрической энергии через щетки 7 и кольца 8 поступает в обмотки возбуждения, в результате в магнитной системе генератора создается вращающееся магнитное поле Ф.

При вращении ротора и наличии постоянного тока возбуждения в обмотке возбуждения, силовые линии вращающегося магнитного потока Ф будут пересекать неподвижные витки (фазы) обмоток, размещенных в пазах статора. В последних будут индуктироваться синусоидальные переменные э.д.с. Е одной и той же частоты f, но сдвинутые по фазе на 120°. При этом магнитная индукция В магнитного поля распределяется вдоль окружности внутренней поверхности статора и ротора по закону, близкому к синусоидальному. Направление действия магнитного потока по магнитной цепи трехфазного генератора переменного тока на. 53 показано стрелками.

Заметим, что ротор тепловозных тяговых генераторов обычно состоит из 12 полюсов (шесть пар полюсов), причем, каждый со своими обмотками возбуждения. Тем самым на тепловозе обеспечивается получение переменного тока заданной частоты f и уменьшение пульсации выпрямленного напряжения. Например, для тепловозов с дизелями типа Д49, имеющими частоту вращения коленчатого вала на номинальном режиме работы nе = 1000 об/мин, частота переменного тока, вырабатываемого генератором, равна f = 1000· 6/60 = 100 Гц.

Особенности устройства синхронного тягового генератора. Рассмотрим особенности устройства синхронного тягового генератора ГС-501А (. 54), установленного на тепловозе 2ТЭ116. Отметим, что синхронными генераторами обычно называют машины переменного тока, обеспечивающие преобразование механической энергии в электрическую при постоянной частоте вращения вала ротора. Как отмечалось ранее, одним из свойств тепловозного дизеля является следующее: при постоянной цикловой подаче топлива в цилиндры его коленчатый вал вращается с постоянной частотой nе, что обеспечивает синхронный привод ротора генератора.

Синхронный тяговый генератор ГС-501А переменного тока: 1 — вал ротора; 2 — подшипник ротора; 3 — контактные кольца; 4 — щеткодержатель со щеткой; 5 — корпус ротора; 6 — магнитопровод ротора; 7 — подшипниковый щит; 8 — станина статора; 9 — сердечник полюса статора; 10 — обмотка статора; 11 — воздухоприемный патрубок; 12 —фланец синхронный тяговый генератор ток Станина статора 8 имеет форму цилиндра, изготовлена сваркой из стального листа. На станине 8 закреплен сердечник 9 с пазами, собранный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В пазы сердечника 9 уложена двухслойная обмотка 10 статора, выполненная из медного провода сечением 2,1×9,3 мм². Необходимо подчеркнуть, что тяговый генератор тепловоза 2ТЭ116 имеет на статоре две независимые трехфазные обмотки. Увеличение числа трехфазных обмоток позволяет существенно снизить величину пульсации напряжения электрического тока после его выпрямления в специальных выпрямительных установках ВУ. К фазам подключена внешняя цепь генератора (выпрямительная установка и тяговые электродвигатели). Как отмечалось выше, сердечник статора имеет 144 паза и 120 вентиляционных отверстий, предназначенных для охлаждения генератора.

Стальной цилиндрический корпус 5 ротора с помощью фланца 12 с одной стороны соединяется с коленчатым валом дизеля тепловоза. Другая сторона корпуса 5 ротора с помощью прессовой посадки соединена с валом 1 ротора, который, в свою очередь, вращается в сферическом подшипнике 2. Со стороны подшипника 2 на корпусе ротора смонтированы контактные кольца 3 и щетки 4 размером 25×32×64 мм, которые, в свою очередь, установлены в щеткодержателях.

На корпусе 5 ротора также располагается магнитопровод 6 ротора, выполненный из листовой стали. Сердечники полюсов, которые крепятся к магнитопроводу 6, набраны из отдельных листов электротехнической стали толщиной 1,4 мм. Все эти листы стянуты с помощью нажимных шайб, шпилек и гаек.

