Глава одиннадцатая
ОСНОВНЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ
1. Предварительные замечания
На центральных электростанциях генерирование электроэнергии производится в форме трехфазного тока промышленной частоты, но некоторые виды производства могут работать только на постоянном токе (например, выплавка алюминия, некоторые отрасли химической промышленности и т. д.), а в других случаях (прокатные установки и др.) постоянный ток имеет ряд преимуществ перед переменным. Соответственно чрезвычайному многообразию требований разного рода потребителей созданы машины постоянного тока в самом широком диапазоне мощностей — от нескольких ватт до тысяч киловатт, напряжений — от нескольких вольт до тысяч вольт, скоростей вращения, с самыми разнообразными рабочими характеристиками. Охватить в данной книге всю эту область машин постоянного тока нс представляется возможным. Поэтому здесь мы опишем только машины специального исполнения, представляющие наибольший интерес с теоретической или производственной точки зрения.
2. Основные типы машин постоянного тока
А. Машины нормального типа.
Машины постоянного тока нормального типа малой и средней мощности выполняются в настоящее время в сериях ПН и П.
В табл. 11-1 приведены основные данные машин постоянного тока серии ПН при напряжении 220 в, еще используемой в СССР.
В настоящее время в СССР спроектирована и выпускается новая серия нормальных машин постоянного тока П, призванная заменить серию ПН. Основные технические данные машин постоянного тока серии П (13—17 габаритов) указаны в табл. 11-2. В табл. 11-3 приведены некоторые данные двигателей серии П (9-11 габаритов) с глубоким регулированием скорости вращения ослаблением поля (1 4 и 1 8). По сравнению с машинами серии ПН машины новой единой серии П имеют лучшее использование активных материалов на 1 кВт мощности.
Б. Тяговые генераторы и двигатели.
Для преобразования переменного тока в постоянный на тяговых подстанциях устанавливаются, как правило, ртутные выпрямители. Но в некоторых особых случаях предпочтительнее установка машинных агрегатов. В этом отношении типичными можно считать агрегаты, установленные на подстанциях перевальных участков Закавказской и Кизеловской электрифицированных железных дорог и состоящие каждый из синхронного двигателя и двух последовательно соединенных генераторов смешанного возбуждения на 1000 кВт, 1500 в, 667 а.
Тяговые электродвигатели применяются для приведения в движение подвижного состава на самых различных видах транспорта: на городских, пригородных и магистральных электрических железных дорогах, на водном, внутризаводском, рудничном транспорте и т. д. В соответствии с этим тяговые двигатели постоянного тока выполняются на различные мощности и напряжения: от 1,5—5 кВт при 80—110 в для аккумуляторных тележек и шахтных аккумуляторных электровозов и до 500—2000 кВт при 750—1650 в для магистральных электровозов и имеют различные регулировочные и тормозные характеристики.
Различают длительный и часовой режимы работы тяговых электродвигателей.
Согласно ГОСТ 2582—56, номинальной длительной мощностью тяговой машины называется наибольшая развиваемая двигателем на валу или получаемая на зажимах генератора мощность при ко торой машина может работать длительно в условиях нормально действующей вентиляции и при закрытых смотровых коллекторных люках. При этом допустимые превышения температуры (перегревы) всех частей машины не должны выходить за пределы, установленные стан дартом.
Соответственно часовой мощностью тяговой машины называется мощность Рч, развиваемая машиной в течение 1 часа при тех же, что и выше, условиях вентиляции и при том же требовании в отношении перегревов.
Длительной и часовой мощности двигателя соответствуют длительные и часовые значения тока и скорости вращения: I∞, Iч, n∞ и nч. В современных хорошо вентилируемых двигателях, например для магистральных электровозов, отношения Рч = 0,85-0,90 и n∞ и nч=1,05-1,1.
По сравнению с машинами стационарного типа условия работы тяговых электродвигателей значительно тяжелее, так как габариты двигателя ограничены диаметром ведущих колес и шириной колеи; работа двигателя протекает в условиях частого пуска в ход при значительных ускорениях подвижного состава и сопровождается резкими изменениями напряжения на зажимах двигателя, тока и скорости вращения; равным образом возможны динамические воздействия на двигатель, вызывающие, в частности, вибрации щеток и щеткодержателей и этим нарушающие их нормальную работу, и т. д.
Таким образом, работа тягового двигателя носит напряженный характер в коммутационном, механическом и тепловом отношении. В целях усовершенствования тягового двигателя в последнее время был проведен ряд мероприятий — увеличение н. с. добавочных полюсов по отношению к н. с. реакции якоря до 140—160% (вместо 115—130% в машинах стационарного типа), выполнение добавочных полюсов из листовой стали, введение немагнитной прокладки между сердечником полюса и ярмом, применение щеток повышенного качества и специальных конструкций щеткодержателей, улучшение технологии изготовления коллекторов и т. д.
Примечание. Цифра в типе машины указывает приблизительную номинальную мощность при номинальной скорости вращения около 1450—1500 об/мин (типы ПН-5— 1000 об/мин (типы ПН-100 — ПН-1750). Номинальная мощность в режиме генератора получается вращения. * — мощность в двигательном и генераторном режимах; ** — скорость вращения
Примечания. 1. Обмотка независимого возбуждения UB = 220 а. 2. Сопротивления в таблице даны при 20 С
Продолжение табл. 11-1
Таблица 11-2
Таблица 11-3
Обычным типом тягового электродвигателя является двигатель последовательного возбуждения. Его рабочие характеристики — см. рис. 10-23. Но уже с 30-х годов текущего столетия стали применяться двигатели смешанного возбуждения с преобладающим последовательным возбуждением. Они позволяют легче, чем двигатели последовательного возбуждения, осуществить рекуперативное торможение состава, но несколько тяжелее и дороже последних.
