Принцип работы тягового генератора переменного тока

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Ростовский государственный университете путей сообщения»

(ФГБОУ ВО РГУПС)

 

Кафедра «Локомотивы и локомотивное хозяйство»

 

 

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

 

«Устройство и ремонт тепловозов»

 

на тему: «Тяговый генератор»

 

 

Выполнил: студент

группы МТС – 3 - 672 А.И. Козырев

 

 

Принял: А.С. Шапшал

 

 

Ростов-на-Дону

 

Содержание

Введение..............................................................................................................3

1. Принцип работы тягового генератора переменного тока............................4

2.Возможные неисправности........................................................................... 12

3. Устранение неисправностей...........................................................................14

Заключение........................................................................................................ 20

Список использованных источников...................................................................... 21

 

Введение

Генератор переменного тока (устаревшее «альтернатор») — электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

Электрические машины, генерирующие переменный ток, были известны в простом виде со времён открытия магнитной индукции электрического тока. Ранние машины были разработаны Майклом Фарадеем и Ипполитом Пикси.

Фарадей разработал «вращающийся прямоугольник», действие которого было многополярным — каждый активный проводник пропускался последовательно через область, где магнитное поле было в противоположных направлениях. Первая публичная демонстрация наиболее сильной «альтернаторной системы» имела место в 1886 году. Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году.Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали ранний альтернатор, производивший переменный ток частотой между 100 и 300 герц. В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» альтернатор (который действовал на частоте около 15000 герц). После 1891 года были изобретены многофазные альтернаторы.

 

Принцип работы тягового генератора переменного тока

Развитие отечественного и зарубежного тепловозостроения сопровождалось непрерывным повышением секционной мощности тепловозов. Увеличение массы поездов, скоростей движения настоятельно требовало применения все более мощных локомотивов. Пока секционная мощность тепловоза не превышала 1470 кВт (2000 л. с), применение тяговых генераторов постоянного тока не вызывало особых затруднений. Все тепловозные силовые установки оборудовались тяговыми генераторами, вырабатывавшими постоянный ток, который непосредственно использовался для питания тяговых электродвигателей. Но уже в конце 50-х годов потребовалось увеличить секционную мощность тепловозов до 2210 кВт (3000 л. с.) и более. В Советском Союзе и ряде других стран были разработаны и построены тепловозные дизели мощностью 2210—2940 кВт (3000—4000 л. с.) с частотой вращения коленчатого вала 850—1500 об/мин. Однако при создании тяговых генераторов постоянного тока для тепловозов с этими дизелями встретился ряд трудностей. С увеличением мощности значительно возрастали размеры генераторов. В то же время для обеспечения надежной работы коллектора и щеток линейная окружная скорость цилиндрической поверхности коллектора не должна превышать 60—70 м/с. Это требование ограничивает увеличение диаметра коллектора и, следовательно, диаметра якоря генератора. Далее, для предупреждения недопустимого искрения на коллекторе и повреждения генератора в результате появления кругового огня напряжение между соседними пластинами коллектора не должно превышать определенной величины — приблизительно 30—35 В. В результате ограничивается и максимальная длина витков обмотки якоря и, следовательно, длина якоря. Действительно, при одинаковой линейной скорости движения в магнитном поле индуктируемая электродвижущая сила в каждом витке обмотки будет пропорциональна длине ее активных сторон.
Таким образом, создание тепловозных тяговых генераторов постоянного тока большой мощности вызывало не только рост размеров и массы, осложняя их размещение на локомотиве, но и наталкивалось на принципиальные трудности. Эта проблема коренным образом могла решаться только путем отказа от применения в электрических машинах коллектора. Коллектор служит для выпрямления тока, вырабатываемого в обмотке якоря генератора, поэтому отказ от его использования практически означает переход на электрическую машину переменного тока. Так на мощных тепловозах получили применение тяговые генераторы переменного тока с выпрямительными установками для питания постоянным током тяговых электродвигателей. Переменным называют ток, который периодически изменяет свое направление и величину. Через определенный промежуток времени Т, называемый периодом, изменение тока точно повторяется. Следовательно, переменный ток передается импульсами. За один период сила тока в замкнутой цепи постепенно возрастает до максимального значения, затем снижается до нуля, ток меняет свое направление на обратное, вновь возрастает до максимальной величины и снова снижается до нуля. Длительность периода определяется в секундах, а число периодов за 1 секунду называют частотой тока. Например, если период (т. е. полный цикл изменения) переменного тока составляет 1/50 секунды, то число периодов за секунду будет равна 50. Итак, частота этого тока равняется 50 периодам в секунду. В электротехнике для измерения частоты тока принята специальная единица — герц — по имени знаменитого немецкого физика Генриха Герца, равная 1 периоду в секунду. Поэтому частота рассматриваемого нами тока окажется 50 Гц (герц). Такая частота принята в качестве стандартной для энергетических установок России. Переменный ток нашел самое широкое применение в электрической энергетике всего мира благодаря ряду своих преимуществ — величина напряжения переменного тока легко изменяется с помощью трансформаторов, в которых не имеется вращающихся частей, электрические машины переменного тока много проще, дешевле и надежнее машин постоянного тока.

