УСТРОЙСТВО ПЕРЕКРЕСТНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ОБМОТОК КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Полезная модель относится к области электромашиностроения, может быть использована в электровозостроении для обеспечения устойчивой работы коллекторных электрических машин последовательного возбуждения при параллельной работе от питающей сети в двигательном режиме.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является применяемая в настоящее время схема силовых цепей электровоза (В.И.Бочаров, Б.А.Тушканов «Магистральные электровозы. Электрические аппараты, полупроводниковые преобразователи, системы управления», Москва, Энергоатомиздат, 1994 г., с.365).
Схема силовых цепей электровоза, принятая за прототип, содержит две электрические машины, подключенные через главный выключатель и выключатели быстродействующие параллельно к питающей сети, каждая из которых имеет якорь, обмотку добавочных полюсов, компенсационную обмотку и обмотку возбуждения, а также амперметры для контроля токов, протекающих по обмоткам электрических машин. Электрические машины имеют последовательное (сериесное) возбуждение, когда все обмотки включены последовательно («традиционная схема»). Обмотки возбуждения шунтируются резисторами для регулировки тока возбуждения от номинального до наименьшего значения. При таком включении схема имеет положительную обратную связь между разностью э.д.с. якоря от основной намагничивающей обмотки и разностью э.д.с. коммутационной реакции якоря, что осложняет работу электрических машин.
Схема силовых цепей электровоза имеет следующие недостатки.
к
После проведения исследовательских работ было установлено, что первопричиной неравномерности распределения нагрузки при параллельной работе электрических машин, включенных по традиционной схеме (фиг.5), является естественный разброс нагрузочных характеристик машин, обусловленный технологическими допусками. Из-за неидентичности характеристик машин между параллельными цепями схемы проявляется положительная обратная связь: начальная разность напряжений (э.д.с.), а следовательно и начальный контурный ток (I), который обуславливает изменение величин м.д.с. - коммутационной реакции якоря и э.д.с. каждой из машин, что, в свою очередь, вызывает последующее изменение величины контурного тока и т.д., до тех пор, пока ток не достигнет установившегося значения или не сработает защита. Причем, при положительной обратной связи решающую роль играют обмотка добавочных полюсов и компенсационная обмотка. Также было установлено, что устойчивость работы электрических машин зависит от настройки их по коммутации (Костенко М.П., Пиотровский Л.М. «Электрические машины», ч.1, Ленинград, Энергия, 1972 г., с.544; д.т.н. В.Г.Щербаков, Э.А.Долгошеев, И.Л.Таргонский, А.С. Степаненко «Особенности работы тяговых электродвигателей на магистральных электровозах переменного тока в режимах рекуперативного торможения», Новочеркасск, Электровозостроение, т.42, 2000 г., с.254-271). Для устранения данных недостатков возникает необходимость использовать схемные решения, которые обеспечивали бы устойчивую работу электрических машин вне зависимости от характера коммутации и обеспечивали бы стабильность тока возбуждения.
Задача полезной модели - обеспечение устойчивой работы коллекторных электрических машин в двигательном режиме при параллельной работе от питающей сети и повышение тем самым надежности их работы в условиях эксплуатации вне зависимости от характера коммутации.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее две электрические машины, подключенные через главный выключатель и выключатели быстродействующие параллельно к питающей сети и включающие в себя последовательно соединенные между собой обмотку якоря, обмотку добавочных полюсов, компенсационную обмотку и обмотку возбуждения, а также амперметры введены отличия - оно дополнительно содержит реверсор для переключение схемы соединения обмоток с последовательной на перекрестную, причем конец обмотки якоря первой электрической машины через реверсор подключен к началу обмотки добавочных полюсов второй электрической машины, а конец компенсационной обмотки второй электрической машины подключен к началу обмотки возбуждения второй электрической машины, а конец обмотки якоря второй электрической машины через реверсор подключен к началу обмотки добавочных полюсов первой электрической машины, конец компенсационной обмотки первой электрической машины подключен к началу обмотки возбуждения первой электрической машины.
