Тяговий генератор змінного струму

26.07.2015

ТЯГОВИЙ ГЕНЕРАТОР ЗМІННОГО СТРУМУ
ЧОМУ СТАЛИ ЗАСТОСОВУВАТИ ТЯГОВІ ГЕНЕРАТОРИ ЗМІННОГО СТРУМУ?

Розвиток вітчизняного та зарубіжного тепловозобудування супроводжувалося безперервним підвищенням секційної потужності тепловозів. Збільшення маси поїздів, швидкостей руху настійно вимагало застосування все більш потужних локомотивів. Поки секційна потужність тепловоза не перевищувала 1470 кВт (2000 к.с), застосування тягових генераторів постійного струму не викликало особливих труднощів. Всі тепловози силові установки обладналися тяговими генераторами, вырабатывавшими постійний струм, який безпосередньо використовувався для живлення тягових електродвигунів. Але вже в кінці 50-х років знадобилося збільшити секційну потужність тепловозів до 2210 кВт (3000 л. с.) і більше. В Радянському Союзі та ряді інших країн були розроблені і побудовані тепловозні дизелі потужністю 2210-2940 кВт (3000-4000 л. с.) з частотою обертання колінчастого вала 850-1500 об/хв. Однак при створенні тягових генераторів постійного струму для тепловозів з цими дизелями зустрівся ряд труднощів. Зі збільшенням потужності значно зростали розміри генераторів. У той же час для забезпечення надійної роботи колектора і щіток лінійна окружна швидкість циліндричної поверхні колектора не повинна перевищувати 60-70 м/с. Це вимога обмежує збільшення діаметра колектора і, отже, діаметра якоря генератора. Далі, для запобігання неприпустимого іскріння на колекторі і пошкодження генератора в результаті появи кругового вогню напруга між сусідніми пластинами колектора не повинно перевищувати певної величини — приблизно 30-35 Ст. В результаті обмежується і максимальна довжина витків обмотки якоря і, отже, довжина якоря. Дійсно, при однаковій лінійної швидкості руху в магнітному полі индуктируемая електрорушійна сила в кожному витку обмотки буде пропорційна довжині її активних сторін.

Таким чином, створення тепловозних тягових генераторів постійного струму великої потужності викликало не тільки зростання розмірів і маси, ускладнюючи їх розміщення на локомотиві, але і наштовхувалося на принципові труднощі. Ця проблема корінним чином могла вирішуватися тільки шляхом відмови від застосування в електричних машинах колектора. Колектор служить для випрямлення струму, що виробляється в обмотці якоря генератора, тому відмова від його використання практично означає перехід на електричну машину змінного струму. Так на потужних тепловозах отримали застосування тягові генератори змінного струму з выпрямительными установками для живлення постійним струмом тягових електродвигунів.

Читачеві відомо, що постійний струм характеризується своїм незмінним напрямком у замкнутого електричного ланцюга.

Змінним називають струм, який періодично змінює свій напрямок і величину. Через певний проміжок часу Т, званий періодом, зміна струму точно повторюється. Отже, змінний струм передається імпульсами. За один період сила струму в замкнутому ланцюзі поступово зростає до максимального значення, потім зменшується до нуля, струм змінює свій напрямок на протилежне, знову зростає до максимальної величини і знову знижується до нуля. Тривалість періоду визначається в секундах, а число періодів за 1 секунду називають частотою струму. Наприклад, якщо період (тобто повний цикл зміни) змінного струму становить 1/50 секунди, то число періодів за секунду буде = 50. Отже, частота цього струму дорівнює 50 періодів в секунду. В електротехніці для вимірювання частоти струму прийнята спеціальна одиниця — герц — по імені знаменитого німецького фізика Генріха Герца, рівна 1 періоду в секунду. Тому частота розглянутого нами струму виявиться 50 Гц (герц). Така частота прийнята в якості стандартної для енергетичних установок Росії. Змінний струм знайшов саме широке застосування в електричній енергетиці всього світу завдяки ряду своїх переваг — величина напруги змінного струму легко змінюється за допомогою трансформаторів, в яких не є обертових частин, електричні машини змінного струму багато простіше, дешевше і надійніше машин постійного струму.

