Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
«Фантомасы» приходят и уходят — Большой Ингаи́р остаётся. Где-то вкусная, где-то пахнущая болотом вода скатывается по пологим склонам Сибирских Увалов, прихватывает песчинки, жёлтой лентой неспешно идёт на встречу с матушкой Обью. Так было и до того, как над рекой перебросили костлявый высокий мост, прозванный местными Чёртовым, и до того, как человек вообще понял, что на колёсах он дотащит куда больше железяк, чем на горбу — и придумал первую повозку, через тысячи лет давшую сильное потомство по имени «тепловоз». Так будет и после того, как за Обью иссякнет последняя скважина и люди начнут покидать красивые разноцветные Сургуты и Ноябрьски, а слова «Золото Сибири» останутся лишь в учебниках истории.
Большой Ингаи́р, как и соседи по тайге, будет всё так же неспешно просыпаться утром, потягиваться, взламывая лёд, приглаживать своё русло, унося всё новые и новые песчинки, а вечером ложиться спать. Люди называют утро весной, а вечер — грустным словом «осень»... Где-то с месяц назад — по речному календарю — далеко-далеко родился очередной «Фантомас», тепловоз 2ТЭ116, но Ингаир о нём не знал — трудовой путь машина начала на Волге и Дону, соседях Оби. Старик заметил прибавление в стаде «Фантомасов» лишь вчера, когда над ним стал сновать туда-сюда непривычно ржавый тепловоз с буквами «Астрахань» на щеках.
По усталому виду было ясно — машина тут совсем ненадолго. Сколько их тут было — ревучие красномордые «Татры», блестевшие на солнце ожерельем стёкол ТЭ3, юркие «УАЗики» — но ни один не задержался надолго. Кто побегал рядом пару дней, кто месяц, а кто и вовсе прожужжал мимо — Ингаир слышал, что люди так говорят о мухах — и скрылся навсегда. Вот и новоприбывший тепловоз, хоть и возвращался по много раз на дню, но тоже жужжал как муха — совсем не так, как солидно бубнили «трояки».
На борту же самого «Фантомаса» время текло совсем по-другому. «Чёртова река, подмыла мне дорогу» — досадно выл тепловоз несчётными вентиляторами, набирая обороты дизелей. По долине Ингаира полился звон турбокомпрессоров, 2ТЭ116 взвалил на себя часть веса состава и принялся вытаскивать его из долины. Победить старика по имени Большой Ингаир тепловоз не сможет — по усталому тёмно-жёлтому взгляду «Фантомас» понял, что река и не заметит, когда он пропадёт, будет разорван на куски и поедет в последний путь уже в вагоне, с похоронкой «металлолом»... Но поезд из долины сто шестнадцатому вытащить по силам. Если хорошо поработает и он, и бригада.
Машинист в это время выбрал 13 позиций контроллера и хмуро отметил, что не включился ВШ — выключатель шунтирования, не было характерного тихого хлопка и «ножниц» на амперметре с вольтметром. Ток должен был облегчённо провалиться в ослабевшие полем двигатели, а система возбуждения — сбавить напряжение, чтобы не задавить дизель.
Что-то не сработало в контактах и проводах пожилого мозга тепловоза. Дизель бодро и ровно хлопал — в кабине это звучит совсем не так, как на улице — и выдавал генератору полтора мегаватта мощности, но генератор своей ЭДС упирался в нездоровую противоЭДС двигателей и положенной тяги секция не выдавала.
Отправив помощника на обход и вскоре получив доклад, что по дизелям порядок, на задней секции переход включился, машинист немного успокоился. Ильтым возьмём, пусть и на меньшей скорости, чем обычно, а дальше перемычку — до Демьянки ещё не одна горка, шунтирование пригодится, а то сейчас топливо вёдрами улетает в трубу. Ну, точно как на машине выть по трассе на первой передаче...
За такими неторопливыми мыслями и подъём прошёл, задняя секция здорово нагрелась — ещё бы, тащила поезд и за себя, и немного за переднюю, недогруженную из-за неисправности. Но это ничего, вентиляторы были включены полностью ещё внизу, над водами реки, сейчас остынет. А помощнику пора идти ставить перемычку.
