Характеристики тяговых двигателей электровозов переменного тока

5. Тяговые, тормозные и токовые характеристики электровоза, их применение в тяговых расчетах.

Тяговая характеристика показывает зависимость силы тяги локомотива Fк от скорости движения V. Её строят по скоростной и электротяговой характеристикам следующим образом: из электромеханических характеристик, отнесенных к ободу колеса (рисунок 4.10, а), определяют скорость движения V₁ и силу тяги F_КД1 при токе Iд₁. Затем F_КД1 умножают на число тяговых двигателей или число движущихся колесных пар и вычисляют по формуле силу тяги локомотива :, где– число тяговых двигателей или число движущихся колесных пар,– Сила, реализуемая каждой колесной парой. Значение скорости откладывают по оси абсцисс графика (рис. 4.10, б), а силу тяги— по оси ординат. Аналогично задаваясь токамиI_Д2, I_Д3, находят скорости движения V₂ ,V₃ , силы тяги F_КД2, F_КД3, а затем рассчитывают силы тяги Fк₂, Fк₃ и определяют точки для построения тяговой характеристики и т.д. Соединив точки плавной кривой получают тяговую характеристику.

Каждому способу возбуждения тягового электродвигателя соответствует своя тяговая характеристика. На рисунке 4.11 приведены тяговые характеристики ЭПС при различных системах возбуждения электродвигателей.

Тяговые характеристики ЭПС при использовании электродвигателей параллельного возбуждения – жесткие (кривая 2). Тяговые электродвигатели последовательного возбуждения имеют разную жесткость в зависимости от степени насыщения магнитной системы. При установке электродвигателей с высоким насыщением тяговые характеристики имеют большую жесткость и в зоне высоких скоростей обеспечивают сравнительно небольшие силы тяги (кривая 1). Значит в этой зоне не полностью используется мощность электродвигателей. Поэтому у современных электродвигателей предусматривают сравнительно малое насыщение магнитной системы и мягкие характеристики (кривая 1`), позволяющие полнее использовать мощности в зоне высоких скоростей. Тяговая характеристика при электродвигателях со смешанным возбуждением – кривая 3. Рабочая зона на тяговых характеристиках ограничивается условиями надежности работы ЭПС. В зоне высоких скоростей тяговая характеристика (рис. 4.12) ограничена наибольшей допустимой (конструкционной) скоростью движения (линия 1). В зоне больших значений силы тяги она обычно ограничена или силой тяги. Развиваемой электродвигателем при наибольшем допустимом токе по коммутации (кривая 2) или ко условиям сцепления колесных пар с рельсами (кривая 3).

Тяговые характеристики восьмиосных электровозов ВЛ10, ВЛ11 М Приведены на рисунке 5.21.Характеристики в зоне наибольших скоростей движения ограничены конструкционной скоростью 100 км/ч. Чтобы более полно использовать мощность и сцепной вес электровоза, нужно развивать по возможности большие силы тяги. На перечисленных электровозах они ограничены сцеплением колес с рельсами. На пассажирских электровозах и электропоездах наибольшая сила тяги ограничивается и током, при котором не нарушается надежная коммутация двигателей. На рис. 5.23 приведены для примера тяговые характеристики пассажирского шестиосного электровоза ЧС2, которые имеют ограничения по току.

Тормозные характеристики электровозов постоянного тока при рекуперативном торможении

, , ∑E ≥ Uc

, ,,

,

Тормозные характеристики электровозов переменного тока при реостатном торможении

, – тормозная сила двигателя

–тормозная сила электровоза

На ВЛ85, 2ЭС5К, ВЛ80Р, ЭП1 применяется четырехзонное регулирование.

, – в рекуперативном торможении.— коэффициент сцепления в режиме тяги.