Для отримання в замкнутому електричному ланцюзі змінного струму створені джерела електричної енергії, индуктирующие змінну електрорушійну силу. Вони отримали назву генераторів змінного струму. Генератори змінного струму, так само як і генератори постійного струму, засновані на використанні явища електромагнітної індукції. Тому в облаштуванні цих генераторів струму багато спільного. Генератор змінного струму має магнітну систему для створення магнітного поля і провідники, в яких індукується електрорушійна сила, коли при своєму русі вони перетинають магнітний потік (рис. 151).

Тяговий генератор змінного струму

Рис. 151. Найпростіший генератор змінного струму

У найпростішому генераторі змінного струму провідники, виконані у вигляді рамки, з’єднані своїми кінцями з контактними кільцями. Кільця обертаються разом з рамкою, на їх поверхні щітки ковзають, що з’єднують генератор із зовнішнім ланцюгом. Порівнюючи найпростіші генератори (див. рис. 132 та 151) двох видів струму, легко бачити, що їх основна відмінність полягає в тому, що колектор генератора постійного струму в генераторі змінного струму замінений контактними кільцями. Для индуктирования електрорушійної сили наведемо рамку в обертання з постійною швидкістю від стороннього джерела механічної енергії. Виникають в обох робочих сторонах рамки А і Б електрорушійні сили діють відповідно і сумуються в загальну е. д. с. рамки. Як і в найпростішому генераторі постійного струму, схема роботи якого показана на рис. 133, в рамці індукується періодично змінюється по величині і напряму електрорушійна сила. Якщо приєднати до щіток замкнуту зовнішню електричну ланцюг з резистором навантаження RH, то під дією електрорушійної сили в ній буде проходити електричний струм.

При горизонтальному положенні рамки її робочі сторони А і Б як би ковзають уздовж магнітних силових ліній, не перетинаючи їх, тому е. д. с. і сила струму в ланцюзі мають нульове значення (рис. 152, а).

Тяговий генератор змінного струму

Рис. 152. Схема роботи генератора змінного струму

У міру повороту рамки е. д. с. і струм буде безперервно збільшуватися до максимальних значень при вертикальному положенні рамки (рис. 152, б) і знову візьмуть нульові значення при вугіллі повороту рамки 180° від початкового положення (рис. 152, в). У зовнішній ланцюга в цей напівперіод струм проходив від щітки 2 до щітки /. При подальшому повороті рамки напрямок индуктируемой е. д. с. в кожній робочій стороні змінюється на протилежний (рис. 152, г), і струм у зовнішньому ланцюзі у другому полупериоде проходить вже від щітки 1 до щітці 2, тобто у зворотному напрямку. Після проходження горизонтального положення (рис. 152, д) цикл зміни е. р. с. і струму повністю повториться. Зміна е. р. с. і струму в зовнішньому ланцюзі ілюструється графіком, представленим на рис. 152. Якщо в першому полупериоде вважати значення е. р. с. і струму позитивними, то в другому полупериоде вони

візьмуть негативні значення. Таким чином, повний цикл зміни е. д. с. в рамці, рівний періоду часу Т, здійснюється за один повний її обіг. Отже, частота змінного струму, що виробляється двополюсним генератором, дорівнює частоті обертання якоря з рамкою, виміряної в оборотах в секунду. При збільшенні числа пар полюсів в генераторі пропорційно зростає число повних циклів зміни змінного струму за один оборот якоря. Тому частота виробляється генератором змінного струму визначається за формулою

f = np,

де n — частота обертання якоря, об/с;

р — число пар полюсів магнітної системи генератора.