Дизель мирно ухает на холостых оборотах, вольтметр главного генератора показывает 100 вольт: «Фантомас» — машина хитрая, генератор не спит всё время, пока работает дизель, даёт питание на электровентиляторы. Четыре асинхронника, остужающие воду дизеля, скоро выключатся, ещё три останутся — гнать графитовую пыль из ТЭДов да выдувать последние градусы из диодов выпрямительной.
Но вот над головой машиниста вспыхнул пузатый светодиод «Сброс нагрузки секции 1» — помощник открыл аппаратную камеру и взялся колдовать. Стрелка вольтметра тонущим кораблём плавно ушла к нулю, дизель выдохнул и радостно подвыл... Секунды — лампа погасла, дизель вновь принял нагрузку, через передачу переменного тока крутя вентиляторы.
Теперь ВШ включен перемычкой, если будут остановка и трогание — придётся её снять, ибо на ослабленном поле секция трогаться будет тупо как валенок, но на скорости без неё никуда. А нам самое время разобраться, как генератор вырабатывает переменный ток, почему двигатели, его потребляющие, называются асинхронными, и зачем на сто шестнадцатом некая выпрямительная.
Конечно, для выработки электричества можно использовать и коллекторную машину — формула E = CФn работает не только во вред, порождая противоЭДС, но и во пользу. Если к якорю подключить нагрузку (хоть лампочку, хоть разряженный аккумулятор , хоть другой двигатель), вращать якорь и дать возбуждение — то наведённая в якоре ЭДС создаст ток через нагрузку. Это называется обратимостью электромашины.
Примерно так и работает простой тепловоз типа того же старичка ТЭ3 или скромного маневрового ТЭМ18 — от дизеля приводится якорь мощного генератора, от которого питаются тяговые двигатели, стоящие на тележках — как у электровоза.
Зачем такие сложности, почему не сделать как у грузовика — коробка, карданы, мосты? Осей у тепловоза больно много и мощность очень большая, механическая передача получилась бы больно сложной и тяжёлой, поэтому тепловозы мощностью 2 — 3 МВт и больше — только с электропередачей. «Механика» в том или ином виде — только на машинах относительно небольшой мощности вроде ТГК2 мощностью 250 л. с. (184 кВт) или ТГМ6 мощностью 1200 л. с. (882 кВт).
А на более мощных машинах оказывается проще заложить много тонн меди в электропередачу, чем закладывать много тонн стали, зубчатых колёс и подшипников в механику. Более того, при мощности 2 мегаватта и больше перестаёт справляться уже и коллекторный генератор. Ширина локомотива даже в предельно возможном в России габарите Т — 3,5 м, генератор должен быть такого диаметра, чтобы по бокам оставались проходы. Например, на 2ТЭ10М, который, как и 2ТЭ116, мощностью 3000 л. с., генератор шириной 1,9 м и массой около 9 т.
И если на каком-нибудь ТЭМ18, который мощностью как ТГМ6, вполне устойчиво работает генератор тепловозных габаритов, а на ледоколе «Ленин» работали огромные генераторы вдвое большей мощности, чем на 2ТЭ10М, то на самом 2ТЭ10М параметры генератора предельные. Ток в обмотке, напряжение и ток на коллекторе такие, что работают они на пределе по нагреву и коммутации (искрению под щётками).
Плохо обслужен коллектор, между пластинами пыль — жди беды. Несколько раз перегрели обмотку — изоляция ухудшилась, возможен пробой. И происходит это в самый ответственный момент — при движении с поездом по перегону под большой нагрузкой. Выход один — отказаться от коллектора.
Поэтому при проектировании нового тепловоза 2ТЭ116, а впоследствии и более мощного 4000-сильного пассажирского ТЭП70, выбрали синхронный генератор, у которого вообще нет коллектора. Вон он на фото вверху со мной для масштаба. Вроде всё то же самое — корпус (остов, статор) с обмоткой, «якорь» (который тут называется только ротором) с «лучами», на которых тоже обмотка... Но нет. Внимательные уже заметили, что обмотка статора выполнена не отдельными полюсами, а словно монолитным кольцом. А если посчитать полюса ротора — то их чётное число (12).
