Генераторы постоянного тока с параллельным возбуждением

Принцип работы генератора основан на явлении элек­тромагнитной индукции. Если рамка с активными про­водниками аb и сd (рис. 3.1, а) вращается в поле постоян­ных магнитов NS, то согласно закону электромагнитной индукции в проводниках аb и cd возникает ЭДС:

Е=В1Vsin α

где В - индукция магнитного поля;

1 - длина активного проводника;

V - окружная скорость движения проводника;

sin α - угол между направлением магнитных силовых линий и направлением движе­ния проводника в рассматриваемый момент времени.

Рис. 3.1. Принцип действия генератора постоянного тока

Если концы проводников подключить к кольцам и от них через щетки 1 и 2 питать цепь нагрузки лампы Rн, то при замыкании рубильника Р по цепи потечет ток I_Н, так­же изменяющийся по синусоидальному закону, т.е. пере­менный ток. Для выпрямления этой переменной ЭДС под­ключим проводники аb и cd не к кольцам, а к полу­кольцам (рис. 3.1, б). Щетки 1 и 2 установлены таким обра­зом, что переходят с одного полукольца на другое в мо­мент, когда в проводниках рамки ЭДС отсутствует (рамка повернута на 90° относительно продольной оси полюсов, т.е. расположена по поперечной оси полюсов). В этом слу­чае к щеткам 1 и 2 подводится ЭДС одного направления в течение полного оборота рамки, хотя в самих проводниках аb и cd ЭДС по-прежнему является переменной.

Под действием ЭДС одного направления по цепи нагруз­ки потечет ток 1_В, одного направления, но пульсирующий. Щетка 2, от которой ток оттекает во внешнюю цепь (на­грузки), считается положительной («плюсовой»), а щетка 1, к которой притекает ток, - отрицательной («минусовой»).

Таким образом, применение полуколец вместо колец позволило получить в цепи нагрузки ток одного направ­ления, хотя в проводниках рамки возникает переменная ЭДС, т.е. полукольца являются механическим выпрями­телем. Чтобы уменьшить пульсации выпрямленного тока и получить большое значение ЭДС на щетках 1 и 2 ге­нератора постоянного тока, применяется большое число пластин, располагаемых на коллекторе, и большое число активных проводников якоря.

В реальных генераторах постоянного тока магнитное по­ле создается не постоянными магнитами, а обмотками возбуждения, расположенными на сердечниках полюсов. Магнитное поле с потоком Ф (рис. 3.2) создается за счет протекания тока Iв, в обмотке возбуждения W_В. В подвагонных генераторах обмотка включа­ется параллельно обмотке якоря Я - к щеткам 1 и 2.

Рис.3.2. Электрическая схема генератора постоянного тока

с параллельным возбуждением

За счет остаточной намагни­ченности сердечников полюсов в генераторе всегда имеется неболь­шое по величине магнитное поле (магнитный поток). При движении вагона якорь вращается в этом слабом магнитном поле. Под дей­ствием его в проводниках обмотки якоря возникает ЭДС, так что на щетках появляется небольшая выпрямленная коллектором ЭДС, под действием которой по обмот­ке возбуждения потечет ток возбуждения. Ток возбужде­ния вызовет появление магнитного потока, который име­ет большее значение, чем поток остаточного магнетизма, следовательно, на щетках возникает ЭДС большей вели­чины: Е=С_ЕnФ, где С_Е - конструктивный коэффициент генератора; n - частота вращения якоря, об/мин; Ф -магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения.

Большая ЭДС вызовет увеличение тока возбуждения (по закону Ома I_В= Е/r_В, где r_В - сопротивление обмотки воз­буждения, что приведет к дальнейшему возрастанию ЭДС и т.д. Происходит самовозбуждение генератора. При замы­кании рубильника Р под действием ЭДС через резистор Rн потечет ток нагрузки, который вызовет падение напряже­ния на сопротивлении r_В обмотки якоря, равное I r_Я. Зна­чит, напряжение и на щетках 1 и 2 будет меньше ЭДС на величину этого падения напряжения, т.е.