Показана на рис. 152 крива зміни е. р. с. і струму являє собою синусоїду, так як вона є графічним зображенням тригонометричної величини, званої синусом. Електрорушійна сила, напруга, струм, що змінюються за таким законом, називаються синусоїдальними. Основними умовами отримання синусоїдальних характеристик змінного струму є однорідність (рівномірність) магнітного поля генератора і сталість частоти обертання провідників, в яких ця індукується електрорушійна сила.

В генераторах змінного струму великої потужності, так само як і в генераторах постійного струму, використовуються електромагніти для створення сильного магнітного поля. Обмотка, в якій індукується е. р. с, має велике число провідників, сполучених по певній схемі. Для створення е. д. с. магнітний потік повинен перетинати провідник, при цьому байдуже, чи буде переміщатися провідник або магніт. Це дозволяє обмотки, в якій індукується е. р. С. розташовувати на нерухомій частині генератора змінного струму. В обертання наводяться полюси з обмоткою збудження. Зовнішня ланцюг генератора приєднується до нерухомих його висновків обмоток за допомогою контактних болтів. Тому відпадає необхідність у використанні ковзних контактів (контактні кільця — щітки) у силовий ланцюга. Контактні кільця і щітки застосовуються лише для підведення електричного струму до обертової обмотки збудження генератора. Потужність, яка потрібна для збудження, у багато разів менше потужності генератора. Тому здійснити підведення струму за допомогою ковзних контактів в обмотку збудження незрівнянно простіше. Контактні кільця і щітковий апарат у цьому випадку невеликі за розмірами, масі, надійні в роботі.

Генератори змінного струму великої потужності, в тому числі і тягові генератори тепловозів, виготовляються виключно з обертовими обмотками збудження. Невеликі генератори змінного струму, де струмознімання не представляє труднощів, часто виконуються з обертовою якірною обмоткою і нерухомим індуктором. Такі генератори змінного струму називають машинами оберненого типу. В електричних машинах змінного струму обертову частину називають ротором, а нерухому частину — статором (Від латинських слів rotare — обертаю і stator — стоїть нерухомо).

На практиці найбільш широке застосування отримав трифазний електричний струм. Трифазні генератори мають три самостійні обмотки I-III, розташовані по колу одна відносно іншої під кутом 120° (рис. 153).

Тяговий генератор змінного струму

Рис. 153. Схема електричного генератора трифазного струму

При обертанні ротора, який є електромагнітом, індукуються в обмотках змінні е. д. с. (рис. 154), зсунуті по фазі (в часі) на 1/3 періоду. Кожну з обмоток трифазного генератора можна розглядати як однофазного генератора, що живить змінним струмом I1 – I3 свою зовнішню ланцюг з резисторами R1—R3 (див. рис. 153). Обмотка разом з зовнішньої ланцюгом отримала назву фази (Від грецького слова phasis — поява).

Кількість проводів, що з’єднують трифазний генератор з зовнішніми навантаженнями, можна скоротити, якщо три зворотних дроти від споживачів енергії до генератора замінити одним, як це показано на рис. 155, а. Тепер щодо загального проводу до генератора проходитимуть струми всіх трьох фаз. З’єднання обмоток трифазного генератора, при якому їх кінці з’єднані між собою, прийнято називати з’єднанням зіркою. Три дроти, що з’єднують початок кожної обмотки генератора з споживачами, називають лінійними, саме за ним іде передача електроенергії.

Тяговий генератор змінного струму

Рис. 154. Зміна ерс, индуктируемой у фазах трифазного генератора

Провід, що з’єднує загальні кінці обмоток генератора і споживача, називають нульовим. Якщо навантаження всіх трьох фаз повністю однакова, то сумарний струм в нульовому проводі буде дорівнює нулю. У застосуванні цього проводу немає необхідності, і, прибравши його, отримаємо з’єднання фаз зіркою без нульового проводу. У відсутності струму в нульовому проводі легко переконатися, склавши алгебраїчні значення трьох синусоїдальних струмів, зрушених по фазі на 120 електричних градусів. Це можна зробити і за допомогою рис. 154, якщо уявити, що на ньому зображені криві зміни струму у фазах генератора. Нульовий провід буде пропускати струм при нерівномірному навантаженні фаз.

