Существенно повысить силу тяги и скорость движения невозможно, не
увеличив мощность тяговых двигателей электровозов. Но дальнейшее
повышение их мощности осуществлять все трудней и трудней. Этому
препятствуют прежде всего размеры тягового двигателя: длина его
ограничена расстоянием между бандажами колесных пар, диаметр -
расстоянием между осью колесной пары и валом двигателя - централью Ц
(см. рис. 3). До сих пор при наличии жестких габаритных ограничений
размеров двигателей мощность их повышали, применяя более
теплостойкие изоляционные материалы, усиливая охлаждение, увеличивая
число пар полюсов, применяя компенсационную обмотку, выбирая
оптимальное напряжение для тяговых двигателей электровозов
переменного тока.
С повышением мощности двигателей все напряженнее работает
коллекторно-щеточный узел. Его состоянием в значительной мере
определяется продолжительность работы электровоза между осмотрами и
ремонтами. Повышение мощности коллекторных тяговых двигателей не
способствует увеличению их надежности и к. п. д. Поэтому вполне
понятно стремление создать мощный бесколлекторный тяговый двигатель.
Электровозы с асинхронными тяговыми двигателями. На протяжении всей
истории создания и совершенствования электровозов не раз пытались
использовать на них самый простой и дешевый асинхронный двигатель.
До недавнего времени этого не удавалось сделать, так как частоту его
вращения можно экономично регулировать только изменением частоты
питающего тока. Применяемые ранее с этой целью электромашинные
преобразователи были тяжелыми и громоздкими. Появление тиристоров
открыло путь для создания легкого и надежного преобразователя
частоты.
Устройство асинхронного тягового двигателя, как отмечалось,
несложно. Он имеет неподвижный статор и вращающийся ротор (рис.
126). Различают асинхронные двигатели с короткозамк-нутым ротором и
с фазовым ротором. В качестве тяговых используют асинхронные
двигатели с короткозамкнутым ротором. Сердечник такого ротора, как и
статора, собирают из листов электротехнической стали. Обмотка ротора
состоит из медных стержней, расположенных в пазах сердечника и
замкнутых с торцов кольцами. Обмотка представляет собой так
называемое <беличье колесо>.
В пазах статора уложены три обмотки, сдвинутые одна относительно
другой на 120°. Эти обмотки обычно соединяют <звездой> (рис. 126,
а). При включении обмоток в трехфазную цепь по каждой из них
проходит переменный ток и создается три переменных магнитных потока.
Потоки, складываясь, образуют результирующий поток, вращающийся с
частотой 3000 об/мин при одной паре полюсов на каждую фазу.
Вращающийся магнитный поток статора двигателя, пересекая обмотку
ротора, наводит в ней э. д. с. Под действием э. д. с. в обмотке
ротора проходит ток, создающий собственный магнитный поток.
Магнитные потоки статора и ротора взаимодействуют, в результате чего
ротор начинает вращаться.
Рис. 126. Схема (а), статор (б) и ротор (в)
асинхронного двигателя
Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения
магнитного потока статора, иначе силовые линии не пересекали бы
обмотку ротора. Разность этих частот вращения называется
скольжением. Увеличивая число пар полюсов, можно получить другие
частоты вращения магнитного потока: 1500, 1000, 750 об/мин и т. д.
Частота вращения ротора будет несколько меньше этих значений.
Обычно скольжение составляет 1 - 3% синхронной частоты.
Следовательно, если изменять частоту питающего напряжения в широких
пределах и тем самым синхронную частоту, вместе с ней будет
изменяться и частота вращения ротора. Но, помимо частоты, необходимо
регулировать и напряжение, подводимое к асинхронному двигателю, для
того, чтобы получить тяговую характеристику, примерно такую, как при
использовании двигателей постоянного тока с последовательным
возбуждением.
Регулирование напряжения осуществляется, как и на отечественных
электровозах переменного тока, переключением вторичной обмотки
тягового
трансформатора с помощью главного контроллера Г К (рис. 127)
ступенями. Затем в выпрямительной установке В напряжение
выпрямляется и подается на инвертор И. В выпрямителе осуществляется
плавное регулирование напряжения, подводимого к инвертору И.
Открывая и закрывая тиристоры инвертора в определенной
последовательности, получают трехфазное напряжение, которое
подводится к обмотке статора асинхронного двигателя АД. Напомним,
что к обычным асинхронным двигателям подводится переменное
трехфазное напряжение, а следовательно, и ток, изменяющийся
синусоидально. При этом каждая фаза питающего напряжения сдвинута
относительно другой на 120° эл., как показано на рис. 128. Для
наглядности изменение напряжения каждой фазы показано на отдельных
осях. При формировании трехфазного напряжения на электровозе с
асинхронными двигателями тиристоры инвертора создают напряжение
ступенчатой формы в каждой фазе. Частота напряжения, подводимого к
асинхронному двигателю, регулируется изменением частоты переключения
этих тиристоров.
