1.Тяговый генератор - сердце электрической передачи
Суть электрической передачи заключается в том, что двигатель внутреннего сгорания отдает свою мощность не на ходовую часть* посредством сложной и громоздкой коробки передач, а вращает ротор тягового генератора. Электрический ток, вырабатываемый тяговым генератором, поступает в тяговые электродвигатели*, приводящие в движение колесные пары* локомотива.
2. Электрическая машина постоянного тока в роли тягового генератора
Электрическая машина постоянного тока состоит из неподвижной части статора и подвижной ротора (якоря).
Для работы электрической машины постоянного тока в режиме генератора необходимы два фактора: вращение ротора (на рисунке рамка из медного провода, её называют секцией) от какого-либо привода и магнитный поток главных полюсов (магнитов, расположенных над рамкой).https://dzen.ru/a/aGA9OxFprRc12pl7).
Стороны вращающейся секции пересекают линии магнитной индукции постоянного магнита, и в них наводится электродвижущая сила.
Подробнее о процессах, происходящих внутри генератора, и устройстве электрической машины постоянного тока можно посмотреть в предыдущей статье «Электрическая машина постоянного тока».
Только не напрягайтесь, в статье всё доступно и просто, а небольшая предыстория поможет вам понимать разворачивающиеся события, а значит, будет интересно))).
3. Тяговый генератор постоянного тока
Тепловозы ТЭ3, 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В; 2ТЭ10М — заслуженные ветераны ХХ века, ушедшие или уходящие в историю. Всех их, помимо буквы «Т» (тепловоз), объединяет буква «Э» в аббревиатуре, означающая, что конструкция данного локомотива имеет электрическую передачу, а еще их объединяет тяговый генератор постоянного тока.
Тяговый генератор и дизель установлены в машинном отделении и объединены в дизель-генераторную установку. Коленвал* работающего дизеля вращает ротор (якорь) тягового генератора постоянного тока. Медная обмотка, уложенная в пазах сердечника, вращается вместе с якорем и пересекает линии магнитного потока, который наводят электромагниты (главные полюса), прикрепленные к корпусу (станине) тягового генератора изнутри.
По закону М. Фарадея в якорной обмотке наводится электродвижущая сила (ЭДС), которая гонит свободные электроны в заданном направлении. Тяговый генератор вращается даже когда тепловоз стоит и в его токе тяговые двигатели не нуждаются. Такой режим работы генератора называется «холостой ход».
Поворот рукоятки контроллера* в первую позицию и мощные поездные контакторы соединяют тяговый генератор с тяговыми электродвигателями. Благодаря наведенной ЭДС по цепи идет ток и локомотив начинает движение.
А знаете, в чем фишка генератора постоянного тока? Если на пусковую и якорную обмотки дать ток, генератор начнет работать в режиме электродвигателя, проворачивая коленвал дизеля для запуска тепловоза.
Номинальный ток, выдаваемый генератором, в районе 4320 ампер. Чтобы благополучно снимать такие токи с вращающейся поверхности коллектора, установлены десять бракетов из алюминия, на которые установлены по девять щеткодержателей (тепловоз 2ТЭ10Л). В каждом щеткодержателе по две щетки, выполненные из электрографита. Щетки снимают ток с вращающейся поверхности коллектора.
С коллектора через пять плюсовых бракетов наведенный в якорной обмотке ток поступает в тяговые двигатели и, выполнив свою работу, возвращается через пять минусовых бракетов и коллектор обратно в якорную обмотку.
4. Первые проблемы
Рассвет экономики СССР пришелся на 60-е годы. Рост грузооборота и пассажиропотока требовал увеличения веса и длины поездов, уже не оставляя шансов устаревающему локомотивному парку с мощностью дизелей в 2000 л.с. Приходилось использовать по несколько локомотивов на один поезд, что крайне нерентабельно (удвоенный расход ГСМ, увеличение количества локомотивных бригад и т.д.). Перед министерством путей сообщения была поставлена задача внедрения локомотивов с силовой установкой мощностью 3000 л.с. и более, что и было успешно решено.
Проблемы возникли, когда с увеличением мощности дизеля потребовалось увеличить и размер тягового генератора. Увеличение диаметра якоря повлекло за собой увеличение линейной окружной скорости поверхности коллектора, ведь по законам физики чем дальше вращающаяся точка от центра, тем выше ее линейная скорость вращения. Не забываем, что ток снимается с якорной обмотки через коллектор и щетки. Для устойчивой коммутации (прием тока с коллектора на щетки) необходимо выполнение условия, чтобы скорость вращения поверхности коллектора под щеткой не превышала 60–70 м/с.