Катушки возбуждения, размещенные на сердечниках полюсов вращающегося ротора, выполнены из шинной меди сечением 1,35×25 мм2. Все катушки возбуждения соединены последовательно и подключены к контактным кольцам 3. Электрический ток (ток возбуждения) подводится к кольцам тягового генератора ГС-501А с помощью щеток 4 от отдельного источника постоянного тока (генератора — возбудителя ВС650В).

В генераторе ГС-501А применена независимая осевая система охлаждения воздухом, который подается в воздухоприемный патрубок 11 генератора. Охлаждающий воздух забирается снаружи тепловоза 2ТЭ116 через воздушные фильтры, установленные с боков его кузова. Расход охлаждающего воздуха — 4,45 м3/с при напоре 1,5 кПа.

Можно отметить, что тяговые генераторы переменного тока отечественных тепловозов имеют примерно одинаковую конструкцию. С ростом секционной мощности современных магистральных тепловозов для уменьшения весогабаритных показателей их передач (переменно-постоянного тока) стали применяться так называемые тяговые агрегаты, которые включают в себя синхронный тяговый генератор СГ и синхронные генераторы собственных нужд тепловоза (ГСН) мощностью 630 — 810 кВт. На тепловозе ТЭП75 генератор ГСН называется генератором энергоснабжения и предназначен для энергоснабжения (в том числе отопления) пассажирских вагонов поезда. Генераторы собственных нужд тепловоза обеспечивают питание независимой обмотки возбуждения тягового генератора, привод вспомогательных машин, устройств автоматики и выполняют другие функции.

Основные технические данные тяговых генераторов и тяговых агрегатов отечественных тепловозов приведены в таблице.

Характетики тяговых генераторов. Различают следующие характетики тепловозных тяговых генераторов постоянного и переменного тока: внешняя, частичные, регулировочные, тепловые и аэродинамические. Последние определяют расход охлаждающего воздуха через обмотки тягового генератора. По тепловым характетикам — зависимостям температур обмоток тяговой электрической машины от силы тока Ir нагрузки — можно судить о ее надежности и сроке службы. Увеличение силы тока Ir и, соответственно, температур обмоток Г или СГ ускоряет старение электроизоляционных материалов.

Основные технические данные тяговых генераторов тепловозов

На отечественных тепловозах с электрическими передачами применяют три класса изоляции, для каждого из них установлен определенный уровень температур, разовое превышение которых даже на 5 0 °C приводит к сокращению срока службы изоляции обмоток машины в два раза.

Внешняя и частичные характеристики тягового генератора тепловоза Основной характеристикой тягового генератора является его внешняя характеристика — это графическая зависимость напряжения Ur от силы тока нагрузки Ir, т. е. Ur = f (Ir) для максимальной позиции рукоятки контроллера машиниста ПК.

Для полного использования мощности дизеля во всем скоростном диапазоне работы тепловоза наилучшей формой внешней характеристики тягового генератора постоянного и переменного тока является кривая, называемая в математике гиперболой. Для формирования заданных тяговых свойств тепловоза применяют специальные системы регулирования как тяговых генераторов, так и тяговых электродвигателей.

К сожалению, генераторы постоянного и переменного тока с любой системой возбуждения не имеют такой естественной внешней характеристики, как приведенная на Поэтому гиперболическую характеристику (точнее, близкую к гиперболе) тягового генератора и, соответственно, заданные тяговые свойства тепловоза получают путем применения независимой обмотки возбуждения и достаточно сложных систем автоматического регулирования возбуждения.

Как уже отмечалось выше, якорь или ротор тягового генератора через муфту жестко соединен с коленчатым валом дизеля. При установившемся режиме работы дизеля и постоянном положении органа подачи топлива система автоматического регулирования возбуждения должна поддерживать постоянство мощности Pr тягового генератора постоянного тока. Данное условие можно выразить в виде следующего равенства Рr = 10−3· Ur·Ir = const, кВт где Ur — напряжение тягового генератора, В;

Ir — сила тока тягового генератора, А.