Ограничение по коммутации тяговых двигателей характеризуется параметрами:

,

Токовыми характеристиками называют зависимость тока тягового электродвигателя от скорости движения. Эти характеристики используют для определения токов при движении поезда с различными скоростями. Они необходимы для оценки использования мощности тяговых электродвигателей, для определения расхода энергии на тягу поезда и расчета элементов системы электроснабжения. При работе электроподвижного состава постоянного тока для расчетов необходимы токовые характеристики, показывающие зависимость тока ЭПС Iэ от скорости V. Токовые характеристики Iэ(V) строят исходя из скоростных характеристик тягового двигателя. Для определения тока ЭПС Iэ задаются скоростью движения V и по скоростной характеристике V(Iд) находят ток тягового электродвигателя Iд. Ток, потребляемый ЭПС, равен току Iд, умноженному на число параллельных цепей тягового электродвигателей:

,

где а – число параллельных цепей тяговых электродвигателей.

Например, для шестиосного электровоза при последовательном (С) соединении а_с = 1, следовательно, Iэ= Iд. При последовательно-параллельном (СП) – а_сп = 2 и Iэ=2 Iд, при параллельном (П) — а_п = 3 и Iэ=3 Iд. Токовые характеристики Iэ(V) шестиосного пассажирского электровоза ЧС2 Т , построены на основании скоростных характеристик V(Iд), приведены на рисунке 12.1, а.

На токовые характеристики наносят ограничивающую линию, которая соответствует току при наибольшей допустимой силе тяги электровоза по сцеплению колес с рельсами или по току тягового электродвигателя.

Токовые характеристики электровоза ВЛ10, ВЛ10 У приведены на рис. 12.2 Их строят на основании скоростных и электротяговых характеристик тягового электродвигателя ТЛ-2К с учетом числа параллельных цепей а_с = 1, а_сп = 2, а_п = 4. Если на этих характеристиках нет ограничивающих линий, то их определяют исходя из допустимой силы тяги по сцеплению. Для этого из тяговой характеристики электровоза (см. рис.5.22, а) или по формулам рассчитывают силу тяги по сцеплению и определяют Fк сц. Затем разделив её на число движущихся осей, получаю силы тяги, развиваемые каждой колесной парой, соединенной с тяговым электродвигателем Fкд.

Эти расчеты выполняют для разных скоростей. Для каждого значения силы тяги Fкд и скорости V определяют пусковой ток Iд из электротяговых характеристик Fкд (Iд). Полученное значение Iд умножают на число параллельных цепей электродвигателей а и получают значение Iэ, которое откладывают при этих скоростях. В связи с уменьшением силы тяги по сцеплению в зависимости от скорости ограничивающие токи Iд и Iэ также снижаются.

Электропоезда переменного тока | Общие сведения

Описание электропоездов и электровозов, расписание поездов, фотографии

Тяговые двигатели служат для преобразования электрической энергии в механическую, которая затрачивается на приведение во вращение колесных пар моторных вагонов электропоездов и преодоление всех сил сопротивления движению электропоезда.

Особые условия работы тяговых двигателей требуют, чтобы они без влияния на свои механические и электрические данные могли переносить динамические воздействия от пути. Поэтому огромное значение имеет способ подвески тягового двигателя на тележке моторного вагона. На электропоездах серии всех модификаций ЭР9 применена независимая опорно-рамная подвеска, при которой тяговый двигатель жестко укреплен на раме тележки вагона, а передача вращающего момента на ось колесной пары осуществляется через муфту.

В связи с тем что тяговый двигатель расположен под вагоном, он подвержен различным климатическим воздействиям, что усложняется еще и тем, что на электропоездах применяют тяговые двигатели с самовентиляцией с забором охлаждающего воздуха через специальные каналы с крыши вагона. Поэтому тяговые двигатели находятся в тяжелых условиях влияния внешней среды и особенно зимой. Тяговые двигатели электропоездов находятся также в ограниченных размерах габарита моторной тележки, что усложняет уход в эксплуатации за их щеткодержателями и коллекторами, в то время как для надежной и безаварийной работы тяговых двигателей необходим тщательный уход за ними в эксплуатации.

Рабочие режимы тяговых двигателей пригородных электропоездов в связи с частыми и быстрыми изменениями нагрузки, резкими изменениями скорости вращения, большими колебаниями напряжения на коллекторе существенно отличаются от режимов работы стационарных электрических машин. Резкие изменения скорости вращения могут приводить к механическим повреждениям бандажей якоря тягового двигателя, а также соединительной муфты. Поэтому для надежной работы тяговые двигатели должны изготавливаться из высококачественных материалов.

