Основные зависимости и определения

При установившемся режиме работы напряжение, подведенное к тяговому двигателю, уравновешивается электродвижущей силой (ЭДС) наводимой в обмотке якоря и падением напряжения в его цепи (рисунок 1)

Рисунок 1. Схема включения тягового электродвигателя.

;

где – подведенное к двигателю напряжение (В); – ток протекающий через якорную обмотку тягового двигателя (А); – сопротивление цепи тягового двигателя (Ом); E – ЭДС тягового двигателя (В).

ЭДС тягового электродвигателя наводится за счет перемещения проводников обмотки якоря в магнитном поле. Она пропорциональна магнитному потоку и частоте вращения вала якоря, а также зависит от конструктивных особенностей тягового электродвигателя:

; (2)

где n – частота вращения вала тягового электродвигателя (об/мин); Ф – магнитный поток создаваемый главными полюсами тягового электродвигателя (Вб); – электромашинная постоянная; p – число пар полюсов; N – число активных проводников обмотки якоря; a – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

С учетом выражения (2) напряжение тягового двигателя можно записать следующим образом:

. (3)

Следовательно, частоту вращения тягового электродвигателя можно выразить следующим образом:

. (4)

Уравнение мощности для тягового электродвигателя имеет вид:

. (5)

где – электромагнитная мощность тягового электродвигателя; – мощность электрических потерь (нагрев обмоток тягового электродвигателя).

Электромагнитный момент, создаваемый тяговым электродвигателем равен:

; (6)

где c_M – машинная постоянная момента: .

Электромагнитный момент приводит во вращение вал тягового электродвигателя и при постоянной частоте вращения распределяется на преодоление момента сопротивления движению M (вращающий момент), момента механических потерь и момента магнитных потерь .

. (7)

Отсюда вращающий момент тягового двигателя определяется следующим образом:

. (8)

Коэффициент полезного действия тягового электродвигателя определяют как отношение отдаваемой (выходной) мощности к подведенной (входной). С учетом выражений (2.3) – (2.8) коэффициент полезного действия может быть определен исходя из соотношения:

. (9)

Электромеханической характеристикой тягового двигателя называется зависимость вращающего момента (M), частоты вращения (n), магнитного потока (Ф), коэффициента полезного действия (к.п.д - ) от потребляемого тока тягового двигателя при постоянном напряжении подведенном к его зажимам и постоянной температуре обмоток 115^оС.

Естественной электромеханической характеристикой тягового электродвигателя называется электромеханическая характеристика, снятая при номинальном напряжении на зажимах тягового двигателя.

Электромеханические характеристики тяговых двигателей снимают при стендовых испытаниях на заводе-изготовителе и приводят в виде графиков или таблиц. Усредненные характеристики по испытаниям первых 10 тяговых двигателей называют типовыми.

Механической характеристикой тягового электродвигателя называют зависимость вращающего момента (M) и к.п.д. () тягового двигателя от частоты вращения его вала (n) при постоянном напряжении на зажимах.

Магнитной характеристикой тягового электродвигателя называют от тока возбуждения протекающего по обмотке возбуждения тягового двигателя. На практике вместо магнитного потока, с учетом выражения (2), для удобства дальнейших вычислений, используют зависимость отношения () от тока возбуждения (I_В). При протекании тока по обмотке якоря создается магнитное поле якоря направленное перпендикулярно магнитному полю, создаваемому главными полюсами. В результате из-за перенасыщения отдельных участков магнитной цепи магнитный поток главных полюсов уменьшается. Это явление получило название – реакция якоря. Поэтому, как правило, строится семейство зависимостей при различных постоянных значениях тока нагрузки. Такое семейство зависимостей получило название нагрузочной характеристики. На рисунке 2 показана нагрузочная характеристика тягового двигателя.

Рисунок 2. Нагрузочная характеристика тягового двигателя.

Электромеханическая характеристика тягового двигателя с последовательной (сериесной) системой возбуждения. На рисунке 3 показана схема и электромеханическая характеристика тягового двигателя данного типа.

В данном типе двигателя обмотка возбуждения включена последовательно с якорной обмоткой, следовательно, при возрастании тока нагрузки возрастает магнитодвижущая сила главных полюсов, а значит и создаваемый ими магнитный поток. При небольших токах нагрузки магнитная система двигателя практически ненасыщенна и зависимость магнитного потока от тока нагрузки линейна.

Из уравнений (2.7) и (2.4) следует, что при ненасыщенной магнитной системе вращающий момент будет пропорционален квадрату тока нагрузки, а частота вращения вала двигателя обратно пропорциональна в первой степени.

Рисунок 3. Схема включения (а) и электромеханическая характеристика (б) тягового двигателя последовательного возбуждения.

При больших токах нагрузки наступает насыщение магнитной системы тягового двигателя. В этом случае при изменении тока нагрузки магнитный поток практически не изменяется.

Электромеханическая характеристика тягового двигателя с параллельной (шунтовой) обмоткой возбуждения. Схема включения и характеристика данного типа двигателя приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема включения (а) и электромеханическая характеристика (б) тягового двигателя параллельного возбуждения.

В данном типе двигателя обмотка возбуждения включена параллельно якорной обмотке, следовательно, при изменении тока нагрузки ток возбуждения и создаваемый главными полюсами магнитный поток практически неизменен. Следовательно, на основании уравнения (5) можно сделать вывод о том, что вращающий момент в данном случае будет линейно изменяться с изменением тока нагрузки.

Некоторое уменьшение результирующего магнитного потока, показанное на рисунке 4, связано с размагничивающим влиянием реакции якоря возникающей при протекании тока по обмотке якоря.

Характер изменения частоты вращения вала тягового двигателя можно уяснить из уравнения (4). С одной стороны увеличение тока нагрузки приводит к росту составляющей , а следовательно к уменьшению частоты вращения, с другой уменьшение магнитного потока Ф, приводит к росту частоты вращения. Обычно влияние реакции якоря невелико и действие составляющей преобладает. Следовательно, как правило, с ростом тока нагрузки частота вращения незначительно (в пределах 5-10%) уменьшается.