Другая проблема при увеличении габаритов якоря возникла с увеличением длины секций якорной обмотки. Величина ЭДС секции якорной обмотки зависит от величины магнитного потока главных полюсов, активной длины* стороны секции и частоты оборотов якоря. Рост длины секции вызывает увеличение ЭДС и напряжения между соседними коллекторными пластинами, а как только оно превысит примерно 30–35 Вольт, начнется переброс дуги с одной коллекторной пластины через изоляцию на соседнюю. Возникает круговой огонь, вызывающий подгар и оплавление пластин коллектора, машина выходит из строя. Дальнейшее развитие электрических машин в качестве тяговых генераторов зашло в тупик.
5. Простейший генератор переменного тока
Источником неприятностей для дальнейшего развития генератора постоянного тока в качестве тягового стал коллектор. Вывод: от коллектора нужно отказаться, а бесколлекторной электрической машиной является машина переменного тока.
Простейший генератор переменного тока можно собрать в домашних условиях. Достаточно постоянный магнит прикрепить на ось с подшипниками внутри стального цилиндра, выполняющего роль корпуса (станины), в корпус запрессовать наборный сердечник из листов электротехнической стали* с пропиленным в нем продольным пазом. В паз укладываем рамку (секцию) из медного провода, изолированного от сердечника.
Как только начинается вращение магнита от какого-либо привода, поле вокруг магнита начинает вращение и пересекает секцию, уложенную в пазу, то южным, то северным полюсом. По закону М. Фарадея в секции наводится ЭДС, которая меняет свое направление в электрической цепи вместе со сменой полюсов с северного на южный. В итоге от генератора к потребителю идет переменный ток, частота которого (изменение направления движения за единицу времени) зависит от скорости вращения магнита, прикрепленного на оси. Так как частота тока генератора строго пропорциональна частоте вращения ротора, генератор получил второе название «синхронный».
6. Промышленный синхронный генератор
Мысля логически, понимаем, что промышленный генератор создан для промышленности ))), поэтому ротор нужно модернизировать, слишком слабое магнитное поле наводит постоянный магнит. Попытки увеличить габариты магнита приведут к тому, что электрическая машина станет громоздкой и ненамного эффективней.
Есть другое решение — расположить на валу электромагнит*. При относительно небольших габаритах электромагнит создает мощный магнитный поток, а значит, и ЭДС в якорной обмотке будет на порядок выше.
На роторе разместили электромагнит, состоящий из наборного сердечника и изолированной от сердечника обмотки возбуждения из медного провода. От источника постоянного тока на обмотку возбуждения ток подают через контактные щетки и стальные контактные кольца, расположенные на валу на изоляционных втулках.
Постоянный ток проходит по виткам обмотки возбуждения от плюса источника к минусу, наводя вокруг каждого витка магнитное поле, а чтобы оно не рассеивалось по воздуху, обмотку намотали на стальной сердечник. Магнитная проводимость стали на порядок выше, чем у воздуха, поэтому благодаря сердечнику создается направленный магнитный поток.
Достаточно заставить вращаться ротор от какого-либо привода, магнитный поток электромагнита начнет пересекать три обмотки, уложенные в пазах сердечника корпуса (станины) генератора, наводя поочередно в каждой равные по значению ЭДС, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120 градусов. Для этого каждую обмотку уложили в пазах сердечника, сместив относительно другой на 120 градусов. Сверху пазы забивают клиньями из текстолита.
Сердечник статора запрессовывается в станину, обязательно из множества листов, выполненных из электротехнической стали. При плавке в сталь добавляют 4% кремния, умышленно ухудшая проводимость. Всё это меры по борьбе с вихревыми токами, образующимися в любой стальной детали, помещённой в переменное магнитное поле.
Вихревые токи могут нагреть сталь до температуры плавления и, естественно, вывести машину из строя. Но если эту самую деталь выполнить не цельную, а набранную из множества стальных листов (в технической литературе называют «шихтованная»), она нагревается на порядок меньше. Так как величина вихревого тока пропорциональна площади контура, то такое разбиение площадей даёт эффект.
7. Что такое звезда?
Три обмотки, уложенные в пазах сердечника статора, — это три начала обмоток и три конца, по сути, шесть проводов, которые пойдут к потребителю, что крайне непрактично. Выведем начала обмоток (назовём их А, В, С), чтобы по ним шёл ток к потребителю. Эти провода будут называться линейными. Концы обмоток соединим в общую точку (её называют нулевой) и с этой точки выведем нейтральный (нулевой) провод. По нему ток будет возвращаться от потребителя к генератору.
При соединении обмоток генератора «звездой» существует интересная закономерность: если вы тестером замерите напряжение между любыми двумя линейными проводами, оно будет на корень из трех (1,732) больше, чем напряжение между любым линейным и нулевым проводами. Т. е. если напряжение между линейными проводами 380 В, то напряжение между линейным и нулевым обязательно будет 220 В.
8. Тяговый генератор ГС 501
Статор.
В станину, выполненную из стали повышенной магнитной проводимости, набирают сердечник из листов электротехнической стали*. В каждом листе выштамповано 144 паза для статорной обмотки и 120 отверстий, по которым будет проходить поток охлаждающего воздуха.
