Вентильные тяговые электродвигатели

Достижения силовой полупроводниковой техники позволяют принципиально усовершенствовать электрические машины. Меха­нический коллектор электрической машины постоянного тока мо­жет быть заменен вентильным устройством. Электрическая маши­на в этом случае называется вентильной. Как и тяговый асинхронный привод, вентильный привод состоит из трех основ­ных элементов: электрической машины, преобразователя частоты и фаз (ПЧФ), аппаратуры управления. Однако устройство и взаи­модействие этих элементов в каждой схеме различны.

В схеме вентильного электродвигателя электрическая машина по­добна по конструкции синхронной. На статоре располагается мно­гофазная обмотка переменного тока, в роторе — обмотка возбуж­дения постоянного тока. При вращении ротора ток в фазах статора переключается ПЧФ, причем коммутация происходит под воздей­ствием ЭДС самой электрической машины. Система управления, контролируя вращение электрической машины, отпирает очеред­ные вентили в определенных положениях ротора.

По своему принципу действия вентильный электродвигатель подо­бен машине постоянного тока, в которой механический коллектор за­менен ПЧФ. Однако в отличие от нее вентильный электродвигатель имеет малое число коммутируемых выводов. Вполне удовлетворитель­ные результаты по использованию активных материалов машины достигаются при простейшей обмотке статора в виде трехфазной звез­ды. Вентильная коммутация тока в обмотке статора допускает зна­чительное напряжение между выводами, достигающее нескольких сотен и даже тысяч вольт.

Вентильный электродвигатель подобен электродвигателю посто­янного тока также и по электромеханическим характеристикам, которые определяются схемой питания обмотки возбуждения. Как и машина постоянного тока, вентильный электродвигатель имеет обычный для тяговых электродвигателей воздушный зазор в не­сколько миллиметров, что очень важно для эксплуатации.

К недостаткам вентильного электродвигателя можно отнести на­личие щеточного аппарата на роторе. Однако именно возбуждение постоянным током обеспечивает коммутацию тока в обмотках ста­тора без специальных коммутирующих устройств; одновременно появляется возможность дополнительного регулирования скорос­ти за счет ослабления возбуждения.

Рассмотрим работу вентильного электродвигателя при питании его постоянным током. На рис. 4.16 приведена схема электродвигателя, по­строенного на основе синхронной машины, концы статорной обмотки

которой 1, 2, 3 через венти­ли VS1—VS6, ПЧФ присоедине­ны к источнику постоянного тока В У. Предположим, что ток про­текает по фазам 1 и 2 (рис. 4.17, а) в указанном направлении. Резуль­тирующее поле статорной обмот­ки Ф , взаимодействуя с полем ротора Ф , создает вращающий момент.

При указанных направле­ниях полей Ф_с и Ф ротор будет вращаться по часовой стрелке. Если после поворота ротора на оп­ределенный угол переключить ток с фазы 2 на фазу 3, то Ф_с повернет­ся в направлении вращения рото­ра на 60 эл. градусов.

Рис. 4.17. Графики токов (а) и напряжений (б) вентильного двигателя

Ротор будет продолжать поворачиваться в том же направлении, следуя за по­лем статора. После поворота ротора на 60 эл. градусов фаза / поте­ряет питание, а ток будет протекать по фазе 2 в направлении, проти­воположном первоначальному. Это приведет вновь к повороту поля статора на 60 эл. градусов. Переключая поочередно выводы статорной обмотки, получают непрерывное вращение ротора.

На рис. 4.17, б показаны кривые противо-ЭДС фаз е₁, е₂, е₃, наводи­мые полем ротора. Каждая фаза работает в период наибольших значе­ний противо-ЭДС. Вентильный электродвигатель развивает пульсиру­ющую противо-ЭДС, которая показана на графике сплошной линией, огибающей кривые суммарных противо-ЭДС двух фаз e_2l, e_3l, e₃₂ и т. д.

Рассмотренный режим работы вентильного двигателя является наи­выгоднейшим, поскольку он соответствует наибольшей средней вели­чине пульсирующей противо-ЭДС и наибольшему среднему значению вращающего момента при данном токе нагрузки и возбуждения. В та­ком режиме предполагается мгновенная коммутация тока с фазы на фазу и в моменты, когда противо-ЭДС последующей фазы, возрастая, достигает величины убывающей противо-ЭДС предыдущей фазы.