Надежность работы тяговых двигателей зависит также от класса изоляции применяемых в них диэлектрических материалов. В тяговых двигателях электропоездов обычно применяется изоляция класса В, допускающая температуру перегрева для якоря 120 °С, для обмоток полюсов — 130 °С. В настоящее время для изоляции тяговых двигателей начали применять кремнийорганические материалы, позволяющие значительно повысить перегревы обмоток тяговых двигателей.

Основные параметры тяговых двигателей. На электропоездах переменного тока применяются тяговые двигатели пульсирующего тока, которые, как и двигатели постоянного тока, характеризуются тремя значениями мощности:

продолжительной (длительной) мощностью — мощностью длительного режима;

часовой мощностью — мощностью часового режима; максимальной мощностью.

Продолжительной (длительной) мощностью называется наибольшая развиваемая на валу тягового двигателя мощность, при которой электрическая машина на испытательном стенде при нормально действующей вентиляции, закрытых коллекторных и смотровых люках и номинальном напряжении на зажимах может работать длительно. При этом превышение температуры частей машины не должно превышать установленных для этого режима норм.

Часовой мощностью называется наибольшая развиваемая мощность на валу тягового двигателя, при которой тяговый двигатель может работать на испытательном стенде при нормально действующей вентиляции и закрытых смотровых люках в течение 1 ч. При этом режиме допустимое превышение температуры частей машины с классом изоляции В над температурой окружающего воздуха не должно быть больше для обмотки якора 120 °С, а для класса Н— 160 °С.

Под максимальной мощностью двигателя следует понимать мощность, которую он может развивать в течение короткого промежутка времени без механических деформаций деталей и появления недопустимого искрения щеток.

Длительным, часовым и максимальным током двигателя называется ток, соответствующий длительной, часовой и максимальной его мощности.

Номинальным напряжением тяговых двигателей считается напряжение, соответствующее номинальному режиму работы, при условиях, для которых они предназначены заводом-изготовителем. Но рабочее напряжение может быть больше и меньше номинального. Отечественные ГОСТы допускают повышение напряжения в контактной сети у токоприемника на 25% выше номинального напряжения электродвигателей. Тяговые двигатели пульсирующего тока, питающиеся через тяговый трансформатор и выпрямительную установку вагона от напряжения контактного провода переменного тока, должны надежно работать при повышении напряжения в контактной сети на токоприемнике э. п. с. на 16% или понижении его на 24%.

Тяговые двигатели электропоездов переменного тока работают в условиях резко меняющихся режимов работы. Исходя из этого нельзя характеризовать работоспособность тяговых двигателей одним значением мощности. В тяговых двигателях, как и в других электрических машинах, в процессе преобразования электрической энергии в механическую происходит частичная потеря энергии в тепловую. Потери в. двигателях подразделяют на электрические потери в обмотках и щеточном механизме коллектора, механические потери, возникающие при трении в подшипниках, трении щеток и т. д., магнитные потери в стали якоря, обусловленные гистерезисом, добавочные потери в стали от искажения основного поля реакцией якоря и вихревых токов (рис. 58). Электрические потери сильно зависят от изменения нагрузки, а магнитные и механические — незначительно. Поэтому первые часто называют переменными потерями, а вторые — постоянными. Отсюда следует, что от соотношения постоянных и переменных потерь характер изменения к. п. д. при увеличении нагрузки будет различным, несмотря на одинаковое значение к. п. д. при номинальной нагрузке двигателей.

Для тяговых двигателей моторвагонного подвижного состава экономически более целесообразной является характеристика 2, так как частые пуски в пригородном движении при большом токе происходят при более высоком значении к. п. д., что дает значительное снижение пусковых потерь, а для тяговых двигателей электровозов—характеристика 1 (рис. 59).

Все современные тяговые двигатели, устанавливаемые на электропоездах переменного тока, имеют последовательное (сериесное) возбуждение, преимущество которого видно из характеристик, приведенных на рис. 60. При параллельной

работе тяговых двигателей с параллельным возбуждением расхождение в нагрузках, вызванное неизбежной разницей в свойствах материалов, применяемых при изготовлении, а также различными допусками на обработку и сборку отдельных узлов, оказывается значительно большим, чем в двигателях с последовательным возбуждением. Двигатель с последовательным возбуждением имеет так называемую мягкую характеристику. При увеличении нагрузки значительно увеличивается вращающий момент и уменьшается скорость, и наоборот, при снижении нагрузки уменьшается вращающий момент.