 

Таблица 1 - Характеристики тяговых генераторов переменного тока

Тип генератора	Мощность, кВт	Напряжение, В	Ток, А	Частота вращения, об/мин	кпд, %	Частота, Гц	Масса, кг
ГС-501АУ2 ГС-501АТ2 ГС-515У2	2800 1850 1400	360 580 345 535 175 280
2x1500 2x1700	95,8 95 95 95 95,5
2x1100 2x1540
2 х 2500

 

Тяговый синхронный генератор тип ГС-515У2 представляет собой 12-полосную электрическую машину переменного тока с независимым возбуждение защищенного исполнения и охлаждением от постороннего вентилятора. Он состоит из статора, ротора, подшипникового щита, подшипника, щеткодержателей, патрубков для входа и выхода охлаждающего воздуха. Генератор имеет 10 выводов обмоток статора и 2 вывода обмотки возбуждения ротора. Принципиальная электрическая схема соединения обмоток и маркировка зажимов генератора приведены на рисунке 1, в.

Корпус статора 16 является ос­новой для сборки всех узлов и деталей генератора. Он выполнен в виде цилиндрической сварной конструкции и имеет по бокам в сред­ней части лапы для крепления к поддизельной раме. В корпусе стато­ра собирается и закрепляется сер­дечник 17, выполненный из сег­ментных штампованных листов элек­тротехнической стали. В статоре по дуге меньшего радиуса выполнены пазы для укладки катушек обмот­ки, а в его средней части — вентиляционные отверстия для про­хода охлаждающего воздуха. Для уменьшения потерь от вихревых то­ков поверхность сегментных

 

 

Рисунок 1 – Генератор синхронный тяговый ГС-515У2

а – продольный разрез генератора; б - расположение выводов генератора; в – принципиальная электрическая схема соединения обмоток маркировки зажимов генератора ГС-515У2; 1, 2 – начало и конец обмотки возбуждения (ротора); 1С1, 1С2, 1С3, 2С1, 2С2, 2С3 – выводы фаз обмоток стартера; 10, 20 – выводы нулевых точек обмоток стартера; Н, К – начало и конец полюсных катушек ротора

 

по дуге меньшего радиуса выполнены пазы для укладки катушек обмот­ки, а в его средней части — вентиляционные отверстия для про­хода охлаждающего воздуха. Для уменьшения потерь от вихревых то­ков поверхность сегментных листов покрыта электроизоляционным ла­ком; кроме того, листы сердечни­ка разделены на пакеты сегмент­ными листами из стеклотекстолита. Сегментные листы статора нашихтованы и спрессованы в виде монолитного пакета. Сердечник за­жат между зажимными стяжными шпильками.

