Лекция 12
Виды вспомогательных цепей и машин
К вспомогательным на э. п. с. относятся следующие цепи: вспомогательных машин (мотор-вентиляторов, мотор-компрессоров, мотор-генераторов и т. п.); электроотопления; источников питания цепей управления; освещения и сигнализации; управления вспомогательным оборудованием.
Вспомогательными машинами на э. п. с. принято называть агрегаты, состоящие из собственно вспомогательной машины (вентилятора, компрессора, насоса) и приводного электродвигателя. К вспомогательным машинам относятся и машинные преобразователи тока: мотор-генераторы, делители напряжения (динамоторы), преобразователи фаз (расщепители).
На э. п. с. постоянного тока для привода этих машин применяют двигатели постоянного тока высокого напряжения, которые, как правило, выполняют на полное напряжение сети. На большинстве отечественных моторных вагонов постоянного тока двигатель компрессора выполнен на напряжение 1500 В и питается от делителя напряжения.
На э. п. с. переменного тока нашли применение как двигатели постоянного тока (но низкого напряжения — до 220 В), которые питаются пульсирующим током полупроводниковых выпрямителей, так и асинхронные короткозамкнутые двигатели. Последние или выполняют конденсаторными для прямого включения на однофазное напряжение вспомогательной обмотки трансформатора э. п. с, или трехфазными для питания от расщепителя фаз. Редко применяют однофазные асинхронные двигатели с пусковой фазой, в цепь которой при пуске, вводится фазосдвигающее активное или емкостное сопротивление. Асинхронные короткозамкнутые двигатели начинают применять и на электропоездах постоянного тока, при этом питание трехфазным током этих машин осуществляется от машинного преобразователя постоянного тока высокого напряжения в трехфазный ток низкого напряжения.
Мотор-вентиляторы используют для принудительной вентиляции тяговых двигателей, пуско-тормозных реостатов, полупроводниковых преобразователей, маслоохладителей трансформаторов, сглаживающих реакторов, а также для вентиляции пассажирских помещений и кабин машиниста. Применяют центробежные и осевые вентиляторы. Если вентилятор работает на определенную систему с постоянным сопротивлением, то при увеличении частоты вращения момент на его валу возрастает пропорционально второй, а мощность— третьей степени частоты вращения; напор воздуха при этом возрас 
тает пропорционально второй степени частоты вращения, а расход— первой.
При такой характеристике с вентилятором устойчиво работают двигатели постоянного тока последовательного возбуждения. Вентилятор несколько смягчает влияние колебаний напряжения на частоту вращения и производительность агрегата, так как повышение частоты вращения η с ростом напряжения сопровождается возрастанием вращающего момента на валу вентилятора пропорционально и2.
Характеристика вентилятора определяет и устойчивую работу двух одинаковых мотор-вентиляторов на одинаковые вентиляционные системы при последовательном соединении двигателей последовательного возбуждения, что используется на электровозах постоянного тока для получения ступени ослабленной вентиляции тяговых двигателей. Постепенное нарастание вращающего момента на валу вентилятора и малый момент инерции его ротора определяют легкие условия и малое время пуска мотор-вентилятора при двигателе последовательного возбуждения, характеристика вращающего момента которого обеспечивает во всем диапазоне пуска избыточный момент Мп > МΒ (рис. 11.1).
Рисунок 11.1
Характеристика вентилятора благоприятна и для асинхронных двигателей. Однако асинхронный двигатель должен иметь достаточно большой пусковой момент. Предпочтительнее применять двигатели с повышенным скольжением, с тем чтобы избыточный вращающий момент Мд — Мв обеспечивал быстрый пуск агрегата. При характеристике ΜʹА избыточный момент во всем диапазоне пуска много меньше, чем при МА, и время пуска значительно больше. Затяжной пуск может сопровождаться недопустимым нагревом обмотки двигателя. Надежный пуск должен быть обеспечен при минимальном напряжении в сети, когда пусковой момент асинхронных двигателей падает пропорционально квадрату напряжения.
Мотор-насосы используют на э. п. с. переменного тока для принудительной циркуляции масла в системе охлаждения трансформаторов. Характеристика Μ (n) насосов подобна характеристике вентиляторов, т. е. благоприятна для асинхронных двигателей. В современных трансформаторах, как правило, применяют бессальниковые масляные мотор-насосы, двигатели которых работают в масле и им эффективно охлаждаются. Такая конструкция определила применение для масляных насосов асинхронных короткозамкнутых двигателей.
Мотор - компрессоры служат для зарядки сжатым воздухом главных резервуаров э. п. с. Из резервуаров воздух расходуется на питание пневматических тормозов, электропневматических приводов аппаратов, пневматических песочниц, приводов дверей и звуковых сигналов. Давление сжатого воздуха в резервуарах поддерживается в определенных пределах мотор-компрессорами, которые автоматически запускаются при минимальном давлении и останавливаются при максимальном.