Тяговый двигатель с последовательным возбуждением значительно лучше и в конструктивном отношении. Размер его катушек значительно меньше, чем у двигателя с параллельным возбуждением, так как магнитное поле двигателя с параллельным возбуждением возрастает медленно, но при изменении нагрузки он имеет больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением. Однако тяговые двигатели последовательного возбуждения при одинаковой величине тока в зоне больших нагрузок имеют больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением при той же часовой мощности. В настоящее время часовая мощность принимается за основу для определения расчетных параметров тяговых электродвигателей.

Все величины, относящиеся к часовому режиму работы машины, носят название часовых величин и обозначаются индексами ч; величины, соответствующие длительному режиму, называются длительными и обозначаются индексом оо. Отношение длительной мощности рж к часовой рч характеризует интенсивность вентиляции двигателя и носит название коэффициента вентиляции:

Расчет параметров тягового электродвигателя

В качестве исходных данных берем значения, приведенные в приложении П1 методических указаний [1] для тягового электродвигателя AL4846eT. На основе этих данных производим расчет на ПЭВМ, в результате которого получаем электротяговые характеристики, проведенные на рисунке 2.1, магнитную характеристику (рисунок 2.2) и кривую динамической индуктивности (рисунок 2.3) по данным таблицы 1.

Таблица 1 – Электротяговые, магнитная и индуктивная характеристики тяговых электродвигателей

Магнитная характеристика т.э.д. может быть рассчитана по формуле:

где Ф – магнитный поток главных полюсов, Вб;

;

.

где μ – передаточное отношение тягового редуктора; μ=1,52;

р – число пар полюсов т.э.д.; p=3;

N – число проводников обмотки якоря; N=1218;

— диаметр бандажа колесной пары, м; =1,25 м;

а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря; а=3.

Рассчитаем суммарное активное сопротивление всех обмоток т.э.д. Так как обмотки включены последовательно друг с другом, то суммарное сопротивление может быть вычислено по формуле:

Где – сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

– сопротивление обмотки якоря, Ом;

– сопротивление дополнительных полюсов, Ом;

– сопротивление компенсационной обмотки, Ом.

Подставив соответствующие значения в выражение (2.1), мы можем рассчитать магнитную характеристику двигателя Ф().

Результаты расчетов магнитной характеристики занесены в таблицу 1.

Еще о транспорте:

Определение количества водителей для выполнения данного объема перевозок
Фонд рабочего времени одного водителя определяется по формуле: ФРВ = ( Дк- Дв — Дпр — Дб — Д0) • Тсм, ч/год, (33) где Дк — календарные дни в году, дн.; Дв — выходные дни в году, дн.; Дпр- праздничные дни в году, дн.; Дб- дни неявок по болезни, дн.; Д0-дни отпуска, дн.; Тсм — продолжительность рабоч .

Расчет обыкновенного стрелочного перевода
Основными параметрами стрелки являются стрелочный угол ß и длина остряка , показанные на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 – Основные параметры стрелки Основные размеры стрелки: t – минимально допустимая ширина желоба в свету между рамным рельсом и отводным остряком; U – расстояние между рабочими гран .

Установление границ района тяготения линии в целом и по отдельным станциям
Для установления границ местного района тяготения необходимо выяснить основное направление вывоза грузов из района, а также районы, из которых должны поступать грузы ввоза. Эта задача должна быть решена на основе тех материалов, которые были проработаны при изучении курсов экономической географии и .

3. Тяговые электрические двигатели, их особенности и конструкция

Какому двигателю отдать предпочтение?

В настоящее время наибольшее распространение получили электрические двигатели двух видов: переменного тока — трехфазные асинхронные и постоянного тока — коллекторные с различными способами возбуждения. Какой же из них лучше использовать на электровозе?