В действительности начало коммутации, т. е. момент включения всту­пающей в работу фазы, должно опережать на некоторый угол Р момент равенства противо-ЭДС коммутирующих фаз (штриховые линии на ри­сунке), так как только при этом условии возникающая в «короткозамкнутом коммутирующем контуре с_к имеет направление, необходимое для коммутации тока с вентиля VS5 на VS6. Введение угла опережения от­пирания вентилей ПЧФ вызывает уменьшение среднего значения про­тиво-ЭДС машины. Это означает, что при заданной величине питаю­щего напряжения повысится частота вращения электрической машины, но снизится развиваемый ею вращающий момент. Угол коммутации из­меняется в значительных пределах при изменении нагрузки электродви­гателя и частоты вращения, особенно при изменяющемся возбуждении. Изыскание простых и надежных способов, обеспечивающих оптималь­ные условия коммутации, является одной из основных задач теории и практики тягового вентильного электродвигателя.

Вентильный электродвигатель может работать и от сети перемен­ного тока. В этом случае ПЧФ осуществляет и выпрямление пере­менного тока. Несмотря на увеличение мощности обмотки возбуж­дения вентильного электродвигателя по сравнению с коллекторными электродвигателями постоянного тока, общий объем, занимаемый полюсной системой вентильного электродвигателя, меньше, чем у коллекторного, в связи с отсутствием дополнительных полюсов и их обмоток. Коэффициент полюсного перекрытия вентильного элект­родвигателя может быть принят больше, чем у коллекторного элект­родвигателя, и воздушный зазор может быть выполнен одинаковым под всей поверхностью полюсов. Поэтому при прочих равных усло­виях можно получить больший магнитный поток.

В зоне низких частот вращения якоря вентильного электродвига­теля рекомендуется применять принудительную коммутацию токов, которую можно использовать также и для повышения коэффициен­та мощности тягового синхронного генератора. В этом случае уст­ройства принудительной коммутации вводят либо в контур машин­ной коммутации и инвертор (ПЧФ) выполняют по принципу автономного инвертора тока, либо выполняют инвертор по принци­пу автономного инвертора напряжения, когда коммутирующий кон­денсатор не входит в контур машинной коммутации Вентильные тяговые электродвигатели используют также в си­стемах электрического торможения. Режим торможения для вен­тильных электродвигателей протекает легче, чем режим тяги, так как отсутствует угол запаса машинной коммутации. Существен­ным преимуществом вентильных электродвигателей является их электрическая устойчивость, которая обеспечивается без приме­нения дополнительных средств стабилизации (например, балла­стных тормозных резисторов в цепи обмоток возбуждения кол­лекторных тяговых электродвигателей). Устойчивость объясняется большим индуктивным сопротивлением якорной обмотки, что обусловливает падающую внешнюю характеристи­ку вентильного электродвигателя, работающего в режиме гене­ратора. Этим же объясняются электрическая устойчивость парал­лельно работающих вентильных тяговых электродвигателей в генераторном режиме и удовлетворительное распределение на­грузок между машинами.

В настоящее время построены и работают на электровозах ЭП200 и ряде зарубежных тепловозов образцы тяговых вентильных электро­двигателей мощностью до 1400 кВт. Эксплуатационные испытания дадут возможность выявить преимущества и недостатки его перед тяговым асинхронным двигателем. Создание отечественного тягово­го вентильного электродвигателя для тепловоза является вполне осу­ществимой задачей и позволит решить важную проблему увеличения мощности и надежности при одновременном снижении массы элект­рической машины.

Вентильные тяговые двигатели.Попыт­ки использовать бесколлекторные двига­тели переменного тока в электрической тяге делались еше в 30-х годах. Однако практическая возможность их примене­ния появилась лишь после освоения промышленностью серийного выпуска силовых тиристоров и диодов, а также полупроводниковых элементов, позво­ляющих рационально выполнять системы управления и регулирования частоты пи­тающего напряжения.