В пазы укладывают обмотку из медного провода и забивают пластиковыми клиньями. И вот тут самое интересное. Сначала укладывают три фазы, смещенные относительно друг друга на 120 градусов, соединенные звездой (линейные провода обозначены 1Х1, 1Х2, 1Х3), а затем отсчитывают 30 градусов и начинают укладывать вторую звезду (2Х1, 2Х2, 2Х3), фазы которой также смещены относительно друг друга на 120 градусов. В итоге от генератора будут выходить шесть линейных проводов и два нулевых.
Нельзя допустить, чтобы лобовые части обмотки лежали на корпусе, поэтому в станине установлены два изолирующих кольца. На них укладываются лобовые части обмотки и закрепляются колодками. Такая конструкция называется обмоткодержателем.
Ротор.
Обмотку в статор уложили, клиньями забили, пропитали лаком, высушили в печи и покрыли электроизоляционной эмалью. Для наведения в ней ЭДС необходимы электромагниты, вращающиеся на валу (второе название — индуктор).
К укороченному стальному валу (полувалу) приваривается стальной пустотелый барабан, называемый корпусом ротора. На корпус ротора набирается шихтованный сердечник из листов электротехнической стали, в котором выполнены 12 пазов в форме ласточкина хвоста. В эти 12 пазов устанавливаются 12 электромагнитов (полюсов).
Каждый полюс состоит опять из наборного сердечника, на который намотана обмотка возбуждения из медной шины. Обмотка для прочности пропитывается эпоксидным компаундом. Получается монолитная конструкция, не боящаяся сырости и вибрации. Все 12 полюсов соединены между собой последовательно, образуя обмотку возбуждения ротора. Начало обмотки приваривается к плюсовому контактному кольцу, конец — к отрицательному.
На полувал напрессовываются два контактных кольца из нержавеющей стали, изолированные от вала. По кольцам скользят электрографитовые щетки, установленные в шесть латунных щеткодержателей, установленных на двух подвесках. Вся эта система имеет одну цель — активировать 12 электромагнитов от постороннего источника постоянного тока. На тепловозе этим источником является отдельно стоящий генератор, называемый «возбудителем».
С противоположной стороны корпуса ротора приварен фланец для крепления к коленвалу дизеля, поэтому нет смысла опирать ротор на два подшипника и тем более изготавливать длинный вал, проходящий через весь ротор. Полувал ротора опирается на один роликовый подшипник.
9. Достоинства и недостатки
В заключение нам осталось, как говорят в народе, подбить бабки. Почему же тепловозники ушли от генераторов постоянного тока и выбрали ГС-501? Ток, необходимый для тяговых электродвигателей, снимается с неподвижной статорной обмотки, что автоматически отметает проблемы с габаритами, ЭДС и линейной скоростью. Тяговый генератор ГС-501 весит шесть тонн против девяти у его собрата — генератора постоянного тока при одинаковой мощности дизелей. Отсутствие капризных коллектора и мощного щеточного аппарата, нуждающихся в постоянном контроле на каждом ТО, увеличивает надежность синхронного генератора, сокращая простой на обслуживании, и уменьшает вероятность внеплановых заходов локомотива в депо, а разница расхода меди составляет приблизительно 860 кг против 1907 кг.
Как говорится, за всё хорошее надо платить, обсудим и недостатки. К сожалению, синхронный генератор не может работать в пусковом режиме, и его двенадцать полюсов нуждаются в токе от постороннего источника, поэтому тепловоз с синхронной машиной придется оборудовать стартер-генератором* и возбудителем*.
В российском тепловозном парке пока преобладают тепловозы с тяговыми электродвигателями постоянного тока, а тяговый генератор ГС-501 вырабатывает переменный ток. Ещё одно вынужденное дооснащение — выпрямительная установка УВКТ-5*, выпрямляющая переменный ток в постоянный.
Несмотря на все вынужденные неудобства, связанные с постановкой синхронного генератора, его вес совместно с выпрямительной установкой меньше, чем вес генератора постоянного тока. Экономия меди, надежность и простота в обслуживании и ремонте не идут ни в какое сравнение, а стартер-генератор после запуска начинает работать в режиме генератора, заряжая аккумуляторную батарею после запуска и снабжая электричеством все нуждающиеся потребители тепловоза.
В заключение обращу внимание читателей на наличие терминов, отмеченных снежинкой*, описание назначения которых можно будет встретить в следующих статьях, или информацию о них можно почерпнуть в наших коротких развивающих фильмах на нашем телеграм-канале https://t.me/mihailsilko24 или в набирающем в последнее время популярность «Рутубе» https://rutube.ru/channel/22129608/.
Приглашаем посмотреть более 50-ти коротких обучающих фильмов, посвященных назначению, устройству и принципу работы различных узлов и агрегатов тепловозов и электровозов. Отписаться никогда не поздно, так что заходите на наш канал))). До скорых встреч!