В пазах сердечника статора уложена двухслойная волновая об­мотка 20 из медного изолированного провода. Обмотка выполнена по схе­ме двух независимых трехфазных «звезд» с четырьмя параллельными ветвями в каждой. «Звезды» сдви­нуты в пространстве одна относи­тельно другой на 30 ° эл. Изоля­ция катушек обмотки статора влагостойкая, стойкая к парам масла и обеспечивает надежную работу при резких перепадах температуры окру­жающего воздуха. Для предохра­нения изоляции катушек от меха­нических повреждений при укладке их пазы сердечника выстилаются пленкостеклотканью. Обмотка стато­ра крепится в пазах сердечника клиньями из изоляционного мате­риала, а лобовые ее части подвя­заны к изолированным кольцам. Обмотка пропитывается в лаке и по­крывается эмалью горячей сушки. Обмотка статора имеет шесть выво­дов 22 фаз (рисунок 1, б) и два вывода 10, 20 от нулевых точек. Выводы фаз представляют собой сборные шины, заканчивающиеся лу­жеными поверхностями с отверстия­ми для подсоединения к ним сило­вых кабелей.

Корпус ротора 7 сварной кон­струкции. На нем собраны магнитопровод 18 с полюсами 19. Магнитопровод представляет собой набор отдельных листов конструкционной стали с 12 пазами в виде ласточ­кина хвоста и зажатых с обеих сторон нажимными шайбами. Магнитопровод проводит магнитный поток от одного полюса к двум сосед­ним.

Полюса 19 ротора предназначены для создания основного магнитного потока генератора. Полюса имеют моноблочную конструкцию и состоят из сердечников 13 и катушек 14, изолированных от сердечников. Со стороны полюсных башмаков уста­новлены изолированные рамки. По­люса ротора крепятся выступами сердечников в виде ласточкиного хвоста с помощью клиновых шпо­нок в пазах ротора. Сердечники полюсов 13 набраны из отдельных ли­стов конструкционной стали, зажа­тых по торцам сварными «щеками» и стянутых под прессом заклеп­ками. Сердечники совместно с катуш­ками посредством изоляции «Моно­лит-2» объединены в моноблок, что исключает возможность перемеще­ния катушек на сердечниках. Катуш­ки 14 полюсов выполнены однослой­ными и намотаны из прямоуголь­ной неизолированной меди на ребро. Витки изолированы друг от друга изоляционными прокладками. Соеди­нение выводов катушек выполнено шинами.

Начала обмоток возбуждения присоединены к контактным кольцам 10, которые предназначены для присоединения обмотки ротора с цепью возбуждения. Контактные кольца выполнены из стали и на­прессованы на изолированную втул­ку, закрепленную на валу ротора.

Щеткодержатели 12 предназна­чены для удержания щеток 11 и постоянного прижатия их к поверх­ности контактных колец 10. Радиаль­ные однообоймные щеткодержатели с рулонной пружиной обеспечивают требуемое постоянное нажатие на щетки без дополнительной подрегу­лировки в процессе эксплуатации. Для надежного крепления и правиль­ной установки щеткодержателя отно­сительно рабочей поверхности кон­тактных колец поверхности элемен­тов крепления щеткодержателя и бракетов выполнены рифлеными. Щеткодержатели крепятся болтами и бракетами, которые в свою очередь закреплены к подшипниковому щиту через изоляторы. В генераторе при­менены неразрезные щетки. Контакт­ные поверхности щеток притерты к поверхности контактных колец. Для обеспечения спокойной, без вибрации и ударов, работы щетки снабжены резиновым армированием. Токоведу­щие провода щеток подсоединены к бра кетам. С каждым контактным кольцом соприкасаются три щетки.

Подшипниковый щит 15 служит опорой ротора и используется для центровки ротора относительно про­дольной оси статора. Подшипнико­вый щит выполнен в виде сварного каркаса из колец и ребер. В цен­тральной части щита вставлена съем­ная ступица 3, закрепленная бол­тами. Съемная ступица позволяет при необходимости заменить вмонти­рованный в нее подшипник без раз­борки и снятия генератора с тепло­воза. К корпусу генератора щит крепится болтами за внешнее кольцо с центрирующим выступом (замком).