В синхронной машине (СМ), как и в коллекторной (КМ), есть рабочая обмотка и обмотка возбуждения, рабочая обмотка тоже носит название якоря. Только находится якорь на статоре (см. рисунок 10). И если в коллекторном двигателе переменный ток получается из постоянного в коллекторно-щёточном узле, то синхронная машина требует питания обмотки переменным током. На обмотку же возбуждения подаётся всё тот же постоянный ток и ротор при включении возбуждения становится магнитом.
Чтобы ротор вращался — нужно на витки якорной обмотки статора поочерёдно подавать ток, полюса ротора будут притягиваться к ним и ротор будет вращаться. Витки соединяются в группы — фазы, в каждой фазе витки соединены последовательно. На фазы поочерёдно подаётся ток. Наиболее часто используется трёхфазная схема обмотки — как и в случае с полюсами якоря коллекторной машины, число фаз не менее трёх позволяет исключить «мёртвые зоны» и обеспечить ровную работу машины.
3-фазная система переменного тока и принята как промышленный стандарт — большее число фаз в большинстве случаев нецелесообразно, усложнение не стоит свеч. А у ротора всегда минимум два полюса — северный и южный (как и у любого магнита, одиночные магнитные полюса — монополя — физикой пока не открыты), каждому полюсу для работы нужны свои три обмотки на роторе. В простейшем случае (2-полюсная машина) одной паре полюсов ротора соответствуют две группы по три обмотке на статоре. Каждая группа из трёх обмоток также называется полюсом (см. рисунок 11).
Если взглянуть на СМ и КМ со стороны, то очевидно, что они работают почти одинаково — обмотка возбуждения создаёт поле, с которым взаимодействует движущееся поле якоря. Только в КМ движение поля обеспечено коммутацией тока на коллекторе, а в СМ — непосредственной подачей в якорь переменного тока. И формулы момента (M = СФI) и противоЭДС работают абсолютно так же.
Иначе говоря, синхронная машина — коллекторная наизнанку. И возбуждение может быть как от постоянных магнитов, а может быть электромагнитное — от обмотки. Ток в эту обмотку подаётся обычно через щётки и контактные кольца. Очевидно, что щёткам работать с гладкими кольцами на два порядка легче, чем с грызущими их пластинами коллектора.
Почти каждую мощную синхронную машину используют как генератор — по причинам, которые разъяснены ниже. Генераторы автомобилей новее деревянного КрАЗ-255 первых выпусков, электростанций (от 900-ваттных переносных до АЭС), самолётов начиная с 50-летних Ил-62 и Ту-154 — это всё СМ, точнее, СГ (синхронный генератор). А вот маломощных полно в роли двигателей — это приводы шпинделей дисководов (в том числе — потихоньку сходящих со сцены жёстких дисков), электровелосипедов и гироскутеров (которые подчас не такие уж маломощные — мощнее генератора легковушки), винтов коптеров...
Работает он просто: проходит мимо фазной обмотки статора один полюс ротора (например, северный) — наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС) одного направления, проходит другой (южный) — наводит ЭДС другого направления. За каждый оборот 2-полюсной машины она успевает выработать каждой фазой и «плюсовой» ток, и «минусовой», говоря языком тригонометрии — колебания ЭДС совершают полный цикл. Такой ток называется переменным.
Вот упрощённая силовая схема «Фантомаса». Кружок с буквой Г — питающаяся через контактные кольца роторная обмотка возбуждения. Нарисованные трёхлучевыми звёздами зелёные обмотки — статор. Такая схема соединения совершенно официально называется звездой — начала обмоток свободны, подключаются к внешней схеме, а концы соединены воедино — эта точка называется нулевой или просто нулём. Тот самый «я же говорил — "ноль", а ты — "фаза, фаза"» из анекдота.
В правой части, как несложно понять по узнаваемому ещё с третьей статьи значку, коллекторные тяговые двигатели, на их обмотках возбуждения (внизу) «сидят» знакомые с шестой статьи резисторы ослабления поля с контакторами ВШ1 и ВШ2 — здесь они названы выключателями шунтировки. Так как двигателям нужен постоянный ток, то между генератором и ними стоит выпрямительная установка (ВУ), собранная из диодов. Диод пропускает ток лишь в одном направлении — когда к его аноду («спине») приложен плюс, а к катоду («носику») минус.
