Принцип работы двигателя постоянного тока

УСТРОЙСТВО ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ УЗЛОВ ЛОКОМОТИВА

Конспект лекций

По электровозу ЭС5К.

II часть.

 

 

 

 

Кандалакша 2016 г.

Семионов А.А

 

Классификация электрических машин.

Электрические машины, применяемые на подвижном составе можно классифицировать следующим образом:

1. По назначению:

1. ТЭД – тяговые электродвигатели;

2. Генераторы;

3. Вспомогательные машины.

2. По роду потребляемого тока:

1. Постоянного тока;

2. Пульсирующего тока;

3. Коллекторные однофазные переменного тока;

4. Асинхронные трехфазные переменного тока (без коллекторные)

3. По способу возбуждения:

1. Последовательное (серисное);

2. Параллельное (шунтовое);

3. Независимое;

4. Смешанное.

4. По способу охлаждения:

1. С принудительной независимой вентиляцией;

2. С принудительной зависимой вентиляцией;

3. С самовентиляцией;

4. С естественной вентиляцией.

 

 

Общие сведения о работе двигателя

Постоянного тока

Принцип работы двигателя постоянного тока

Принцип работы тягового двигателя - основан на явлении выталкивания проводника с током из магнитного потока главных полюсов.

Простейший двигатель постоянного тока состоит из, двух главных полюсов в виде постоянных магнитов N и S, между которыми помещены два проводника в виде рамки с осью вращения (это простейший якорь).

Пропускаем через щетки и коллекторные пластины, по проводникам якоря ток, в направлении, указанном на рисунке. Тогда каждый проводник якоря с током, будет выталкиваться из магнитного потока главных полюсов Ф,
силами «F». Эти две силы F образуют вращающий момент, и якорь начинает вращаться. Направление выталкивания сил F и направление вращения якоря определяется по правилу левой руки.

При пуске величина тока двигателя I_дв определяется по закону Ома для участка цепи:

I_{дв пуск} = U_дв / R_дв

После пуска якоря, все проводники якоря, начнут двигаться, и будут пересекать магнитный поток главных полюсов. От этого в проводниках якоря наведется ЭДС по закону электромагнитной индукции - как в якоре генератора. Направление этой ЭДС якоря Е определяется по правилу правой руки. На рисунке видно, что эта ЭДС якоря Е направлена встречно, направлению тока и направлению напряжения U_дв. Поэтому в двигателях эту ЭДС якоря называют противо ЭДС, и из-за её появления величина тока якоря будет уменьшаться, и будет определяться по закону Ома для полной цепи:

I_дв = (U_дв - Е) / R_дв

Величина этой ЭДС якоря определяется по формуле:

Е = С ∙ n ∙ Ф_дв

Действительный тяговый двигатель, отличается от простейшего двигателя постоянного тока тем, что число проводников якоря не два, а значительно больше (500 ÷ 1000 проводников); число главных полюсов будет «6», и они будут выполнены как электромагниты. Все эти изменения сделаны для увеличения вращательного момента и мощности тягового двигателя.

Коллектор в двигателе постоянного тока - служит для изменения направления тока в отдельных проводниках якоря при переходе их под главный полюс другой полярности через геометрическую нейтраль (Г.Н.). Это нужно для вращения якоря. Без коллектора в двигателе постоянного тока будет только начальное колебание якоря, а вращения не будет.

Обмотка главных полюсов двигателя постоянного тока называется обмоткой возбуждения и может включаться со своим якорем тремя способами:

а) последовательно - сериесный двигатель;

б) параллельно - шунтовой двигатель;

в) последовательно-параллельно - копмаудный двигатель.

В качестве тяговых двигателей на всех электровозах, применяются только сериесный двигатели - так как при пуске они создают самый большой пусковой вращающий момент, что необходимо для трогания поезда с места. При пуске сериесного двигателя весь большой ток якоря идёт по обмотке возбуждения и создаёт самый большой магнитный поток, отчего сериесный двигатель создаёт самый большой вращающий момент.

I_дв = (U_дв - Е) / R_дв ; где R_дв = R_я + R_гл.пол + R_{доп.пол} ≈ 0,1 Ом

Ток двигателя (ток якоря) бывает большим:

· При пуске - так как тогда противо ЭДС якоря равна «0», а R_дв очень мало.