U = Е – I r_Я, или U = С_Е nФ - I r_Я.

Из последней формулы следует, что напряжение за­висит от частоты вращения генератора, т.е. скорости движения вагона; от магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения, который в свою очередь зави­сит от тока возбуждения; от тока нагрузки генератора (чем больше ток нагрузки, тем меньше напряжение).

Лекция 7 «Генераторы переменного тока и выпрямители»

Принцип действия генератора переменного тока. В си­стемах электроснабжения пассажирских вагонов широко применяются генераторы переменного тока индукторного типа. В отличие от обычного синхронного генератора они не имеют обмоток на роторе и колец с щетками для подвода к нему тока. Такие генераторы по сравнению с генераторами постоянного тока ввиду отсутствия щеточно-коллекторного аппарата надежны в работе и требуют более простого ухода.

В индукторном генераторе (рис. 3.4) обмотки переменно­го тока 5 выполняются неподвижными и закладываются в пазы (впадины) статора 3, причем каждая обмотка охваты­вает один из зубцов 1. Обмотка возбуждения также непод­вижна и выполнена в виде двух кольцевых катушек 6 (тороидов), которые соединены последовательно и располо­жены в двух подшипниковых щитах 7. Ротор состоит из равномерно расположенных зубцов 10 и пазов 11, кото­рые образуют как бы полюса машины.

Рис. 3.4. Схема индукторного генератора переменного тока

с зубчатым ротором

Если через обмотки возбуждения 6 пропустить ток, то создается магнитный поток Ф, который замкнется по це­пи (штриховая линия). Он пройдет по подшипниковому щиту 7, через воздушный зазор 8, по втулке 9 ротора в осевом направлении, через зубцы 10 ротора, воздушный зазор 4, зубцы 1 статора, остов 2 и снова войдет в подшипниковый щит. При вращении ротора зубцы 1 ста­тора поочередно совпадают с зуб­цами 10 и пазами 11 ротора. При взаимном совпадении зубцов (рис. 3.5, а) между ними будет наимень­ший воздушный зазор, магнитное сопротивление также минимальное и обмотки W1, расположенные на данном зубце статора, пересекают­ся магнитным потоком Ф_макс. При совпадении зубца статора с пазом ротора (рис. 3.5, б) зазор наибольший, магнитное сопротивление увеличивается и обмотки пересекаются

магнитным потоком Ф_мин. Таким образом, при вращении ротора пульсирует магнитный поток и в обмотках W1, расположенных на зубцах статора, индуктируется пере­менная ЭДС, а при подключении нагрузки в них потечет переменный ток.

Рис. 3.5 Изменение потока в зубцах статора

при различном положении ротора

В отличие от обычного синхронного генератора ма­гнитный поток, пронизывающий обмотки W1 статора, не изменяется по направлению (не меняет своего знака).

Вагонные генераторы типов ГСВ (синхронный вагон­ный генератор), ГВ (вагонный генератор) имеют на рото­ре шесть зубов и шесть пазов, которые образуют как бы пары полюсов р, поэтому эти генераторы являются 12-полюсными машинами. Частота переменной ЭДС (тока) зависит от частоты вращения ротора и числа пар полю­сов и определяется по формуле f = рn/60, откуда наи­большая частота переменного тока при наибольшей час­тоте вращения ротора 4000 об/мин равна 400 Гц.

Процесс самовозбуждения генератора происходит так же, как и в генераторе постоянного тока с параллельным возбуждением, за счет остаточного магнетизма. Причем основная обмотка возбуждения питается от обмотки ста­тора через специальный выпрямитель, а величина тока возбуждения и соответственно магнитного потока регули­руется или изменением индуктивного сопротивления (при РНГ с магнитным усилителем), или путем изменения дли­тельности импульсов тока (при РНГ на тиристоре).