Когда диоду «в спину давит» «плюсовое напряжение» (положительная полуволна) от звезды генератора — он открывается и пропускает его на плюсовой (обозначен красным) проводник — плюсовую шину. Ток проходит через двигатели на минусовую шину (синюю) и, открывая один из диодов, на который в данный момент действует отрицательное напряжение от звезды, замыкает свой путь через генератор.
«Ненужные» полуволны диод не пропускает, выпрямляя таким образом переменный ток в постоянный. Диоды к фазам звёзд подсоединены попарно так хитро, что используют все полуволны всех фаз, называется такая схема звездой Ларионова, по фамилии изобретателя. Выпрямитель тепловоза — шкаф из сотен соединённых параллельно диодов (поодиночке они не выдержат нагрузки), а выпрямитель автомобильного генератора — знаменитая «подкова» из шести диодов, но схема у них одна — Ларионова.
Выпрямители есть везде, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный — в зарядных устройствах для телефонов, в автомобильных генераторах и на электровозах переменного тока. Только в первом и третьем случаях выпрямляется лишь одна фаза, поэтому схема попроще — мост Гретца. Но об этом в другой раз.
Синхронную машину можно и обратить — использовать как двигатель, это кажется заманчивым, ведь нет надоедливого коллектора, испиливающего щётки. И они действительно используются — например, пара СМ работает в авиационном тахометре, который стоит и на некоторых тепловозах.
Машина-генератор (датчик) стоит на двигателе и питает переменным током машину-двигатель, которая через особый механизм отклоняет стрелку. Вращаться они будут строго синхронно, ведь частота наведённого в фазах генератора тока будет жёстко зависеть от частоты вращения ротора, а полюса ротора двигателя будут неотрывно следовать за бегущим (вращающимся) полем статора, притягиваясь к разноимённым полюсам этого поля.
За эту особенность — строгую связь частоты переменного тока и частоты вращения ротора — машина и называется синхронной. Есть и формула: f = np/60, где f — частота тока в герцах (колебаниях в секунду), n — обороты вала (в минуту), p — число пар полюсов. Действительно, ведь если у машины одна пара полюсов, как на рис. 10 и 11, то за один полупериод колебаний (протекание по всем трём фазам поочерёдно «плюсового тока») поле пробежит половину окружности. За полное колебание (протекание сперва «плюсового тока», потом «минусового») — всю окружность.
А если полюсов четыре (две пары) — то лишь четверть, так как каждый полюс занимает четверть окружности. Это хорошо видно на тепловозах 2ТЭ116У и 2ТЭ25КМ — при оборотах дизеля 350 об/мин 12-полюсный (6 пар полюсов) генератор выдаёт 350 * 6 / 60 = 35 Гц, при максимальных оборотах, 1000 — 100 Гц. Эта частота называется синхронной частотой.
Но в практическом использовании синхронных двигателей при питании от общей сети есть проблема — запуск. В тахометре такой проблемы нет — ротор двигателя страгивается и вращается синхронно с ротором датчика. Если же ротор машины неподвижен, а на статор вдруг подали переменный ток от сети — то мимо полюсов ротора будут быстро пробегать то нужные разноимённые с ними полюса, то ненужные одноимённые, от которых полюса ротора будут отталкиваться.
В итоге ротор будет просто вибрировать на месте, а не вращаться, поэтому для работы нужно либо раскрутить ротор до частоты вращения, близкой к частоте вращения поля (подсинхронной частоты), либо использовать другой двигатель. Обычно для работы на переменном токе используют асинхронный двигатель (АД) — ещё один вид электромашин, чаще всего это АДКЗ — АД с короткозамкнутым ротором.
Статор АДКЗ принципиально не отличается от статора синхронника, а вот ротор не имеет ни полюсов, ни обмотки, которую нужно питать, ни магнитов. Обмотка его называется короткозамкнутой, кстати, её часто размещают в дополнение к обмотке возбуждения и на роторе синхронников — для так называемого асинхронного пуска. Но не будем забегать вперёд, об асинхронниках — в следующей статье.
А ещё у переменного тока, выдаваемого СГ, есть один огромный плюс — можно легко менять его напряжение с помощью простых устройств, трансформаторов, о них — в статье 10, а зачем менять напряжение — в мини-статье «Зачем такие страшные киловольты?»
Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»