Для тепловозов с передачей переменно-постоянного тока система автоматического регулирования возбуждения должна обеспечивать постоянство произведения выпрямленного тока Ir и напряжения Ur на зажимах выпрямительной установки ВУ, т. е. Ur· Ir = const.

Отметим, что ток нагрузки Ir зависит (при ПК = const) от скорости движения, точнее, от трудности профиля пути, по которому тепловоз ведет поезд. Представим себе, что при движении поезда на крутом подъеме возросли силы сопротивления, и его скорость заметно снизилась, при этом величина тока нагрузки Ir тягового генератора тепловоза увеличилась, например, в два раза. Так как выражение Ur· Ir = const представляет собой уравнение гиперболы, то система автоматического регулирования возбуждения должна обеспечить уменьшение напряжения Ur также в два раза.

В условиях эксплуатации часто не требуется полное использование мощности дизеля, например, при движении тепловоза с поездом по легкому профилю пути, резервом (без вагонов) и др. Уменьшение мощности дизеля осуществляется с помощью рукоятки контроллера машиниста. Каждой позиции рукоятки контроллера машиниста ПК (обычно их 8 на маневровых и 15 на магистральных тепловозах) соответствуют цикловая подача топлива gе и фиксированная частота вращения вала дизеля nе. Каждой фиксированной частоте вращения nе соответствует определенная мощность, при которой кпд дизеля будет максимальным. Поэтому система возбуждения тягового генератора Г должна обеспечивать и при частичных нагрузках поддержание постоянства мощности генератора на уровнях, соответствующих экономичным режимам работы дизель-генераторной установки.

В качестве примера показано семейство частичных характеристик Ur = f (Ir) тягового генератора для следующих позиций рукоятки контроллера машиниста: ПК1, ПК5, ПК10, ПК14. Регуляторными характеристиками тягового генератора называют зависимость тока возбуждения от тока нагрузки Ir.

Итак, подведем первый итог: звеном, обеспечивающим гиперболическое изменение напряжения Ur относительно величины Ir на зажимах тягового генератора постоянного тока или выпрямительной установки, является система автоматического регулирования возбуждения.

Внешняя характеристика (кривая а-б-в-г на. 55) тягового генератора имеет ограничения по максимальному току Irmax (линия а-б) и напряжению Urmax (линия в-г). В период трогания с места и разгона тепловоза его тяговые электродвигатели работают в режиме максимальных токов и минимальных напряжений. Этот же режим характерен для работы тягового генератора — при разгоне тепловоза мощность его тягового генератора определяется следующим равенством Рr = 10−3· Urmin·Irmax. Таким образом, на отрезке а-б внешней характеристики тягового генератора развивается наибольшая электромагнитная сила, создаваемая на якоре ТЭД Ртэд = 3,6· се·Ф·Iтэдmax — ДF

где ДF — механические и магнитные потери в тяговом электродвигателе, Н;

се — магнитная постоянная электрической машины.

При трогании с места и разгоне тепловоза значения электромагнитной силы Fтэд, создаваемой на якоре ТЭД, и, соответственно, касательной силы тяги Fк ограничены условиями сцепления колес с рельсами. При росте скорости движения тепловоза коэффициент сцепления колес с рельсами и реализуемая сила тяги плавно уменьшаются. Примерно по такому же закону происходит изменение максимального тока тягового генератора Imax при трогании с места тепловоза с электрической передачей.

В этот период времени э.д.с. тяговых электродвигателей Етэд тепловоза равна нулю и напряжение тягового генератора Ur, подводимое к двигателям, минимальное. Оно уравновешивается падением напряжения в обмотках якоря ТЭД и в силовых кабелях. В момент трогания с места и начале движения тепловоза частота вращения якорей тяговых электродвигателей и величина Етэд увеличиваются, соответствующим образом растет напряжение Ur, подводимое к двигателям. Номинальный режим работы тягового генератора достигается в точке д, в этом случае Рr = 10−3· Urном·Irном, кВт.