Технический результат - равномерное распределение токовых нагрузок по параллельным цепям электрических машин в двигательном режиме - достигается за счет наличия отрицательной обратной связи («природный эффект» саморегулирования), а также за счет изменения э.д.с. на якоре от изменения тока по главным полюсам, обусловленного влиянием контурного тока. Предлагаемое устройство осуществляет борьбу с причинами, вызывающими нестабильную работу электрических машин, а не борьбу со следствием, как это присуще схемам, имеющим положительную обратную связь.
На фигуре 1 представлено предлагаемое устройство с перекрестным включением обмоток электрических машин, позволяющее осуществлять переключение на «традиционное» последовательное включение обмоток возбуждения.
На фигуре 2 - клеммные коробки выводов обмоток электрических машин, расположенные на остовах электрических машин.
На фигуре 3 - схема подключения электрических машин к реверсору, а также монтажное соединение силовыми кабелями между клеммными коробками выводов обмоток электрических машин и клеммной панелью выводов обмоток электрических машин, расположенной внутри кузова локомотива.
На фигуре 4 - упрощенная перекрестная схема параллельной работы электрических машин с последовательным возбуждением.
На фигуре 5 - схема силовых цепей электровоза, принятая за прототип («традиционная» схема включения обмоток).
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
Устройство (фиг.1) содержит две электрические машины M1 и М2, подключенные параллельно к питающей сети 1 через главный выключатель 2 и выключатели быстродействующие 3, 4, расположенные в силовых цепях электрических машин M1, М2 соответственно. Электрическая машина Ml включает в себя обмотку якоря 5, обмотку добавочных полюсов 6, компенсационную обмотку 7 и обмотку возбуждения 8, а электрическая машина М2 - обмотку якоря 9, обмотку добавочных полюсов 10, компенсационную обмотку 11 и обмотку возбуждения 12. A и A - начало и конец обмотки якоря 5; B и B - начало и конец обмотки добавочных полюсов 6; С и С - начало и конец компенсационной обмотки 7; Д и Д - начало и конец обмотки возбуждения 8.  и  - начало и конец обмотки якоря 9,  и  - начало и конец обмотки добавочных полюсов 10,  и  - начало и конец компенсационной обмотки 11,  и  - начало и конец обмотки возбуждения 12. Конец обмотки якоря 5 (А) первой электрической машины M1 через реверсор 13 подключен к началу обмотки добавочных полюсов 10  электрической машины М2, а конец компенсационной обмотки 11  второй электрической машины М2 подключен к началу обмотки возбуждения 12  второй электрической машины М2. Аналогичным образом, конец обмотки якоря 9  второй электрической машины М2 через реверсор 13 подключен к началу обмотки добавочных полюсов 6 (B) первой электрической машины M1, конец компенсационной обмоткой 7 (С) первой электрической машины M1 подключен к началу обмотки возбуждения 8 (Д) первой электрической машины M1. Кроме того, для контроля тока в силовые цепи электрических машин M1, M2 включены амперметры 14, 15 соответственно.
Работа предлагаемого устройства (фиг.1) заключается в следующем.
От источника 1 после включения главного выключателя 2 и выключателей быстродействующих 3, 4 подается напряжение на электрические машины M1, М2, после чего осуществляют пуск локомотива. По параллельным цепям первой электрической машины M1 и второй М2 фиксируют токи якоря амперметрами 14, 15, затем определяют распределение токовой нагрузки между первой электрической машиной M1 и второй М2 при движении локомотива в заданном режиме тяги.
В случае возникновения по какой-либо причине неравномерного распределения токовых нагрузок по параллельным цепям, устройство с перекрестным соединением обмоток с отрицательной обратной связью между разностью э.д.с. якоря от основной намагничивающей обмотки и разностью э.д.с. коммутационной реакции якоря выравнивает токовые нагрузки, т.е. токи и напряжения становятся практически одинаковыми по электрическим машинам M1, M2 и, соответственно, практически отсутствует контурный ток.