Вентильный тяговый двигатель по конструкции является синхронной маши­ной, у которой обмотка якоря располо­жена на статоре, а обмотка возбуж­дения — на роторе. Статор вентильного двигателя (рис. 105) состоит из литого остова 7 и шихтованного из электротехни­ческой стали Э1300 сердечника. Остов служит корпусом двигателя и внешне не отличается от остовов тяговых двига­телей пульсирующего тока, а сердечник является магнитопроводом.

Сердечник 9 запрессован в остов меж­ду массивными кольцевыми боковинами 13. По наружному диаметру он стянут планками 8, приваренными к остову и к боковинам. От проворачивания сердеч­ник удерживается шпонкой и шестью штифтами, вставленными в отверстия остова и накладок. Для снижения пото­ков рассеяния и потерь между бокови­нами и пакетом установлены немагнит­ные изоляционные листы 12.

На наружной поверхности сердечника в 12 точках установлены датчики управ­ления двигателем по положению магнит­ного потока. Каждый датчик имеет одну заданную и две считывающие одновит-ковые обмотки из провода ПСД диа­метром 1,16 мм. Общий кабель от них выходит в коробку выводов, в которой через штепсельный разъем он соеди­нен с устройством управления электро­возом.

Пазы сердечника по его длине имеют скос на одно пазовое деление. В них расположена двухслойная волновая об­мотка. Корпусная изоляция ее катушек выполнена шестью слоями стеклослюди-нитовой ленты Л2С25КС 0,09 X 20 мм, наложенной вполуперекрышу. В пазах обмотка закреплена стеклопластовыми клиньями. Вывод статорнои обмотки до коробки выводов выполнен двойной шиной.

Роторы вентильных двигателей имеют различные конструктивные исполнения. На электровозе ВЛ80^в-216 были уста­новлены шестиполюсные вентильные дви­гатели с явнополюсным ротором.

Такое исполнение ротора техноло­гически проще, однако в тепловом и механическом отношении материалы ро­тора и изоляции полюсных катушек ока­зались перегруженными. Связано это с тем, что м.д.с. возбуждения для вентиль­ного двигателя с учетом реакции якоря и углов коммутации превышают м.д.с. хо­лостого хода примерно в 1,8 раза, в то время, как в машине постоянного тока —всего лишь в 1,2 раза. Кроме того, из-за полюсных распорок ухудшался отвот. тепла от катушек возбуждения.

Поскольку частоты вращения будут по-видимому, возрастать по мере совер­шенствования подшипникового узла редуктора, увеличится и теплонапряженость в результате стремления вписать большую мощность в заданные габарить: Поэтому единственно возможной оказа­лась конструкция ротора с неявно выра­женными полюсами.

В отличие от обычных синхронных шин у вентильного двигателя должна быть надежная демпферная обмотка со стержнями достаточного сечения дд снижения сверхпереходного реактивного сопротивления двигателя. Стержни 15 демпферной обмотки медные, расположе­ны равномерно по всей окружности рото­ра. Как показывают расчеты, такая кон­струкция демпферной обмотки позволяет получить сравнительно невысокие сверх­переходные индуктивные сопротивления якорной обмотки при допустимых потерях в стержнях, обусловленных процессов коммутации.

Для неявно выраженных полюсов ро­тора систему демпферных стержней у но расположить либо в верхней части пазов в виде крепящего обмотку вот"; дения металлического клина, либо з отверстии зубцов. Первый способ техно­логически неудобен из-за трудности сва­ривания концов стержней (клиньев) на соединительных кольцах. Вторая конст­рукция демпферной клетки предпочти­тельнее, так как стержни могут быть приварены прямо к медному крайне-1 листу, специально выштампованному для этой цели. Преимущество такой конст­рукции еще и в том, что демпферная клетка может быть изготовлена на роторе до укладки обмотки возбуждения. Такую конструкцию ротора имеют вентильные восьмиполюсные двигатели НБ-601 электровоза ВЛ80^в-661.

Рис. 105. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы тягового двигателя НБ-601 электровоза

ВЛ80^в-661:

1 — вал; 2 — роликовый подшипник; 3 — втулка якоря; 4 — подшипниковый щит; 5 — кольца; 6 — щет­кодержатель; 7 — остов; 8 — планки; 9 — сердечник остова; 10 — обмотка статора;. 11 — сердечник ротора; 12 — немагнитные прокладки (листы); 13 — боковина сердечника статора; 14 — букса; 15 — стержни демпферной обмотки