При дальнейшем росте скорости движения тепловоза сила тока Ir уменьшается, а напряжение на зажимах тягового генератора постоянного тока или выпрямительной установки плавно возрастает до своего максимального значения Urmax.

Как отмечалось выше, на тепловозах с передачей постоянного тока тяговые генераторы имеют независимую обмотку возбуждения, которая получает питание от отдельного генератора постоянного тока — возбудителя. В свою очередь, возбудитель имеет собственную независимую обмотку возбуждения (2М62У, 2ТЭ10Л, В, М, С, У). В систему автоматического регулирования возбуждения тяговых генераторов этих серий тепловозов также входит блок автоматики БА, который регулирует ток возбуждения тягового генератора постоянного тока по заданному закону, т. е. обеспечивает выполнение условия экономичной работы силовой установки тепловоза Ur· Ir = const.

Блок автоматики состоит из селективного узла и однофазного магнитного усилителя с внутренней обратной связью. Селективный узел БА имеет один канал регулирования и формирует гиперболическую зависимость Ur = f (Ir) тягового генератора по поступающим сигналам от датчиков тока ДТ и напряжения ДН. Надо отметить, что под селективностью понимают способность блока БА выбирать нужный сигнал от датчика тока, датчика напряжения или, при необходимости, суммировать сигналы от обоих датчиков ДТ и ДН.

Применяемые на тепловозах с электрической передачей постоянного тока системы возбуждения тягового генератора из-за насыщения его ограниченной магнитной системы позволяют изменять напряжение Ur не более чем в 1,5 раза, т. е. Urmax/Urmin = 1,5. Увеличение объема магнитной системы тягового генератора постоянного тока неизбежно приведет к увеличению его веса и габаритов, неприемлемых для тепловозов из-за ограничения по нагрузке от колесных пар на рельсы.

На тепловозах с передачей переменно-постоянного тока для управления магнитным потоком возбуждения Ф и формирования гиперболической зависимости Ur = f (Ir) тягового генератора применяют достаточно сложную автоматическую систему регулирования напряжения Ur. Регулирование величин Ф и Ur производится по отклонению от заданного значения напряжения и по возмущениям (Ir, nе, и gе).

Синхронные тяговые генераторы также имеют независимую обмотку возбуждения, но, в отличие от тяговых генераторов постоянного тока, эта обмотка получает питание в виде выпрямленного тока от синхронного подвозбудителя — генератора переменного тока через титорный управляемый выпрямитель УВВ. Блок автоматики системы регулирования содержит селективный узел с тремя каналами регулирования (по напряжению, мощности и току) и блок управления выпрямителем.

Электрическая энергия от зажимов тягового генератора постоянного тока или выпрямительной установки на серийных тепловозах подводится к тяговым электродвигателям постоянного тока, которые преобразуют ее в механическую энергию, идущую на привод колесных пар.

1. Антонов М. В., Герасимова Л. С. Технология производства электрических машин. — М., 1982.

2. Алексеев А. Е. Конструкция электрических машин. — М., 2008.

3. Арменский Е. В., Фалък Г. Б. 'Электрические микромашины.— М., 2005.

4. Специальные электрические машины/А. И. Бертинов, Д. А. Бут, Мизюрин С. Р. и др.- М., 2002.

5. Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрические машины и микромашины.— М., 1981.

6. Важнов А. И. Электрические машины. — Л., 1974.

7. Вольдек А. И. Электрические машины. — Л., 1974.

8. Виноградов Н. В., Горяинов Ф. А., Сергеев П. С. Проектирование электрических машин.—М., 1969.

9.Гольдберг О. Д., Гурин Я. С., Свириденко И. С. Проектирование электрических машин. — М., 1984.

10. Ермолин Н. П. Электрические машины малой мощности.- М., 1975.

11. Загорский А. Е., Золотое М. Б. Автономный электропривод повышенной частоты. — М., 1973.