Основные электрические процессы при работе
Электродвигателя
Когда двигатель подключен к источнику тока, то в обмотке его якоря и обмотке главных полюсов возникает ток; появится магнитный поток полюсов. Благодаря взаимодействию магнитного потока и тока обмотки якоря будет создан вращающий момент, приводящий якорь в движение.
Величина вращающего момента определяется по формуле:
M = Cм IΦ,
где Cм – постоянный коэффициент, зависящий от конструктивного
выполнения двигателя;
I – ток в якорной обмотке двигателя;
Φ– магнитный поток двигателя.
При пуске двигателя обычно ток якоря и магнитный поток полюсов имеют большие значения; поэтому вращающий момент будет значителен и вращение якоря будет происходить с ускорением.
Во время вращения якоря проводники его обмотки пересекают магнитные силовые линии магнитного потока полюсов. Согласно закону электромагнитной индукции в проводниках при этом наводится электродвижущая сила, которая называется противо-э.д.с., потому что она направлена против направления тока в проводниках обмотки якоря или против приложенного к двигателю напряжения. Под влиянием противо-э.д.с. будет уменьшаться величина тока в двигателе. Если при отсутствии противо-э.д.с. в начальный момент движения якоря ток двигателя определяется по по закону Ома I = U / Rд в,
то при возникновении противо-э.д.с величина тока будет определятся по формуле
I = (U – E) / Rд в,
Следовательно, чем больше противо-э.д.с., тем меньше будет ток. При уменьшении тока снижается величина вращающего момента двигателя. При какой-то скорости возрастание противо-э.д.с. вызовет такое ослабление тока и вращающего момента, что установится равновесие между величиной вращающего момента двигателя и величиной момента сопротивления ( от сопротивления движению электровоза и поезда ), тогда ускорение якоря прекратится и он будет вращаться с равномерной скоростью. По обмотке якоря при этом будет протекать ток определённой величины.
Таким образом, противо-э.д.с. является в двигателе как бы автоматическим регулятором скорости, величины тока и вращающего момента. Скорость вращающего момента ( скорость двигателя) будет устанавливаться определенная в соответствии с приложенным к нему напряжением и величиной магнитного потока.
n = Uк – I R д в / Cе Φ ,
где Uк – напряжение на коллекторе двигателя;
I – ток двигателя;
Rдв – внутреннее сопротивление обмоток двигателя;
Cе – постоянный коэффициент;
Φ – магнитный поток двигателя.
Реакция якоря.
Явление реакции якоря заключается в том, что при прохождении тока по обмотке якоря в его сердечнике образуется магнитный поток, направленный поперёк основного магнитного потока главных полюсов двигателя. Воздействие потока якоря на поток полюсов вызывает искажение основного потока, в результате чего магнитная нейтраль как бы поворачивается и не совпадает с геометрической нейтралью полюсной системы. Для нормальной бескорыстной работы двигателя нужно, чтобы щетки находились в соединении с теми стержнями обмотки якоря, которые в этот момент располагаются на магнитной нейтрали. Но фактически в двигателе их приходится ставить на геометрической нейтрали, чтобы двигатель работал в одинаковых условиях при обоих направлениях вращения якоря. Поэтому при нагрузке двигателя витки обмотки якоря, находящиеся под щетками, будут пересекать магнитные силовые линии; вследствие этого в них наводится э.д.с., под действием которой возникнут ток и искрение под щётками, что обязывает соблюдать определённое соотношение между величиной тока якоря и величиной тока возбуждения при всех режимах работы двигателя.
Коммутация якоря.
Это явление заключается в изменении направления тока в проводниках якоря в момент перехода этих проводников из зоны действия полюса одной полярности в зону действия полюса другой полярности. В этот момент пара проводников или несколько пар бывают замкнуты щеткой накоротко. Так как этот период бывает очень кратковременным и ток в витке изменится резко, в проводниках наводится э.д.с. самоиндукции. Но поскольку сопротивление медных проводников обмотки очень невелико, ток в витках, замкнутых щеткой накоротко, несмотря на небольшие величины э.д.с., возникает значительный. В момент выхода коллекторной пластины, соединённой с проводником, из под щетки происходит размыкание короткозамкнутых витков и разрыв этого тока. Разрыв цепи тока вызывает нежелательное искрение на коллекторе. Степень искрения оценивается в зависимости от количества искр, наблюдаемых под щётками. Нормальным в условиях эксплуатации считают искрение степеней 1, 1 ¼ , 1 ½
При нормальных условиях искры между отдельными коллекторными пластинами не успевают гаснуть и, соединяясь, образуют круговой огонь по коллектору между плюсовыми и минусовыми щётками, который представляет собой короткое замыкание цепи двигателя и вызывает сильный бросок тока, оплавление коллектора, повреждение щёток, выплавление припоя из петушков коллектора. Круговой огонь может переброситься на заземленные части двигателя: подшипниковый щит, железо якоря, сердечник полюса и т. д., что приводит к порче двигателя.
Все э.д.с., возникающие в витках обмотки якоря в период коммутации, называют « реактивная » э.д.с. Для уменьшения влияния этой э.д.с. на работу машины в двигателях устанавливают дополнительные полюса.
Дополнительные полюса.