Устройство генератора переменного тока. В системах электроснабжения применяются генераторы типов ГСВ-2, ГСВ-8, 2ГВ.001, 2ГВ.003, которые аналогичны по конст­руктивному исполнению и принципу действия. Отлича­ются они мощностью, которая на выходе выпрямителя для генераторов ГСВ-2 и ГСВ-8 составляет 5,5 кВт, для 2ГВ.001 - 6,5 кВт, для 2ГВ.003 - 8 кВт. Кроме того, схе­ма дополнительной обмотки статоров генераторов ГСВ-2, ГСВ-8 и 2ГВ.001 трехфазная, мостовая, а генератора 2ГВ.003 - однофазная с выводом средней точки. У гене­раторов ГСВ-2 и ГСВ-8 привод плоскоременный, у 2ГВ.001 - клиноременный, у 2ГВ.003 - ременно-редукторно-карданный.

Генераторы ГСВ-2, ГСВ-8 и 2ГВ.001 уста­новлены под кузовом вагона, 2ГВ.003 - на концевой бал­ке рамы тележки котловой стороны вагона.

Генератор переменного тока со смешанным возбужде­нием типа 2ГВ.003 применяется в системах электроснаб­жения ЭВ-7, ЭВ-10, ЭВ-20, ЭВ-26 (ЭВ - электрооборудо­вание вагонное), устанавливаемых на вагонах без конди­ционирования воздуха.

Лекция 8 «Трансформаторы, дроссели и магнитные усилители»

Трансформаторы. Трансформатором называется элек­тромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напря­жения. Трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и двух расположенных на нем обмоток. К одной обмотке подводится напряжение от источника тока, и эта обмотка называется первичной. От другой об­мотки энергия отводится к потребителю, и эта обмотка называется вторичной. Принцип действия трансформа­тора основан на явлении электромагнитной индукции.

Кроме обычных (силовых) трансформаторов в вагон­ном электрорадиооборудовании применяются специаль­ные трансформаторы - стабилизирующие и согласующие. С помощью стабилизирующего трансформатора в тиристорный РНГ вводится отрицательная обратная связь по току возбуждения генератора, что исключает колебания напряжения сети при работе регулятора. Согласующие трансформаторы служат для согласования выхода усили­теля низкой частоты с нагрузкой.

Дроссели и магнитные усилители. Дроссели служат для сглаживания пульсации выпрямленного тока, кроме того, они входят в состав магнитных усилителей. Магнитным уси­лителем (МУ) называют статический электромагнитный ап­парат, который служит для плавного регулирования пере­менного тока в электрических цепях путем изменения подаваемого на его вход постоянного тока. С помощью уси­лителя можно изменять достаточно большие токи и напря­жения посредством слабых электрических сигналов.

Принцип действия МУ основан на изменении индук­тивного сопротивления катушки с ферромагнитным сер­дечником (дросселя) при подмагничивании сердечника постоянным током.

Эксплуатация электрических машин и выпрямителей. При выполнении ТО-1 проводники вагонов, ПЭМ, НП периодически осматривают генераторы, двигатели, мотор-генераторы и преобразователи тока. Основной мерой, обес­печивающей надежную работу электрических машин, явля­ется систематический контроль за работой систем электро­снабжения по измерительным приборам (вольтметрам, ам­перметрам) и сигнализации. При этом контролируют напря­жение и ток нагрузки генератора, ток электродвигателей, ток заряда и разряда аккумуляторной батареи, напряжение сети освещения и состояния изоляции электрооборудования по отношению к корпусу вагона. Категорически запрещается работа генератора с отключенной аккумуляторной батареей.

На продолжительных стоянках следует проверять состо­яние деталей подвески генератора, его привода, предохранительных устройств, плотность защитного кожуха, а так­же степень нагрева корпуса генератора и подшипниковых щитов. Нагрев корпуса определяют на ощупь (при нормаль­ной работе тыльная часть кисти рук выдерживает длитель­ное прикосновение).

В случае перегрева корпуса надо уменьшать нагрузку генератора. Если после этого нагрев не уменьшается, то генератор отключают и переходят на питание от подва­гонной магистрали. Перегрев подшипниковых щитов свидетельствует о разработке подшипников или об от­сутствии в них смазки. При значительной разработке подшипников (проверяется по зазору вала генератора) генератор отсоединяют от привода, так как якорь может касаться полюсов и обмоток статора.