Для опоры и свободного враще­ния ротора в генераторе применя­ется сферический роликовый двух­рядный подшипник 4. Подшипник с двух сторон закрыт задней 8 н передней 5 крышками, образующими смазочную камеру. Крышки крепят­ся одна с другой через съемную ступицу болтами. В подшипнике при­менена консистентная смазка с высо­кой стабильностью смазывающих свойств. С целью предотвращения вытекания смазки из подшипниковой камеры наружу или внутрь генера­тора, а также проникновения в под­шипник пыли и влаги применены лабиринтные уплотнения, образо­ванные насаженными на вал гене­ратора уплотнительными кольцами и выступами в крышках подшипника. В процессе эксплуатации смазка в подшипник добавляется шприц-прес­сом через масленку 9, ввернутую в ступицу 3.

Патрубки входной 1 и выходной 21 предназначены для подвода и отвода охлаждающего воздуха и об­разуют с каналами для прохож­дения воздуха систему вентиляции генератора. Очищенный от посто­ронних примесей воздух нагнетается в патрубок со стороны контактных колец, проходит через вентиляцион­ные каналы и через окна выход­ного патрубка выбрасывается из ге­нератора.

 

 

Основные технические данные и параметры тягового генератора

 

Мощность, кВт
Линейное напряжение, В	280/175
Действующее значение то­
ка, А	/
Максимальное значение дей­
ствующего линейного тока
в течение 2 мин, А
Частота вращения, с-1
(об/мин)	16,67 (1000)
Частота, Гц
К. п. д., %	95,8/95,5
Выпрямленное значение на­ пряжения. В	360/205
Выпрямленное значение то­
ка, А	3660/6400
Выпрямленное значение
максимального тока, А
Ток возбуждения (при выс
шем напряжении 280 B±
±5%). А
Расход охлаждающего воз­ духа, м3/с	2,8
Масса, кг

 

Возможные неисправности

Неисправность: Пониженное сопротивление изо­ляции;

Причина: Попадание грязи, масла, влаги.

 

Неисправность: Пробой изоляции на корпус;

Причина: Пониженное сопротивление или механические пов­реждения изоляции, а также выгорание изоляции от образовавшейся внутри машины дуги (перекрытия, перебросы).

 

Неисправность: Перекрытие по коллектору (может быть различной интенсивности вплоть до кругового огня и может сопровождаться перебросами дуги на корпус);

Причина: Загрязнение и замасливание коллектора, скопление угольной пыли и осколков щеток между коллектор­ными пластинами при механических повреждениях или неравномерной выработке коллектора.

 

Неисправность: Нарушение коммутации;

Причина:

Электрические причины: сдвиг щеток с нейтрали, нарушение в цепи добавочных полюсов, работа при неисправных (сколотых или сильно изношен­ных) щетках;

Механические причины: нарушение правильной формы коллектора, попадание посторон­них предметов.

 

Неисправность: Межвитковые замыкания в обмотках;

Причина: Нарушение целостности изоляции при механических повреждениях.

 

Неисправность: Распайка петушков;

Причина: Чрезмерный перегрев из-за нарушения режима работы вентиляции.

 

Неисправность: Выход из строя роликовых под­шипников;

Причина: Несвоевременное смазывание, разрушение сепаратора или смятие роликов от попадания посторонних пред­метов, проворачивание внутреннего кольца из-за некачественного монтажа.

 

Устранение неисправностей

 

На тепловозах, имеющих передачу переменно-постоянного тока, установлены тяговые генераторы переменного тока.

Порядок снятия, разборки тягового генератора. При текущем ремонте ТР-3 тяговый генератор снимают с тепловоза, очищают от пыли и грязи, проверяют состояние узлов и деталей, их крепления, качество изоляции, заменяют смазку в подшипнике и определяют износы. По результатам оценки состояния выполняют необходимый ремонт. Выемку тягового генератора производят и на неплановых ремонтах, если устранение неисправности требует его полной разборки.