В витках обмотки якоря, концы которых проходят под щетками, магнитный поток должен наводить добавочную э.д.с., направленную навстречу реактивной э.д.с. и равную ей. Поскольку величина реактивной э.д.с. увеличивается при нарастании тока в обмотке якоря, необходимо, чтобы также увеличивалась противодействующая ей э.д.с., а для этого нужно увеличение магнитного потока дополнительных полюсов, пропорциональное току обмотки якоря. Для получения такой и достижения автоматичности действий дополнительных полюсов их обмотки соединяют последовательно с обмоткой якоря и магнитную систему выполняют ненасыщенной, чтобы любое увеличение тока двигателя вызывало бы пропорциональное увеличение магнитного потока. Для получения ненасыщенной магнитной системы дополнительных полюсов необходимо иметь значительный воздушный зазор на пути прохождения магнитных силовых линий ; тогда малые и средние по величине токи двигателя не смогут вызвать насыщения сердечников полюсов. Однако увеличение воздушного зазора между сердечником дополнительного полюса и сердечником якоря может привести к увеличению магнитных потоков рассеивания на главный полюс и по воздуху вокруг катушки . Целесообразно увеличить промежуток за счет постановки немагнитной прокладки между сердечником дополнительного полюса и остовом двигателя. Такая прокладка препятствует насыщению полюса и образованию магнитных потоков рассеивания. Искрение на коллекторе в некоторой степени зависит также от сорта применяемых щеток. Их сопротивление должно ограничить величину тока коммутации. Но они не должны иметь высокой твердости, чтобы не изнашивать коллектор. ктивной , этот магнитный поток должен наводить добавочную э.полюсной системы двигателя.
напряжение на коллектора двигателя.
Приложенное на коллекторе напряжение распределяется между витками обмотки якоря, поэтому между смежными пластинами коллектора образуется разность потенциалов. Опытом установлено, что если среднее напряжение между соседними пластинами коллектора будет превышать 25 В, то на коллекторе будут часто возникать искрения и образовываться круговой огонь. Таким образом, чтобы применять более высокое напряжение на коллекторе, нужно иметь большое число коллекторных пластин с расчётом получения среднего напряжения меньше указанной величины. Однако по условиям механической прочности каждая коллекторная пластина должна иметь толщину не менее 3 мм, поэтому стремление к увеличению числа пластин требует увеличение диаметра коллектора, почти равному диаметру якоря, что усложняет конструкцию крепления двигателя и его расположение. Поэтому двигатели обычно выполняются на ограниченное напряжение на коллекторе, меньше чем напряжение питающей сети .
Двигатели наших электровозов выполняются с расчётом напряжения на зажимах 1500 В.Чтобы они могли работать от сети с напряжением 3000 В, их нужно соединять не менее чем по два последовательно. Тогда общее напряжение на тяговых двигателях будет 3000 В, а на каждом тяговом двигателе будет только 1500 В
Ток двигателей
При прохождении тока по обмоткам двигателя в них происходит выделение тепла. Количество выделяющего тепла зависит от сопротивления обмоток и пропорционально квадрату тока, проходящего по обмоткам. Поскольку двигатель имеет принудительное охлаждение и его части обладают значительной теплоёмкостью, повышение температуры происходит не сразу, а постепенно в зависимости от выделенного тепла.
Нагрев вредно отражается на состоянии изоляции, в ней возникают трещины и меняются её свойства. Для каждого класса изоляции есть
определённый предел нагрева. Так для обмотки якоря применяется класс изоляции по нагревостойкости H – допустимый нагрев до140-160 ° C, а для обмоток полюсной системы F – допустимый нагрев до 155-180 ° C при температуре окружающего воздуха + 25 °C. Ток, который проходит по обмоткам двигателя, не должен вызывать перегрева изоляции выше предела, установленного для данного класса. Поэтому в одном и том же двигателе может допускаться прохождение большего тока в течение малого времени или прохождение меньшего тока в течение большего времени и он делится на часовой ток и длительный ток.
Часовой ток- это такой ток, при котором работа двигателя в течение одного часа вызывает нагрев его частей из холодного состояния до предельной температуры, установленной для данного класса изоляции.
Длительный ток – это такой ток, который при длительном непрерывном прохождении по двигателю (более восьми часов ) способен нагреть обмотки до предельной температуры, установленный для их изоляции, но не сможет превысить эту температуру при любой продолжительности работы двигателя.
Часовая скорость- это скорость вращения якоря при номинальном напряжении на коллекторе двигателя и при прохождении по его обмоткам часового тока.
Длительная скорость – это скорость вращения якоря при номинальном напряжении на коллекторе двигателя и при прохождении по его обмоткам длительного тока.
Часовая мощность – это мощность развиваемая на валу двигателя при номинальном напряжении на коллекторе и часовом токе.
Длительная мощность – это мощность, развиваемая на валу двигателя при номинальном напряжении на коллекторе и длительном токе.
Максимальный ток – увеличение тока на двигателе, которое влияет не только на нагрев его, но и способствует образованию искрения на коллекторе. Обычно у двигателей максимальная величина тока равна двойному часовому току.
Максимальная скорость– при большей скорости вращения якоря двигателя возникает большая центробежная сила, стремящаяся вырвать обмотку якоря из пазов сердечника, поэтому устанавливается величина допустимой максимальной скорости движения, т.е. устанавливается конструктивная скорость движения электровоза. Превышение конструктивной скорости движения электровоза или сильное разносное боксование могут привести к разрушению креплений обмотки якоря.