Двигатели, которые могут быть использованы как тяговые, должны удовлетворять, как минимум, двум требованиям. Прежде всего необходимо иметь возможность регулировать в широких пределах их частоту вращения, а следовательно, и скорость движения поезда. Это позволяет машинисту устанавливать ту или иную скорость в зависимости от состояния пути, указаний путевых сигналов, временных ограничений скорости и других причин. Кроме того, необходимо также иметь возможность регулировать в широком диапазоне силу тяги (вращающий момент). Так, двигатели электровоза должны обеспечивать значительную силу тяги во время трогания поезда, его разгона, при преодолении крутых подъемов и т. п. и снижать ее в более легких условиях движения.

С точки зрения организации движения, казалось бы, желательно, чтобы поезда независимо от изменения сопротивления движению перемещались с постоянной скоростью или эта скорость снижалась бы незначительно. В этом случае зависимость между силой тяги F и скоростью движения υ представляла бы в прямоугольных осях координат вертикальную прямую линию 1, параллельную оси F, или слегка наклонную линию 2 (рис. 12, а). Зависимость между силой тяги, развиваемой двигателями локомотива, и скоростью его движения в науке о тяге поезда называют тяговой характеристикой и представляют ее графически, как показано на рис. 12, или в виде таблиц.

Рис. 12. Жесткая (а) и мягкая (б) тяговые характеристики

Изображенные на рис. 12, а тяговые характеристики являются жесткими. В случае жесткой характеристики мощность, потребляемая двигателями, например на крутых подъемах, возрастает пропорционально увеличению силы тяги (произведение υ₁F₁ значительно меньше υ₂F₂, рис. 12, а). Резкое увеличение потребляемой мощности приводит к необходимости повышения мощности — как самих двигателей, так и тяговых подстанций, увеличения сечения контактной подвески, что связано с затратами денежных средств и дефицитных материалов. Избежать этого можно, обеспечив характеристику двигателя, при которой с увеличением сопротивления движению поезда автоматически снижалась бы его скорость, т. е. так называемую мягкую характеристику (рис. 12, б). Она имеет вид кривой, называемой гиперболой. Двигатель с такой тяговой характеристикой работал бы при неизменной мощности (υ₁F₁ = υ₂F₂). Однако при движении тяжелых составов на крутых подъемах, когда необходима большая сила тяги, поезда перемещались бы с очень низкой скоростью, тем самым резко ограничивая пропускную способность участка железной дороги. Примерно такой характеристикой обладают тепловозы, так как мощность их тяговых двигателей ограничена мощностью дизеля. Это относится и к паровой тяге, при которой мощность ограничивается производительностью котла.

Мощность, развиваемая тяговыми двигателями электровоза, практически не ограничена мощностью источника энергии. Ведь электровоз черпает энергию через контактную сеть и тяговые подстанции от энергосистем, обычно обладающих мощностями, несоизмеримо большими мощности электровозов. Поэтому при создании тяговых двигателей электровозов стремятся получить характеристику, показанную на рис. 12, б штриховой линией. Электровоз, оборудованный двигателями с такой характеристикой, может развивать значительную силу тяги при сравнительно высокой скорости. Конечно, мощность, потребляемая тяговыми двигателями в условиях высоких скоростей, повышается (υ₂‘F₂ несколько больше υ₂F₂, но это не приводит к резким перегрузкам питающей системы.

Трехфазные асинхронные двигатели самые распространенные. Достоинства их трудно переоценить: простота устройства и обслуживания, высокая надежность, низкая стоимость, несложный пуск. Но, как известно, частота вращения асинхронного двигателя почти постоянна, не зависит от нагрузки; она определяется частотой подводимого тока и числом пар полюсов двигателя. Поэтому регулировать частоту вращения таких двигателей, а следовательно, и скорость движения поездов можно только изменением частоты питающего тока и числа пар полюсов, что трудно осуществить. Кроме того, как уже отмечалось выше, для питания таких двигателей требуется устраивать сложную контактную сеть. Поэтому асинхронные двигатели до недавнего времени почти не применяли на электровозах.

