Основные показатели работы и свойства электродвигателя постоянного тока

Механическая работа электродвигателей характеризуется вращающим моментом и частотой вращения его якоря. Силы, создающие вращающий момент электродвигателя, возникают в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока полюсов. Поэтому вращающий момент электродвигателя будет пропорционален величинам тока Iя якоря и магнитного потока Ф:

где К — постоянный для данного электродвигателя  коэффициент, зависящий  от диаметра  якоря, числа проводников обмотки   и других конструктивных особенностей двигателя. Вращающий   момент     электродвигателя не есть величина заданная, постоянная, а зависит от   механической нагрузки,  или,  как  говорят,  момента сопротивления,  который     преодолевает вал  электродвигателя при    вращении. Чем больше момент сопротивления,  тем больше  вращающий  момент электродвигателя,  так  как  только    в этом случае электродвигатель сможет работать,  преодолевая  сопротивление. Из  формулы для определения э.д.с. двигателя   можно получить  зависимость для  вычисления  частоты    вращения якоря, подставив в  нее значение э. д. с. Е = U — InRя:

Следовательно, частота вращения якоря электродвигателя пропорциональна подводимому напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку, а также уменьшается с увеличением внутренних потерь напряжения IzRя в цепи якоря. Почему так происходит? Чем больше напряжение, подводимое к двигателю, тем больше ток в обмотке якоря и вращающий момент. Якорь, преодолевая момент сопротивления внешней нагрузки, начинает вращаться быстрее. С увеличением же магнитного потока при прочих равных условиях увеличивается э. д. с., индуктируемая в обмотке якоря. При этом уменьшается ток в якоре, а значит, снижается вращающий момент и частота его вращения. Электрическая мощность, подводимая к электродвигателю, всегда больше той механической мощности, которую он отдает. Происходит это потому, что часть мощности, подводимой к двигателю, расходуется на механические, электрические и магнитные потери в самом двигателе. К числу механических потерь относятся потери и на трение якоря в подшипниках, трение якоря о воздух и, наконец, трение щеток о коллектор. Электрические и магнитные потери в стали и меди вызываются нагревом обмотки от прохождения тока, нагревом сердечника якоря от вихревых токов и перемагничивания. Отношение полезной мощности к подводимой называется коэффициентом полезного действия двигателя. Коэффициент полезного действия тяговых электрических двигателей тепловозов достигает 90%   и выше. В технике нашли применение электрические двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, с параллельным возбуждением, со смешанным возбуждением, а также с независимым возбуждением от постороннего источника электрического тока (рис. 168).