Статор. Дополнительно к рассмотренному ранее проводят операции по проверке затяжки гаек обмоткодержателей (гаечным ключом) и состояния системы выводом. При ослаблении затяжки гаек обмоткодержателя их подтягивают, причем подтяжку ведут равномерно, чтобы оба конца, на которые опираются накладки обмоткодержателей, не смещались относительно друг друга. При осмотре состояния выводов обращают внимание на наличие трещин, следов подгара и оплавлений. Контактные поверхности шин и наконечников должны быть ровными и чистыми (без следов перегрева). Сопротивление изоляции обмотки статора по отношению к корпусу определяют мегаомметром на 1000 В. Для замера один щуп мегаомметра подсоединяют к одному из выводов первой обмотки 1С1, 1С2, 1С3, 10, а второй щуп - к корпусу статора. Затем эту же операцию повторяют со второй обмоткой, подсоединяя щуп к выводам 2С1, 2С2, 2С3, 20 (рисунок 2). Сопротивление изоляции каждой обмотки должно быть не ниже 2,0 МОм.

 

Рисунок 2 - Схема соединения тягового генератора ГС-515У2

 

Допускается проверка на межвитковое замыкание при помощи "магнитного башмака" (рисунок 3).

 

Рисунок 3 - Проверка обмотки статора на межвитковое замыкание при помощи магнитного башмака

1 - магнитный башмак; 2 - стальная пластина; 3 - катушка, имеющая межвитковое замыкание

 

Магнитный башмак имеет катушку, которая подключается к источнику переменного напряжения 6-12 В и частотой 500-1000 Гц. При наложении

на зубцы статора башмак создает переменное магнитное поле, которое наводит э. д. с. в витках катушек, находящихся в перекрываемых им пазах. При замыкании в витке возникает ток, который обнаруживается щупом в виде стальной пластины. Щуп прикладывают к зубцам, охватывающим паз, где лежит вторая сторона катушки с короткозамкнутым витком.

Щеткодержатели. При осмотрах тяговых генераторов всегда обращают внимание на состояние щеточного аппарата и при выявлении таких дефектов, как трещины корпуса, чрезмерный износ в корпусе под оси, износ окон под щетки, неисправности нажимного рычага, большие смятия гребенки, щеткодержатель снимают и разбирают. Трещины в корпусе щеткодержателя заваривают газовой сваркой с разделкой их под угол 60° и предварительным подогревом до температуры 400-430 °С. Запрещается заваривать трещины у основания прилива для крепления щеткодержателя. При износе oтверстий под оси свыше 0,5 мм восстановление их также производят газовой сваркой. При небольшом количестве сварочных работ допускается местный прогрев завариваемого места пламенем сварочной горелки. При сверловке отверстий после наплавки корпус щеткодержателя устанавливают в кондуктор с фиксацией по щеточному окну и закреплением боковых поверхностей.

Ротор. В продувочной камере ротор обдувают сухим сжатым

воздухом. Далее переставляют ротор на стеллаж и протирают обмотки катушек полюсов обтирочными концами, смоченными бензином, контактные кольца - чистыми сухими безворсовыми салфетками, фланец корпуса, вал - обтирочными концами, смоченными керосином, а затем насухо. Мегаомметром на 500 В замеряют сопротивление изоляции обмотки возбуждения, которое должно быть не менее 20 МОм. Для замера сопротивления изоляции один щуп мегаомметра прикладывают к валу ротора, а второй - к одному из контактных колец. После замера необходимо разрядить обмотку, соединяя вал ротора с контактными кольцами проводом, один. конец которого прикладывают к валу, а другой - к кольцу. Ротор с заниженным сопротивлением изоляции подлежит сушке с последующим замером сопротивления изоляции. Если после сушки сопротивление изоляции не достигнет требуемого значения, необходимо проверить влажность изоляции при температуре ротора не выше 40 °С. Изоляцию считают сухой, если соотношение ^С₂/_С50≤1,4 (C₂ - емкость ротора при напряжении частотой 2 Гц, С₅₀ - емкость ротора при частоте 50 Гц). Если ротор при сухой изоляции имеет низкое ее сопротивление, то его Передают на капитальный ремонт.Для снятия дефектного полюса необходимо: разъединить демпферные дуги дефектного и смежных полюсов; отсоединить шины от выводов катушки дефектного полюса и по одной соединительной шине с выводов смежных к дефектному полюсу катушек; снять две секции, контактные с соединительными шинами; подвести со стороны контактных колец клиновое приспособление узкой стороной (рисунок 4) к торцу выбиваемой шпонки полюса; сместить правую шпонку относительно левой ударом молотком по клиновому приспособлению; подвести со стороны фланца клиновое приспособление к торцу выбиваемой шпонки; сместить и выбить окончательно правую шпонку. Дефектный полюс снимают с ротора тросом, зачаливая его за концы дуг полюсов.