Благодаря развитию полупроводниковой техники оказалось возможным создать преобразователи однофазного переменного тока в переменный трехфазный и регулировать их частоту. Это позволило построить электровозы, на которых в качестве тяговых используются трехфазные асинхронные двигатели. Подробнее о таких электровозах будет рассказано ниже. Отметим, что абсолютно жесткой характеристикой (см. рис. 12, а) обладает синхронный двигатель.

Посмотрим, в какой степени отвечают требованиям, предъявляемым к тяговым двигателям, электрические машины постоянного тока. Напомним, что эти машины — генераторы и двигатели — различаются по способу их возбуждения.

Обмотки возбуждения могут быть включены параллельно обмотке якоря (рис. 13, а) и последовательно с ней (рис. 13, б). Соответственно такие двигатели называют двигателями с параллельным возбуждением (устаревшее название — шунтовые) и последовательным (сериесные). Используют также двигатели, у которых имеются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная, т. е. смешанное возбуждение. Их так и называют: двигатели смешанного возбуждения. Если обмотки включены согласно, т. е. создаваемые ими магнитные потоки складываются (рис. 13, в), то такие двигатели называют двигателями согласного возбуждения (компаундные); если потоки вычитаются, то имеем двигатели встречного возбуждения (противокомпаундные). Применяют и независимое возбуждение: обмотка возбуждения питается от постороннего источника энергии (рис. 13, г).

Рис. 13. Схемы, поясняющие способы возбуждения двигателей постоянного тока

Чтобы оценить возможности регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока, напомним, что при вращении в магнитном поле проводников обмотки якоря двигателя в них индуктируется электродвижущая сила (э. д. с). Направление э. д. с. определяют, пользуясь известным правилом правой руки. Ток, проходящий по проводникам якоря от источника энергии, направлен навстречу индуктируемой э. д. с., и поэтому ее применительно к двигателям называют иногда противо- э. д. с. Следовательно, напряжение U, приложенное к якорю двигателя, в любое мгновение должно быть больше индуктируемой в его обмотке суммарной э. д. с. Е. На основании закона равновесия электродвижущих сил можно написать:

где I — ток якоря; r — сопротивление обмотки якоря.

Значение э. д. с. Е пропорционально значениям магнитного потока и скорости, с которой проводники пересекают магнитные силовые линии, т. е.

где с — коэффициент, учитывающий параметры двигателя (его размеры, число пар полюсов, число проводников обмотки якоря и т. п.) и размерности величин, входящих в формулу; Ф — магнитный поток; n — частота вращения якоря двигателя.

Формула (2) определяет зависимость между частотой вращения и током якоря при постоянном значении приложенного напряжения. Сопротивление обмотки якоря невелико и составляет обычно несколько сотых долей ома. Поэтому без ощутимой ошибки можно считать, что n ≈ U: (сФ). Следовательно, частоту вращения двигателей постоянного тока можно регулировать, изменяя подводимое к ним напряжение (прямая пропорциональность) или магнитный поток возбуждения (обратная пропорциональность). Оба способа регулирования частоты вращения применяются на электровозах.

Установим, как зависит вращающий момент от тока якоря. Если подключить проводники обмотки якоря двигателя к электрической сети, то проходящий по ним ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создаст силы, действующие на каждый проводник с током. В результате совместного действия этих сил создается вращающий момент М, пропорциональный току якоря и магнитному потоку полюсов Ф, т. е.

где с_м — коэффициент, который учитывает размерность величин, входящих в формулу, число проводников обмотки якоря и другие параметры двигателя.

Из формулы (3) видно, что вращающий момент не зависит от подведенного напряжения.

Чтобы построить тяговую характеристику двигателя постоянного тока, необходимо установить, как изменяются частота вращения n и момент М в зависимости от тока при разных способах возбуждения двигателей. С увеличением нагрузки двигателей, например в случае преодоления подъема при неизменном напряжении U, будет возрастать и ток якоря, так как, чтобы преодолеть дополнительную нагрузку, двигатель должен развивать большую силу тяги, а следовательно, и мощность (как известно, Р = UI).

