Вентильные тяговые двигатели

Электромагнитная система вентильного тягового двигателя подобна синхронной машине. На статоре расположена равномерно распределенная якорная обмотка и на роторе (вращающейся части) обмотка возбуждения постоянного тока, питаемая через специальные контактные кольца и щетки. По принципу действия вентильный двигатель подобен машине постоянного тока, в которой электромеханический коллектор заменен системой управляемых вентилей. Рассмотрим работу такой системы от общего к частному. Принципиальная схема электропривода с тяговыми вентильными двигателями показана на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Принципиальная схема электропривода с тяговыми вентильными двигателями: Ср – сглаживающий реактор; 1 – трансформатор; 2 – тиристорный коммутатор; 3 – статорная обмотка; 4 – роторная обмотка; 5 – измеритель положения ротора; 6 – устройство управления тиристорами

Так как по обмоткам якоря необходимо пропускать постоянный ток, применяют два тиристорных коммутатора. Допустим, необходимо пропустить постоянный ток по фазе С и В, тогда в первый полупериод будут работать тиристоры Т1 и Т2, во второй Т3 и Т4. Обмотка возбуждения получает питание через мостовую схему выпрямления. Определено, что необходимо пропускать ток по соответствующим ветвям якорной обмотки. Это утверждение – первый шаг к обоснованию принципа работы вентильного двигателя. Для простоты рассмотрим работу вентильного двигателя с использованием лишь одного тиристорного коммутатора, считая, что ток уже выпрямлен (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Схема вентильного двигателя с явно выраженным звеном постоянного тока

Допустим, ток протекал вначале по обмоткам А и В в направлении от А к В. Чтобы детально рассмотреть принцип работы коммутатора и образования вращающего момента, необходимо одновременно рисовать два рисунка, одним поясняя первый аспект, вторым иллюстрируя диаграмму замыкания тиристоров (рис. 9.3).

Взаимодействуя между собой магнитный поток статора Фс и ротора Фр, который направлен, как показано на рисунке образуют вращающий момент в соответствии с обычным правилом, как для двигателей постоянного тока (вытеснение проводника с током из магнитного поля). Вращающий момент направлен по стрелке. Для обеспечения протекания тока должны быть замкнуты тиристоры Т1 и Т4.

Рис. 9.3. Диаграмма замыкания тиристоров

Предположим, что ток протекает по фазам А и В в направлении от А к В.

Рис. 9.4. Принцип получения вращающегося поля

Если после поворота ротора на определенный угол (» 30°) переключить ток с фазы В на фазу С, то Фс повернется на 60° и соответственно на такой же угол повернется ротор двигателя. При этом замкнутся тиристоры Т1 и Т6. После поворота на 60° фаза А отключается от сети, и ток начинает протекать по фазе В и С. Далее процесс продолжается аналогично. Для обеспечения дальнейшего вращения переключается ток с фазы С на фазу А, и ток протекает по тиристорам Т3 и Т2.

При указанном способе формирования магнитодвижущей силы мдс идеализированная форма токов (допустим для фазы А будет иметь вид, показанный на рис. 9.6).

Рис. 9.5. Принцип получения вращающегося поля (продолжение)

Рис. 9.6. Идеализированная форма фазного тока

Пользуясь таблицей замыкания тиристоров, можно составить такую же диаграмму для всех токов. Для идеального случая такая диаграмма составляться не будет. Достаточно для одной фазы. А для реального распределения токов диаграмма представлена ниже. Но с начало, несколько слов о наводимой в обмотках эдс. В обмотках наводится две эдс от двух источников:

1) эдс от тока, протекающего по обмоткам статора , , , , , (первая буква, откуда вытекает ток, вторая куда втекает). Все они сдвинуты относительно друг друга на 60°;

2) эдс возникающая в обмотках статора при вращении ротора , , .

Проиллюстрируем это диаграммой (рис. 9.7).

Огибающая суммарная эдс характеризуется средним значением Е_ср. В реальных условиях, коммутация отличается от мгновенной в точке которая изображена выше.

Рис. 9.7. Эдс вентильного двигателя

Вынесем еА, еВ, еС на отдельную диаграмму (рис. 9.8) и покажем коммутацию эдс с фазы на фазу, а так же диаграмму изменения токов в условиях, когда коммутация осуществляется не мгновенно.

Рис. 9.8. Зависимость фазных токов и эдс от времени

Момент включения фазы, вступающей в работу, должен иметь опережение на угол ( -угол опережения) относительно момента выравнивания эдс коммутирующей секции (фазы). Только при этом условии будут нормально открываться и закрываться тиристоры. Причем т. е. коммутация должна оканчиваться раньше, чем сравняются эдс коммутирующих фаз, (ротор повернется на угол ). Период перехода тока (или изменения направления) (по аналогии) называется периодом коммутации и характеризуется углом . Так как тиристоры имеют определенный разброс параметров, то необходим некоторый запас по времени для их нормальной коммутации. Этот запас называют углом запаса и обозначают как .

По своим характеристикам вентильные тяговые двигатели аналогичны двигателям постоянного тока, поэтому их иногда называют в литературе безколлекторными двигателями постоянного тока.

Асинхронные двигатели

Физический процесс образования намагничивающей силы в асинхронных двигателях в общем аналогичен процессу в вентильном двигателе, но отличается от него тем, что ток идет сразу по трем фазам, правда, в двух фазах ток в половину меньше, чем в одной. В тяговом электромашиностроении преимущественное применение нашли двигатели с короткозамкнутым ротором. Конструктивное исполнение машины будет рассмотрено несколько позднее, а пока остановимся на образовании намагничивающей силы и форм фазных токов и напряжений.