· При движении на высоких позициях по тяжёлому подъёму после уменьшения скорости поезда - так как тогда U_дв большое, а противо ЭДС якоря уменьшилось из-за уменьшения оборотов якоря «n».

Ток двигателя (ток якоря) бывает малым, при большой скорости движения поезда и при боксовании колёсной пары, так как будет большая противо ЭДС якоря.

Число оборотов якоря двигателя определяется по формуле:

n_дв = (U_дв - I_дв ∙ R_дв) / (С_е ∙ Ф_дв)

Магнитный поток двигателя определяется по закону Ома для магнитной цепи:

Ф_дв = (I_в ∙ W) / R_маг

где: I_в - ток возбуждения двигателя;

W - число витков обмотки возбуждения;

R_маг - магнитное сопротивление двигателя

R_маг = е / (µ ∙ s)

где: е - средняя длина магнитопровода;

s - сечение магнитопровода;

µ - магнитная проницаемость магнитопровода

µ = 1 - для воздуха и для всех немагнитных материалов;

µ = 50 ÷ 100 - для обычной стали;

µ = 1000 ÷ 10000 - для электротехнической стали.

Вращательный момент двигателя определяется по формуле:

М_вр = С_м ∙ I_я ∙ Ф_дв

Постоянный коэффициент двигателя С_е и С_м прямо пропорционален числу пар главных полюсов Р, числу проводников якоря N, и обратно пропорционален числу пар параллельных ветвей обмотки якоря а.

С_е = (Р ∙ N) / (60 ∙ а) С_м = (Р ∙ N) / (2π ∙ а)

Мощность двигателя «Р» определяется по формуле:

Р = U_дв ∙ I_дв ∙ η (Вт, кВт)

где: η - КПД двигателя ≈ 0,92 ÷ 0,95

Реакция якоря.

Реакция якоря - это влияние магнитного потока якоря «Ф_я» на магнитный поток главных полюсов «Ф_гп».

Когда нет тока в якоре, то магнитный поток главных полюсов направлен по оси полюсов и везде равномерный. Когда при вращении якоря, по проводникам якоря идёт ток, то вокруг каждого проводника якоря создаётся свой магнитный поток. Этот магнитный поток всех проводников якоря складывается и образуется общий магнитный поток якоря Ф_я, направление которого определяется по правилу буравчика.

На рисунке видно, что на набегающих краях главных полюсов Ф_я направлен согласно с Ф_гл.пол главных полюсов, отчего общий магнитный поток двигателя Ф_дв усиливается. На сбегающих краях главных полюсов, магнитный поток якоря направлен встречно с магнитным потоком главных полюсов, отчего общий магнитный поток двигателя уменьшается.

Геометрическая нейтраль (Г.Н.) — это линия, проходящая через ось двигателя, перпендикулярно оси главных полюсов.

Физическая нейтраль (Ф.Н.) — это линия, проходящая через ось двигателя перпендикулярно оси магнитного потока двигателя, наклоненного из-за реакции якоря.

В двигателях, физическая нейтраль, поворачивается относительно геометрической нейтрали, против вращения якоря на угол, величина которого зависит от тока якоря, то есть от нагрузки двигателя. После реверсирования двигателей, физическая нейтраль, будет отклоняться от геометрической, в другую сторону. Поэтому на реверсируемых двигателях, щетки всегда устанавливают на геометрической нейтрали - чтобы были одинаковые условия работы двигателя при вращении якоря в любом направлении.

Реакция якоря вредна, так как:

1. Реакция якоря является одной из главных причин кругового огня по коллектору тягового двигателя - из-за усиления общего магнитного потока на набегающих краях полюсов. Из-за этого при вращении якоря в отдельных секциях обмотки якоря, под набегающими краями полюсов, наводится повышенная ЭДС. Из-за этого, между отдельными соседними коллекторными пластинами, увеличивается междуламельное напряжение примерно до 40 В, при среднем междуламельном напряжении до 15 ÷ 20 В. Из-за этого происходит переброс дуги между соседними коллекторными пластинами, что может привести к круговому огню по коллектору тягового двигателя между плюсовой и минусовой щетками.

1. Из-за реакции якоря ухудшается коммутация тягового двигателя.

1. Из-за реакции якоря уменьшается общий магнитный поток двигателя, так как из-за явления насыщения сердечников главных полюсов, усиление общего магнитного потока двигателя на набегающих краях полюсов происходит в меньшей степени, чем ослабление общего магнитного потока двигателя на сбегающих краях полюсов.