В инверторе предусмотрено специальное устройство, надежно
восстанавливающее управляющие свойства тиристоров при срыве
инвертирования. Реверсирование тяговых двигателей осуществляют,
переключая цепи управления тиристоров инвертора, так как для
изменения направления вращения асинхронного двигателя достаточно
поменять местами любые две подводимые фазы питающего напряжения.
На основе разработок научно-исследовательских и учебных институтов
на Новочеркасском электровозостроительном заводе построен электровоз
переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями ВЛ80а на базе
электровоза ВЛ80К. Мощность каждого тягового двигателя составляет
1200 кВт, т. е. в 1,5 раза больше, чем коллекторного двигателя
электровоза ВЛ80К. Один из вариантов (12-осный, мощность часового
режима 11400 кВт) электровоза с асинхронными тяговыми двигателями
получил обозначение ВЛ86Ф. Он разработан в содружестве с финской
фирмой "Стрёмберг".
Электровозы с вентильными синхронными двигателями. В качестве
бесколлекторных тяговых двигателей на электровозе можно использовать
и синхронные двигатели со статическими (вентильными)
преобразователями - так называемые вентильные двигатели.
Поясним принцип работы вентильного двигателя. На его статоре
расположена трехфазная обмотка, а на роторе - обмотка возбуждения
постоянного тока (рис. 129). Начало и конец обмотки возбуждения
соединены с двумя кольцами, электрически изолированными одно от
другого. Фазные обмотки статора соединены в <звезду>; начала их
подключены к преобразователю - инвертору И (или источнику
постоянного тока). Инвертор И питается от выпрямителя В,
подключенного к вторичной обмотке тягового трансформатора. Если,
например, в какой-либо момент времени открыты тиристоры VS1 и VS5
инвертора, ток от выпрямителя В пройдет через тиристор VS1, обмотки
статора I и //, тиристор KS5, обмотку возбуждения ОВ и возвратится в
выпрямитель. При указанном стрелками направлении тока в обмотках I,
II и обмотке возбуждения результирующий магнитный поток статора,
взаимодействуя с потоком обмотки возбуждения, создаст вращающий
момент, и ротор повернется по часовой стрелке. Переключая в
определенном порядке выводы статорной обмотки, можно обеспечить
непрерывное вращение ротора.
Рис. 127. Структурная схема электровоза с
асинхронными двигателями
Рис. 128. Диаграмма фазных напряжений
асинхронного тягового двигателя
Рис. 129. Принципиальная схема вентильного
двигателя
Таким образом, по принципу действия вентильный двигатель подобен
машине постоянного тока, у которой коллектор заменен системой
силовых управляемых вентилей инверторной установки. В отличие от
двигателя постоянного тока вентильный двигатель имеет только три
коммутируемых вывода при трехфазной обмотке вместо нескольких сотен
коллекторных пластин. Кроме того, обмотка возбуждения в вентильном
двигателе стала подвижной, а якорь - неподвижным. Вентильная
коммутация тока в обмотках допускает значительное напряжение между
выводами - до нескольких тысяч вольт. Напомним, что обычный
механический коллектор удовлетворительно работает при напряжении
между коллекторными пластинами не более 30-32 В (максимальное
допустимое 37-42 В). Переключение выводов статорной обмотки в
необходимой очередности и соответственно изменение положения ротора
осуществляет система управления, имеющая специальный датчик
положения ротора.
Вентильный двигатель является многофазной машиной, обмотка якоря
которой питается от преобразователя, управляемого синхронно с
вращением ротора, снабженного обмоткой возбуждения. Таким образом,
вентильный двигатель состоит из электрической машины, вентильного
преобразователя и связывающей их системы управления.
Новочеркасским электровозостроительным заводом первоначально был
построен опытный образец восьмиосного грузового электровоза ВЛ80В с
вентильными тяговыми двигателями. После испытания его была выпущена
небольшая партия подобных электровозов для эксплуатационных
испытаний. Электровозы оборудованы системой автоматического
управления, действующей в режимах тяги и электрического торможения.
На электровозе применено независимое возбуждение вентильных
двигателей от выпрямителей-возбудителей, изменяющих ток возбуждения
пропорционально току обмотки якоря двигателя. Ротор двигателя имеет
шесть полюсов, ток к обмотке возбуждения подводится через два кольца
и щетки.
Частота вращения двигателя регулируется изменением подводимого
напряжения. Напряжение вторичной обмотки, а следовательно, и
выпрямителя регулируется примерно так же, как и на электровозах
переменного тока с коллекторными двигателями. Исключено только
встречное включение регулируемой и нерегулируемой обмоток
трансформатора и несколько повышено их напряжение. После того как к
двигателям будет подведено номинальное напряжение, дальнейшее
увеличение скорости осуществляется регулированием магнитного потока
возбуждения.
На опытных электровозах ВЛ80В схема выпрямления и преобразования
тока несколько отличается от изображенной на рис. 129. На рис. 129
показаны отдельно выпрямитель В и инвертор И, т. е. приведена так
называемая схема с явным звеном постоянного тока. На электровозе
ВЛ80В выпрямитель и инвертор совмещены.