Напруга Uд між лінійними проводами прийнято називати лінійним напругою. а напруга на кожній фазі Uф — фазовим напругою. Струми в кожній фазі одночасно є і лінійними струмами.

Існує і інший спосіб з’єднання обмоток генератора і споживачів, що називається трикутником (рис. 155, б). В цьому випадку фазовий і лінійне напруження рівні, а струм в лінійному проводі більше струму в фазі і при однаковому навантаженні фаз. При з’єднанні обмоток трикутником відпадає необхідність у застосуванні нульового проводу.

Тяговий генератор змінного струму

Рис. 155. З’єднання обмоток трифазного генератора і споживачів електричної енергії:

а зіркою; б — трикутником.

Таким чином, застосування трифазного струму замість однофазного дозволяє скоротити число проводів і витрати кольорового металу для їх виготовлення. Крім того, трифазний струм дає можливість отримати обертове магнітне поле в двигунах, на основі якого створені прості по конструкції асинхронні електродвигуни.

Трифазний струм має і ще одна важлива перевага. При випрямленні однофазного струму отримується па виході з випрямляча напруга має пульсацію від нульових до максимальних значень (якщо не застосовується спеціальних згладжуючих пристроїв). Відбувається це тому, що напруга однофазного джерела змінного струму протягом кожного періоду приймає двічі нульове і максимальне значення. Внаслідок зсуву за часом зміни фаз трифазного струму на 1/3 періоду після його випрямлення коливання напруги становлять лише близько 8%. Про це докладніше розказано нижче при описі роботи випрямлячів. Зниження пульсації випрямленого струму генератора покращує умови роботи живляться від нього електродвигунів постійного струму — попереджається порушення комутації, зменшуються втрати енергії в двигуні. Тому тягові генератори змінного струму виконуються багатофазними. Так, тяговий генератор тепловоза 2ТЭ116, конструкція якого розглянуто нижче, має в статорі дві незалежні трифазні обмотки. Осі обмоток зміщені одна щодо іншої, і генератор виходить як би шестифазним. Пульсація випрямленої напруги генератора і струму в силовому ланцюзі тепловоза лежить в межах 4-5%, практично не впливаючи на роботу тягових електродвигунів. Завдяки цьому відпадає необхідність у застосуванні на тепловозах з генераторами змінного струму складних згладжуючих пристроїв.

СИНХРОННИЙ ТЯГОВИЙ ГЕНЕРАТОР

Частота змінної е. р. с, индуктируемой у розглянутих вище генераторах змінного струму, строго пропорційна частоті обертання ротора, тому такі генератори називають синхронними (Від грецького слова synchronos — одночасний). Розглянемо пристрій тягового синхронного генератора тепловоза 2ТЕ116 (рис. 156).

Тяговий генератор змінного струму

Рис. 156. Синхронний тяговий генератор тепловоза 2ТЕ116 (поздовжній розріз)

Станина генератора зварна, в ній встановлено сердечник з сегментних листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм Листи стягнуті натискними шайбами і болтами. У пази сердечника покладена двошарова хвильова обмотка з мідного ізольованого проводу перерізом 2,1 X 9,3 мм. У пазах обмотка утримується пластмасовими клинами, лобові частини обмотки укріплені колодками на ізолюючих кільцях. Обмотка статора з’єднана в дві незалежних зірки, тому має шість висновків фаз і два висновки від нульових точок, до яких приєднується гнучкими проводами зовнішня ланцюг тягового генератора (випрямна установка і тягові електродвигуни).