 

 

Рисунок 4 – Клиновое соединение

Подшипниковый щит. После отсоединения от остова подшипниковый щит разбирают (снимают бракеты с щеткодержателями), продувают сжатым воздухом, протирают обтирочными концами, смоченными в керосине, а затем насухо, осматривают для выявления возможных трещин и определяют износы по посадочным поверхностям щита и ступицы.

Наиболее часто встречающаяся неисправность - износ посадочных поверхностей. При износе менее 0,2мм на сторону восстановление поверхностей производят нанесением пленки эластомера ГЭН-150В, а при большем износе - автоматической или полуавтоматической наплавкой под слоем флюса. Допускается наплавку щита выполнять и вручную. После наплавки щит обрабатывают на станке под номинальный размер.

Чтобы разобрать роликовый подшипник, в месте, где внутреннее кольцо имеет небольшую выемку, один из роликов приподнимают латунной стамеской с торца внутреннего подшипника, а другой стамеской ролик выталкивают из гнезда сепаратора, предварительно повернув наружное кольцо подшипника на возможно больший угол относительно внутреннего. Таким порядком все ролики извлекают и наружное кольцо снимают. Ролики с каждой дорожки (подшипник сферический двухрядный) укладывают раздельно, чтобы при сборке подшипника ролики были установлены на свою дорожку.

Осмотр и ремонт подшипников производят в отделении по ремонту роликовых подшипников. Подшипники очищают, тщательно осматривают, каждый ролик при этом поворачивают и осматривают по всей поверхности. Проверяют состояние сепараторов и их заклепок, осматривают кольца и их беговые дорожки, замеряют зазоры. При разборке ролики и кольца подвергают магнитному контролю, после чего все детали размагничивают. Подшипники, имеющие предельные износы рабочих поверхностей, трещины и деформации сепаратора, раковины, шелушение, трещины и отколы роликов и колец, заменяют. Сепараторы, имеющие ослабшие или оборванные заклепки, ремонтируют.

Сборка тягового генератора и монтаж его на тепловозе. Сборка и монтаж тягового генератора переменного тока на тепловозе осуществляются в той же последовательности, как и генераторов постоянного тока. Разница заключается только в выполнении ряда контрольных операций и допусках на положение ротора относительно статора. Так, зазор под полюсами должен быть в пределах 4,2-5,4 мм. При этом на одном генераторе разница между наибольшим и наименьшим значениями не должна превышать 0,5 мм. На генераторах выпуска до 1975 г. зазор между полюсами в диапазоне 4,7-5,9 мм. Биение контактных колец замеряют, укрепив стойку индикатора струбциной к верхнему коллекторному люку в подшипниковом щите, чтобы ножка индикатора касалась рабочей поверхности контактных колец. При замере поворачивают коленчатый вал дизеля на 360° и наблюдают за показанием индикатора. Биение допускается не более 0,06 мм в горячем состоянии. Допускается разница биения в холодном и горячем состоянии не более 0,03 мм.

 

 

Заключение

В данной научно исследовательской работе мы ознакомились с таким узлом локомотива как тяговый генератор. Его принцип работы, основные неисправности и способы ремонта и диагностики.

 

 

Список литературы

1. Сайт http://railway-transport.ru;

2. Сайт http://pomogala.ru;

3. Аникиев И.П., Антропов В.С. Ремонт электрооборудования тепловозов. Учебник для подготовки слесарей-электриков по ремонту электрооборудования тепловозов – 1989;

4. Под редакцией Меликджанова Г.С. Тепловоз ТЭМ7, Москва “ТРАНСПОРТ” 1989 г.