Для двигателей с параллельным возбуждением можно считать, что ток возбуждения не изменяется с изменением нагрузки. Следовательно, не изменяется и магнитный поток * . Так как сопротивление r обмотки, как уже отмечалось, невелико, то в соответствии с формулой (1) будет незначительно, возрастать произведение Ir при постоянных U и Ф. Это значит, что частота вращения двигателя с параллельным возбуждением при увеличении нагрузки несколько уменьшается (рис. 14, а), а вращающий момент возрастает пропорционально увеличению тока, что графически изображается прямой линией, проходящей через начало координат.

* ( В действительности магнитный поток немного уменьшается вследствие размагничивающего действия реакции якоря.)

Рис. 14. Электромеханические характеристики двигателей с параллельным (а) и последовательным (б) возбуждением

Примерно такие же характеристики будут иметь двигатели с независимым возбуждением, если не изменяется ток возбуждения.

Рассмотрим те же характеристики для двигателя с последовательным возбуждением (см. рис. 13, б). У такого двигателя магнитный поток зависит от нагрузки, так как по обмотке возбуждения проходит ток якоря. Частота вращения якоря, как видно из формулы (2), обратно пропорциональна потоку и при увеличении тока якоря I, а значит, и магнитного потока Ф резко уменьшается (рис. 14, б). Вращающий момент двигателя, наоборот, резко возрастает, так как одновременно увеличиваются ток якоря и зависящий от него магнитный поток возбуждения.

В случае небольших нагрузок магнитный поток возрастает пропорционально току, а вращающий момент, как это следует из формулы (3), пропорционально квадрату тока якоря. Если нагрузка увеличится значительно, ток двигателя возрастет до такой степени, что наступит насыщение его магнитной системы. Это приведет к тому, что частота вращения двигателя будет снижаться уже в меньшей степени. Но тогда начнет более интенсивно возрастать ток, а значит, и потребляемая из сети мощность. При этом скорость движения поезда несколько стабилизируется.

Зависимость частоты вращения n, а также зависимость вращающего момента М от тока якоря I и коэффициента полезного действия η называют электромеханическими характеристиками на валу тягового двигателя при неизменном напряжении U, подводимом к тяговому двигателю.

По электромеханическим характеристикам двигателя можно построить его тяговую характеристику. Для этого берут ряд значений тока и определяют по характеристикам соответствующие им частоту вращения и вращающий момент двигателя. По частоте вращения несложно подсчитать скорость движения поезда, так как известны передаточное число редуктора и диаметр круга катания колесной пары. Зная вращающий момент, подсчитывают силу тяги, развиваемую одной, а затем и всеми колесными парами электровоза. По полученным данным строят тяговую характеристику. Но и без этого построения очевидно, что двигатель с последовательным возбуждением имеет мягкую характеристику. Поэтому на электрических железных дорогах в качестве тяговых в подавляющем большинстве случаев используют двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением.

Тяговые двигатели последовательного возбуждения имеют и другие преимущества по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. Так, при постройке тяговых двигателей устанавливают допуски на точность изготовления, на химический состав материалов для двигателей и т. п. Создать двигатели с абсолютно одинаковыми характеристиками практически невозможно. Вследствие различия характеристик тяговые двигатели, установленные на одном электровозе, при работе воспринимают неравные нагрузки. Более равномерно нагрузки распределяются между тяговыми двигателями последовательного возбуждения, из-за того что они имеют мягкую тяговую характеристику.

Таким образом, мы отметили ряд преимуществ, обеспечиваемых мягкой характеристикой двигателя последовательного возбуждения. С еще одним важным преимуществом такой характеристики мы познакомимся при описании пуска тяговых двигателей. Как видим, двигатели последовательного возбуждения обладают множеством положительных свойств. Но они имеют и весьма существенный недостаток — электровозы с двигателями последовательного возбуждения склонны к боксованию, иногда переходящему в разносное. Этот недостаток особенно резко проявился после того, когда масса поезда стала ограничиваться не мощностью тяговых двигателей, а расчетным коэффициентом сцепления. Жесткая характеристика в значительно большей мере способствует прекращению боксования, так как в этом случае сила тяги резко снижается даже при небольшом скольжении и имеется больше шансов на восстановление сцепления. К недостаткам тяговых двигателей последовательного возбуждения относится также то, что эти двигатели не могут автоматически переходить в режим электрического торможения.