Корпус ротора генератора також зварний, виконаний за типом корпусу якоря тепловозних генераторів постійного струму. На корпусі нашихтован магнітопровід з листової сталі з пазами у вигляді ластів’ячого хвоста для кріплення 12 полюсів магнітної системи. Осердя полюсів набрані з листової сталі, стягнуті натискними шайбами і шпильками з гайками. Котушки полюсів виконані з шинної міді перерізом 1,35 х 25 мм і закріплені на полюсах за допомогою заливки ізолюючим епоксидним компаундом. Від викидання відцентровими силами котушки утримуються полюсними башмаками. Всі котушки полюсів з’єднані послідовно. Початок і кінець обмотки збудження генератора (полюсів) приєднані до контактним кільцям, насадженим на ізолюючої пластмасі на корпус ротора. За контактним кільцям ковзають электрографитовые щітки, встановлені в латунних щіткотримачах.

З їх допомогою обмотка збудження тягового синхронного генератора живиться струмом від збудника.

Крім того, в спеціальних пазах полюсних башмаків укладені стрижні діаметром 12 мм, що утворюють разом із сполучними дугами заспокійливу (демпферну) обмотку, поліпшує роботу генератора при перехідних режимах.

Своїм укороченим валом ротор спирається на сферичний роликовий підшипник, встановлений в орендованій капсулі підшипникового щита. Другий кінець ротора за допомогою фланця і муфти з’єднаний з колінчатим валом дизеля.

Активна потужність тягового генератора тепловоза 2ТЭ116 становить 2190 кВт при номінальній частоті обертання ротора n = 1000 об/хв. На цьому режимі частота виробляється генератором змінного струму, що має шість пар полюсів, становить

Тяговий генератор змінного струму

Розглядаючи принцип дії і пристрій синхронних генераторів, ми бачимо, що в них немає колектора, додаткових полюсів, складного і громіздкого щіткового апарата. В машинах змінного струму електромагнітне навантаження не обмежується комутацією і може бути підвищена, забезпечуючи додаткове зниження маси. Як же ці переваги позначилися на реальних технічних показниках синхронних генераторів?

Маса генератора змінного струму ГС-501А для тепловозів 2ТЭ116 становить 6 т, а постійного струму для тепловозів 2ТЭ10Л — 9 т при однаковій потужності цих дизелів тепловозів 2210 кВт (понад 3000 к.с.).

Отже, перехід на генератор змінного струму забезпечив зниження маси, витрати металу на 3 т. Правда, при цьому необхідно мати на увазі, що номінальна частота обертання ротора генератора на тепловозах 2ТЕ116 становить 1000 об/хв проти 850 об/хв на тепловозах 2ТЭ10Л, що також сприяє зниженню маси генератора.

Вітчизняної електротехнічною промисловістю були розроблені для перспективних локомотивів з силовими установками потужністю 2940 кВт (4000 л. с.) генератори постійного струму ДП-313Б і змінного струму ГС-504. При однаковій частоті обертання 1000 об/хв, потужності генераторів ДП-313Б і ГС-504 відповідно 2700 і 2750 кВт маса їх міді становить 1907 і 860 кг, а стали 3032 і 2534 кг. Таким чином, генератор змінного струму опинився на 1500 кг легше; для його виготовлення витрачається менше на 1047 кг дорогої дефіцитної міді.

Підвищена експлуатаційна надійність тягових генераторів змінного струму забезпечила збільшення в 1,5 — 2 рази терміну служби між ремонтами в порівнянні з генераторами постійного струму при одночасному зниженні загальної вартості обслуговування і ремонтів. Тягові генератори тепловозів постійного і змінного струму мають близькі за величиною коефіцієнти корисної дії, досягають 0,94—0,95 на номінальному режимі.

До числа недоліків тягових генераторів змінного струму відноситься необхідність застосування на тепловозах випрямних установок і стартерних електродвигунів (синхронні генератори тепловозів не пристосовані для роботи в руховому режимі для пуску дизеля). Однак маса генератора змінного струму і випрямляча залишається менше маси генератора постійного струму. Стартерний двигун при роботі дизеля використовується в якості допоміжного генератора постійного струму. Надійність роботи випрямних установок досить висока, практично вони не потребують ремонтів, окрім заміни напівпровідникових вентилів у разі пошкодження.

Короткий опис статті: електричний генератор

Джерело: Тяговий генератор змінного струму

Також ви можете прочитати