Момент, необходимый для вращения вала компрессора, изменяется за один оборот вала в значительных пределах, но среднее значение его пропорционально давлению сжатого воздуха в резервуаре и мало изменяется при изменении частоты вращения. Двигатель компрессора в начале пуска должен преодолевать максимальный момент, который в несколько раз превосходит среднее значение. Особенно затруднен пуск зимой, при низкой температуре окружающего воздуха и длительной стоянке э. п. с. с выключенными мотор-компрессорами. В таких условиях особенно надежны двигатели постоянного тока последовательного возбуждения. Возможно применение и асинхронных двигателей, которые и получили распространение на отечественных электровозах и моторных вагонах переменного тока. Однако асинхронные двигатели нужно выбирать с большим запасом по пусковому моменту. Иногда для облегчения пуска мотор-компрессоров с асинхронными двигателями применяют разгрузочные клапаны на выходе сжатого воздуха, которые обеспечивают пуск компрессоров при отсутствии противодавления.
На электровозах и моторных вагонах часто устанавливают вспомогательные мотор-компрессоры малой производительности с двигателем постоянного тока низкого напряжения, рассчитанным на питание от аккумуляторной батареи. При отсутствии сжатого воздуха в резервуарах электровоза для заряда резервуара управления, подъема токоприемника, а на э. п. с. переменного тока и для включения главного выключателя можно получить сжатый воздух от вспомогательного компрессора.
Мотор-генераторы на э. п. с. постоянного тока применяют для преобразования постоянного тока высокого напряжения в постоянный или переменный низкого напряжения.
Генераторами управления принято называть генераторы постоянного тока низкого напряжения для питания цепей управления, освещения, сигнализации и заряда аккумуляторной батареи. Они имеют небольшую мощность и для их привода на электровозах обычно используют какую-либо другую вспомогательную машину, чаще всего мотор-вентиляторы, которые в отличие от мотор-компрессоров работают непрерывно. Квадратичная зависимость вращающего момента на валу вентилятора от частоты вращения обеспечивает малое изменение частоты вращения вала агрегата при изменении нагрузки генератора управления, что облегчает регулирование его возбуждения, необходимое для поддержания неизменного напряжения на зажимах.
На электровозах переменного тока для привода генераторов управления используют расщепители фаз, но в последние годы на э.п.с. переменного тока для питания цепей управления применяют статические преобразователи.
На моторных вагонах генераторы управления снабжают отдельным двигателем параллельного или независимого возбуждения. Ток в 
обмотке параллельного возбуждения изменяется пропорционально напряжению сети и при слабом насыщении магнитной системы машины почти пропорционально изменяется магнитный поток возбуждения. Этим сужают пределы изменения частоты вращения мотор-генератора при колебаниях напряжения сети.
Кроме параллельной, двигатель должен иметь последовательную обмотку, которая обеспечивает возбуждение машины в начале пуска, когда э. д. с. якоря отсутствует или еще мала и соответственно мало напряжение на параллельной обмотке. Число витков последовательной обмотки выбирают так, что после окончания пуска при нормальном токе двигателя м. д. с. этой обмотки значительно меньше м. д. с. параллельной обмотки, и магнитный поток, а соответственно и частота вращения мотор-генератора мало изменяются и при изменении его нагрузки.
Последовательная обмотка необходима также для смягчения переходного режима при к. з. тяговой сети, когда возникает толчок генераторного тока в якоре двигателя. В этом случае м. д. с. последовательной обмотки действует встречно м. д. с. параллельной и ускоряет размагничивание машины. Как известно, параллельная обмотка высокого напряжения с большим числом витков провода малого сечения имеет низкий коэффициент заполнения медью сечения катушки, что вызывает увеличение размеров остова машины, т. е. ее габаритов и массы.
В этом отношении благоприятнее независимое возбуждение, при котором, однако, требуется регулировать ток возбуждения двигателя в зависимости от напряжения сети, либо соответственно расширять пределы регулирования возбуждения генератора. Необходима также защита, предотвращающая разнос мотор-генератора при пуске в связи с замедленным возбуждением генератора и появлением тока в обмотке независимого возбуждения двигателя.
На моторных вагонах ЭР2 для привода генератора управления применяется двухколлекторный двигатель параллельного возбуждения с пусковой последовательной обмоткой, который одновременно используется как делитель напряжения (динамотор) для питания мотор-компрессора пониженным напряжением 1500 В.
Двигатели мотор-генераторов, питающих цепи возбуждения тяговых двигателей при рекуперации, выполняют обычно с независимым возбуждением от источников питания цепей управления и снабжают пусковой последовательной обмоткой. Генераторы (возбудители) также выполняют с независимым возбуждением от напряжения цепей управления, предусматривая в них обмотку последовательного возбуждения или противовозбуждения.
Выбор вида возбуждения, а также соотношения м. д. с. обмоток возбуждения возбудителя определяются условиями его работы в системе рекуперативного торможения.
Применяют в качестве возбудителей синхронные генераторы переменного тока с выпрямителями, разрабатывают и испытывают статические преобразователи, состоящие из тиристорных инверторов тока высокого напряжения и регулируемых выпрямителей.