При сильном искрении щеток, которое определяют по колебаниям стрелок амперметра и вольтметра, проверяют состояние коллектора и щеточного аппарата. При необходи­мости коллектор чистят и заменяют изношенные щитки.

Систематически проверяется состояние блока силовых се­леновых выпрямителей и температура его бака. Если темпе­ратура бака окажется выше 70°С, то необходимо сообщить ПЭМ. При осмотре блока кремниевых выпрямителей прове­ряют крепление крышек и исправность их запоров.

Работники электроцеха при подготовке вагонов в рейс очищают электрические машины от пыли, грязи, снега; смазывают солидолом валы подвески генератора с ремен­ным приводом; снимая защитные кожухи, осматривают коллектор, щетки, щеткодержатели; проверяют устройства сохранения полярности (легкость перебрасывания перекид­ных траверс за счет трения щеток о коллектор у генерато­ров типа 23/07.21, РW-114АВ, работу переключателя поляр­ности у двигатель-генератора DUGG-28В путем изменения направления вращения вала), отсутствие касания гибких поводков щеток и траверс о корпус, состояние изоляции силовых проводов, кабелей легкоразъемных соединений; в переходный и зимний периоды года удаляют накопившую­ся влагу и образовавшийся конденсат путем вывертывания соответствующих пробок внизу корпуса; вскрывают вывод­ные коробки, очищают изоляционную панель в них и ук­репляют ослабшие электрические контакты.

Неисправности электрических машин. При эксплуата­ции электрических машин постоянного тока могут воз­никнуть следующие неполадки: обрыв обмоток якоря и возбуждения, межвитковое замыкание этих обмоток, на­рушение контакта щеток с коллектором вследствие заеда­ния щеток в щеткодержателях, загрязнения или обледенения коллектора, износа щеток свыше нормы и других причин.

В связи с тем, что электрические машины работают всегда вместе с защитной и пускорегулирующей аппаратурой, их отказ может быть вызван не только в ре­зультате неисправностей самих машин, но и указанной аппаратуры. Так, например, генератор 23/07.21 в системе электроснабжения вагона 47Д может не работать в слу­чае сгорания предохранителей в силовой цепи или в цепи возбуждения, срабатывания РМН, сгорания уголь­ных столбов РИГ или ОТГ и т.д.

Выявление неисправностей начинают с проверки наибо­лее простых элементов, которые можно заменить или отре­монтировать непосредственно в пути следования (предохра­нители, РМН, щетки, траверса, разъемное соединение).

Наиболее часто встречающиеся неисправности машин переменного тока: обрывы выводных проводов, обрывы или межвитковые замыкания обмоток статора и возбуж­дения, замыкание этих обмоток на корпус. Кроме того, в машинах наблюдаются износ и разрушение подшипников, износ шеек вала ротора, разработка шпоночной канавки, повреждение резьбы вала, заклинивание вала подвески ге­нераторов с ременным приводом и др.

Лекция 9 «Приводы подвагонных генераторов пассажирских вагонов»

В автономных системах электроснабжения для пере­дачи вращательного движения якорю (ротору) генерато­ра от оси колесной пары применяются следующие типы механических приводов: плоскоременный, клиноременный от средней части оси колесной пары, клиноременный от торца оси (ременно-редукторно-карданный), редукторно-карданный от торца оси и редукторно-карданный от средней части оси колесной пары.

Применение того или иного привода зависит от мощ­ности и типа генератора, скорости движения поезда и года постройки вагона. Каждый тип привода должен обеспечивать передачу генератору вращающего момента, необходимого для создания потребной мощности; увеличи­вать в три-четыре раза частоту вращения якоря (ротора) по сравнению с частотой вращения колесной пары, так как ге­нераторы, рассчитанные на большую частоту вращения, имеют меньшие габаритные размеры и массу при заданной мощности; надежно работать в любое время года при раз­личных воздействиях внешней среды; обеспечивать элас­тичную связь между подвагонным генератором и колесной парой. Приводы вагонов, рассчитанных на скорости движе­ния до 120 км/ч, имеют большее передаточное число, а на скорости до 160 км/ч меньшее.