Принцип работы. Если машину постоянного тока подключить к источнику напряжения (контактной сети), то она станет работать как электрический двигатель, т. е. превращать электрическую энергию в механическую, развивая вращающий момент на валу двигателя. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основан на взаимодействии тока, протекающего по обмотке якоря, и Магнитного поля, создаваемого полюсами машины.

Вращающий момент двигателя

Мш = с1Ф,

вр я 5

где с - коэффициент пропорциональности, учитывающий постоянные для данного двигателя величины - число пар полюсов, число проводников и число параллельных ветвей обмотки якоря; I - ток якоря; Ф - магнитный поток.

Если поместить в магнитное поле прямоугольный виток с током, то на стороны витка будут действовать силы, направленные противоположно (направление сил можно определить, пользуясь правилом левой руки). В результате действия этих сил возникнет вращающий момент, который вызовет поворот витка. Машина постоянного тока имеет много витков, последовательно соединенных и расположенных на якоре в виде обмотки. Если пропустить ток через обмотку якоря, то в результате взаимодействия его с магнитным полем полюсов машины возникнут силы, действующие на каждый виток (рис. 43, а). При совместном действии этих сил создается вращающий момент на валу - машина работает двигателем.

При вращении якоря его обмотка пересекает магнитное поле главных полюсов, поэтому в ней по закону электромагнитной индукции возникает э.д.с. Направление э.д.с., индуцируемой в проводнике, определяемое правилом правой руки, будет противоположно напряжению сети. Отсюда ток в обмотке якоря двигателя при его работе

_{и-Е)

1 я ~ ,

Гя где и~ напряжение сети; Е- э.д.с.; гя - сопротивление обмотки якоря двигателя.

Схема, поясняющая возникновение вращающего (а) и тормозного (б) моментов электродвигателя
Рис. 43. Схема, поясняющая возникновение вращающего (а) и тормозного (б) моментов электродвигателя

Значение э.д.с. зависит от частоты вращения п (числа оборотов) двигателя и магнитного потока Ф:

Е = спФ.

Частота вращения якоря определяется в соответствии с формулами:

Частота вращения якоря электродвигателя последовательного возбуждения меняется в зависимости от нагрузки автоматически, так как вместе с изменением тока в обмотке якоря меняется магнитный поток полюсов. Из формулы (1) видно, что частота вращения якоря п обратно пропорциональна значению магнитного потока Ф. Поэтому нагруженный двигатель (например, при движении груженого вагона на подъеме), потребляющий из сети большой ток, имеет значительный магнитный поток и небольшую частоту вращения якоря. При уменьшении же нагрузки на валу ток в обмотке якоря уменьшается, магнитный поток также уменьшается и частота вращения якоря возрастает. В обоих случаях машина работает почти с постоянной мощностью, благодаря чему колебания нагрузки тяговых подстанций и контактной сети невелики, что улучшает условия их работы.

Реакция якоря. При работе двигателя ток в обмотке якоря создает свое магнитное поле - поле якоря. Одновременное существование двух магнитных полей - поля полюсов и поля якоря - приводит к образованию результирующего магнитного поля (рис. 44).

Действие магнитного поля якоря на поле полюсов машины называется реакцией якоря. Ось результирующего магнитного поля сдвигается относительно физической нейтрали (линии, перпендикулярной оси магнитного поля) в сторону, противоположную направлению вращения якоря двигателя. Для уменьшения реакции якоря и улучшения коммутации щетки двигателей постоянного тока сдвигают в сторону, обратную направлению вращения

Реакция якоря создает неравномерность распределения магнитного потока по окружности якоря: под краями полюсов интенсивность магнитного потока выше. Это может привести к возникновению сильного искрения под щетками и даже кругового огня на коллекторе. Для предотвращения сильного увеличения магнитной индукции под краями полюсных наконечников искусственно увеличивают магнитное сопротивление в указанных местах. Для этого делают больше воздушный зазор под краями полюсных наконечников, внутреннюю поверхность которых располагают эксцентрично относительно наружной поверхности якоря. Так как магнитный поток стремится пройти по пути наименьшего магнитного сопротивления, то большая часть потока полюса проходит в этом случае в якорь через среднюю часть полюса, а потоки через края полюсных наконечников будут минимальными.