Интересное изобретение специальной вольтодобавочной машины для безреостатного управления электропоездами было сделано К. И. Шенфером в 1929—1931 гг. Краткое описание этой машины дается ниже в § 11-6.
В. Машины пониженного и низкого напряжения. К числу этих машин относятся: а) генераторы для питания электролизные установок
на мощности 160—550 кВт, 75—80 в, 2140—6500 а; б) сварочные генераторы для сварки электродугой при рабочем напряжении 25—50 в и различных значениях сварочного тока. Описание одного из таких генераторов, выполняемого в СССР на заводе "Электрик", приводится в § 11-6; в) генераторы для гальванопластики и гальванических покрытий на мощности 3—30 кВт, 6—12 в, 250—5000 а; они выполняются с двумя коллекторами, которые можно соединять параллельно (для напряжения 6 в) или последовательно (12 в); г) малогабаритные машины мощностью 30—500 вт на напряжения 24—30 в, устанавливаемые на легковых и грузовых автомашинах, тракторах, самолетах и т. д.*
*Для примера приводим следующие данные одной из таких машин: двигатель параллельного возбуждения мощностью 250 вт, 27 в +- 10%, 15 а, 5000 об/мин; наружный диаметр Dн = 97 мм, Da = 55,4 мм; полная длина двигателя lд=161 мм, lа=30 мм, 2р=4; добавочных полюсов нет, δ=0,25 мм, обмотка якоря волновая, Ζ=19, S=57, ω= 3, Вδ=0,48вб/м, А=123 а.см, ίв=0,6 в; Dк=36 мм, lк=17 мм, К=57; η=67,5%, G=30 н.
К малогабаритным двигателям следует отнести универсальные двигатели мощностью 5—55 вт, применяемые для самых различных целей в промышленности н в установках домашнего быта (пылесосы, мясорубки и т. п.). Двигатели имеют двухполюсное исполнение и могут работать как от сети постоянного тока на 110 в, так и от сети переменного тока на 127 в. На якоре двигателя уложена обычная обмотка якоря машины постоянного тока, присоединенная к коллектору. Магнитная система двигателя собирается из листовой электротехнической стали. На статоре уложены две обмотки возбуждения, включенные последовательно, с якорем; одна используется при питании от сети постоянного тока, другая — от сети переменного тока. Таким образом, универсальный двигатель представляет собой машину с последовательным возбуждением, соответственно чему скорость вращения этого двигателя резко уменьшается с увеличением нагрузки.
Г. Машины постоянного тока высокого напряжения.
Эти машины применяются для радиоустановок в качестве генераторов. В настоящее время построен ряд таких машин мощностью от 3 до 150 кВт на напряжения от 7,5 до 30 кВ. Самый большой генератор этого рода выполнен на 150 кВт, 15 кВ, 850 об/мин. Генераторы высокого напряжения имеют чаще всего обычную конструкцию полюсной системы, один или два коллектора (по обе стороны якоря) и соответственно одну или две обмотки якоря, большое число пазов, скошенных на зубцовый шаг (чтобы по возможности ограничить пульсации напряжения на щетках), утолщенную изоляцию между коллекторными пластинами (до 1,5— 2,5 мм ввиду того, что разность потенциалов между соседними делениями коллектора достигает в таких машинах 250 в и выше), специальные приспособления для защиты от кругового огня и т. д. Генераторы высокого напряжения большой мощности имеют специальную конструкцию — распределенную обмотку возбуждения, магнитные клинья в пазах и т. п. Все генераторы высокого напряжения имеют независимое возбуждение.
Д. Двигатели и генераторы предельной мощности. На предельные для машины постоянного тока мощности и средние напряжения выполняются прокатные двигатели. На меньшие мощности и те же напряжения выполняются генераторы для прокатных установок. Достаточно типичной в этом отношении является прокатная установка, выполненная заводом «Электросила» и состоящая из прокатного двигателя на 8840 кВт, 900 в, 65 об/мин и двух генераторов по 5200 кВт, 900 в, 375 об/мин каждый, входящих в преобразовательную установку двигателя. Предельные мощности — нормальные и повышенные — компенсированных машин постоянного тока и допускаемые в них линейные нагрузки даны на рис. 11-1 в зависимости от диаметра якоря Da. Здесь необходимо заметить, что в схемах современных электроприводов нашли широкое применение техническая электроника, техника слабых токов, техника высокой частоты и т. д. Эго делает изучение и конструирование машины большой мощности неотделимым от рабочей схемы.
На мощности того же порядка, но меньшие напряжения и соответственно весьма значительные токи изготовляются генераторы для электрохимической промышленности. Так, на одном из наших алюминиевых комбинатов были установлены генераторы на 4550 кВт, 350 в, 13 000 а, 300 об/мин, а на другом — 10 агрегатов на 10 000 кВт, состоящих из четырех генераторов постоянного тока по 2500 кВт каждый. В настоящее время такие генераторы с успехом заменяются ртутными выпрямителями.