В итоге, при любом характере коммутации (ускоренная, прямолинейная, замедленная) и различном режиме работы - разность э.д.с. электрических машин и контурный ток уменьшаются, из-за чего происходит автоматическое, практически полное совпадение внешних характеристик электрических машин, таким образом, объект становится саморегулирующимся за счет отрицательной обратной связи.
В случае возникновения аварийной ситуации (круговой огонь по коллектору, пробой изоляции обмоток на корпус, всевозможные механические повреждения и т.д.), т.е. необходимости отключения электрической машины M1 или М2, вышедшей из строя, с помощью выключателя быстродействующего 3 или 4, реверсора 13 включают «традиционную» схему для осуществления нормальной работы оставшейся в исправном состоянии электрической машины.
Рассмотрим работу электрических машин в двигательном режиме с различным характером по коммутации (фиг.4).
K
a
K
Я1
K
ДП1,КО1
Я2
ДП2,КО2
У электрической машины M1 с большей э.д.с. (Е1>Е2) контурный ток (I) увеличивает ток якоря 5 (I) на величину контурного тока I и равен I и уменьшает ток в обмотках добавочных полюсов 6 с компенсационной обмоткой 7 на величину контурного тока I и равен I, что приводит к некоторому замедлению коммутации относительно первоначально настроенной. Если отдельно работающая электрическая машина M1 была настроена на ускоренную коммутацию, то контурный ток вызывает уменьшение степени ускорения коммутации, уменьшение намагничивающей силы коммутационной реакции якоря и уменьшения э.д.с. (Е1). Для электрической машины М2 с меньшей э.д.с. (Е2<Е1) контурный ток уменьшает I и увеличивает ток в обмотках добавочных полюсов 10 с компенсационной обмоткой 11 (I), что приводит к ускорению коммутации, к увеличению намагничивающей силы коммутационной реакции якоря и э.д.с. (Е2). В общем случае, в перекрестной схеме при любом характере коммутации отдельно работающей электрической машины:
- для электрической машины с большей э.д.с. коммутация становится более ускоренной;
- для электрической машины с меньшей э.д.с. коммутация становится более замедленной.
K
Тогда, независимо от характера коммутации (ускоренная, прямолинейная, замедленная) - разность э.д.с. ΔЕ=Е1-Е2 и контурный ток (I) в перекрестной схеме уменьшаются, что ведет к выравниванию э.д.с. электрических машин M1, M2.
K
ГП2
Я
K
ГП1
Я
K
При перекрестном включении обмоток главных полюсов контурный ток (I) увеличивает ток главных полюсов I=I+I, тем самым увеличивая Е2, а ток главных полюсов I=I+I,  уменьшается и тем самым уменьшает Е1.
Получается, что контурный ток согласно действует с коммутационной реакцией якоря для изменения э.д.с. определенной машины в сторону увеличения или уменьшения. Таким образом, при перекрестном включении всех обмоток электрических машин изменение э.д.с. обусловлено влиянием коммутационной реакции якоря на основное поле машины и контурного тока в обмотках главных полюсов, тем самым, увеличивая или уменьшая ток главных полюсов, а соответственно и э.д.с. машины.
Положительный эффект применения предлагаемого устройства заключается в том, что использование перекрестного включения обмоток якорных цепей и обмоток возбуждения позволяет исключить влияние контурных токов, тем самым значительно снизить затраты, связанные с ремонтом и техническим обслуживанием локомотивов, а также с производством систем выравнивания токовых нагрузок в режимах тяги на электровозах, необходимость в которых отпадает.
Ценность предлагаемого устройства состоит в том, что оно позволяет осуществить устойчивую работу электрических машин в двигательном режиме не только при последовательном возбуждении, но и при независимом возбуждении без перенастройки коммутационного узла.
Предлагаемое устройство проверено как в стендовых условиях, так и в условиях эксплуатации на опытной секции электровоза ВЛ85 №222 на СКЖД. Таким образом, применение предлагаемого устройства при любой комбинированной системе возбуждения электрических машин, обеспечивает устойчивую работу как в режимах тяги, так и в режимах электрического торможения.
В свете современных требований по модернизации производства устройство позволит значительно повысить качество продукции, например, магистральных электровозов.