Рис. 168. Схемы возбуждения электродвигателей

Обмотка возбуждения электродвигателя с последовательным возбуждением включается в цепь последовательно с якорем. Весь ток, потребляемый электродвигателем, проходит через якорь и обмотку возбуждения. Магнитный поток этого электродвигателя изменяется с изменением тока якоря и, следовательно, зависит от нагрузки. Ток возбуждения электродвигателей с параллельным возбуждением пропорционален напряжению, подводимому к двигателю. Электродвигатель со смешанным возбуждением одновременно имеет обмотки параллельного и последовательного возбуждения. Чтобы решить вопрос, какой же тип электрического двигателя наиболее целесообразен для тепловозов, нужно рассмотреть свойства этих двигателей с точки зрения требований, предъявляемых к тяговым электродвигателям тепловозов. При трогании с места или движении поезда на подъеме, когда скорость мала, тепловоз создает максимальную силу тяги, вплоть до ограничения по сцеплению колес с рельсами. Непосредственно силу тяги тепловоза с электрической передачей создают тяговые электродвигатели, и она прямо пропорциональна их вращающему моменту.   В  указанных  условиях тяговые электродвигатели должны обеспечить реализацию наибольшего вращающего момента. Как же этому основному требованию удовлетворяют электродвигатели различных типов? Прежде всего, выясним режим работы тяговых электродвигателей по силе тока в обмотках якоря и возбуждения, когда тепловоз при небольшой скорости движения развивает максимальную силу тяги. Вследствие низкой частоты вращения якорей тяговых двигателей их электродвижущие силы будут также пониженными. Поэтому сила тока в обмотках якорей тяговых двигателей окажется близкой к предельному значению. Итак, наибольшей силе тяги соответствует максимальный ток тяговых двигателей. В электродвигателях с последовательным возбуждением ток возбуждения прямо пропорционален току якоря и магнитный поток главных полюсов достигнет также наибольшего значения. При максимальных значениях тока якоря и магнитного потока полюсов электродвигатели реализуют наибольший вращающий момент. В тяговом электродвигателе с параллельным возбуждением при наибольшем токе магнитный поток будет далек от наивысшего значения. Действительно, с увеличением тока напряжение тягового генератора тепловоза, питающего током электродвигатели, уменьшается обратно пропорционально току. При больших токах напряжение генератора будет пониженным. Следовательно, ток возбуждения тяговых двигателей с параллельным возбуждением, зависящий от напряжения генератора, также будет небольшим. Поэтому окажется пониженным и магнитный поток полюсов, а значит, и вращающий момент электродвигателя. Следовательно, первому требованию удовлетворяет электродвигатель с  последовательным  возбуждением. При увеличении скорости движения тепловоза с поездом возрастает частота вращения якорей тяговых электродвигателей и их э. д. с, уменьшается ток в силовой цепи, повышается напряжение тягового генератора. Для сокращения размеров и массы генератора нужно, чтобы его напряжение и ток изменялись при работе на номинальной мощности в наименьших пределах. Поэтому свойства тягового электродвигателя должны обеспечивать возможно меньшее изменение напряжения генератора при сохранении его мощности, когда скорость движения тепловоза изменяется в заданном диапазоне. В этом состоит второе основное требование к тяговым электродвигателям. Как было показано выше, э. д. с. тяговых двигателей прямо пропорциональна  частоте вращения  якоря и магнитному потоку главных полюсов двигателя. С увеличением скорости движения тепловоза уменьшается ток в силовой цепи и ослабляется возбуждение тяговых электродвигателей последовательного возбуждения, так как через обмотки их полюсов проходит весь ток силовой цепи. При тех же условиях возбуждение тяговых двигателей параллельного возбуждения увеличивается, потому что возрастает напряжение тягового генератора. Поэтому в случае одинакового увеличения скорости движения и частоты вращения якорей тяговых двигателей тепловоза э. д. с. двигателей с последовательным возбуждением, а следовательно, и напряжение генератора возрастают меньше, чем при применении двигателей с параллельным возбуждением. Таким образом, и второму требованию лучше удовлетворяют тяговые электродвигатели с последовательным возбуждением. Поэтому они нашли самое широкое применение на тепловозах.Такие тяговые электродвигатели обладают, кроме указанных, и другими ценными качествами. Например, они обеспечивают более равномерное распределение нагрузок на каждый двигатель в случаях некоторой разницы в диаметрах бандажей отдельных колесных пар или различий в индивидуальных характеристиках двигателей, установленных на одном тепловозе. Поскольку электродвигатели со смешанным возбуждением по своим качествам приближаются к двигателям с параллельным возбуждением, то они также не применяются на тепловозах. При независимом возбуждении магнитный поток можно изменять наивыгоднейшим образом для получения оптимальных характеристик тягового электродвигателя. Поэтому применение тяговых двигателей независимого возбуждения служит одним из путей дальнейшего улучшения тяговых характеристик тепловоза н технико-экономических показателей электропередачи. Однако в этом случае тепловоз необходимо оборудовать более сложной системой регулирования тока возбуждения тяговых электродвигателей. Поэтому тяговые двигатели независимого возбуждения еще не  нашли  применения  на тепловозах.