Направления магнитных потоков обмоток возбуждения (а), якоря {б) и изменения потока вследствие реакции якоря (в)
Рис. 44. Направления магнитных потоков обмоток возбуждения (а), якоря {б) и изменения потока вследствие реакции якоря (в)

Коммутация. Под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе машин постоянного тока. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Искрение щеток могут вызвать многие причины; их разбивают на две группы: механические и электромагнитные. К механическим причинам относятся: слабое нажатие щеток на коллектор, плохая притирка их по поверхности коллектора, некачественная продорожка, плохо отшлифованная поверхность пластин, вибрация щеткодержателей и т.д. Все это приводит к вибрации щеток, в связи с чем возможны кратковременный отрыв щетки от коллектора и возникновение кратковременной электрической дуги.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже при идеальном состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки разрывается ток и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие края щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и, как следствие, приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения из-за механических причин.

Качество коммутации оценивается степенью искрения под сбегающим краем щетки при вращении коллектора по следующей шкале:

1 - отсутствие искрения (темная коммутация);

1 у - слабое точечное искрение под небольшим числом щеток; почернения на коллекторе и следов нагара на щетках нет;

1 У2 - слабое искрение под половиной щеток; наблюдается появление следов почернения на коллекторе и нагара на щетках, легко Устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином;

2 - искрение под всеми щетками; следы почернения на коллекторе и следы нагара на щетках не устраняются при протирании коллектора бензином;

3 - значительное искрение под всеми щетками, наличие крупных вылетающих искр; происходят значительное почернение коллектора, подгар и частичное разрушение щеток.

При степенях искрения 2 и 3 тяговые двигатели к эксплуатации не допускаются.

Возбуждение. В зависимости от способа создания магнитного поля различают машины постоянного тока с независимым возбуждением и самовозбуждением.

У машин с независимым возбуждением обмотки главных полюсов (обмотки возбуждения) питаются от постороннего источника тока. Напряжение на обмотку возбуждения полюсов машины с самовозбуждением подается с ее щеток, причем обмотка возбуждения может быть включена последовательно с обмоткой якоря или параллельно ей. В первом случае машины называют машинами последовательного возбуждения, во втором - параллельного возбуждения. Возможен и такой вариант, когда машина имеет две обмотки возбуждения, намотанные на одни и те же полюса и включенные - одна последовательно с обмоткой якоря, другая - параллельно ей. Такие машины называют машинами смешанного возбуждения.

Тот или иной тип возбуждения определяется назначением машины. Тяговые двигатели вагонов метрополитена являются машинами постоянного тока последовательного возбуждения.

Ток, протекающий по обмоткам якоря и возбуждения, одинаков, и магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, при малом насыщении стали магнитопровода пропорционален току якоря: Ф = с,/я. Так как вращающий момент на валу двигателя М = с1яФ, то для двигателя последовательного возбуждения можно считать, что М= с21я 2. В этих формулах с, с„ с2 - коэффициенты, учитывающие параметры двигателя (его размеры, число пар полюсов, число проводников обмотки якоря и т.п.) и размерности величин, входящих в формулу.

Квадратичная зависимость вращающего момента от тока в обмотке якоря позволяет при электродвигателе последовательного возбуждения резко увеличивать силу тяги, вращающий момент при пуске, когда двигатель должен преодолеть инерцию нагрузки на валу.

Контрольные вопросы 1. Поясните принцип работы машины постоянного тока в режиме двигателя.

2. От чего зависит вращающий момент двигателя?

3. Какой формулой определяется частота вращения вала двигателя? От чего зависит частота вращения?

4. Что такое реакция якоря и как она влияет на коммутацию машины?

5. Как оценивается качество коммутации?

6. Как классифицируются машины постоянного тока по способу возбуждения?

7. Почему в качестве тяговых двигателей используются машины постоянного тока с последовательным возбуждением?

Устройство тягового двигателя | Электропоезда метрополитена | Пуск тягового двигателя