§33. Основы работы электродвигателей

Э. д. с. и ток нагрузки электродвигателя. Э. д. с. электродвигателя определяется по той же формуле, что и для генератора [см. формулу (59)].

Ток I_я в цепи обмотки якоря электродвигателя (ток нагрузки) определяется разностью питающего напряжения U и э. д. с. Е, которые направлены по контуру цепи якоря встречно (см. рис. 69, а). Поэтому согласно второму закону Кирхгофа получим:

U – E = I_я?R_я

откуда

I_я = (U – E) / ?R_я (64)

Из формулы (64) следует, что от э. д. с. Е зависит сила тока I_я и, следовательно, мощность, потребляемая двигателем. Если э. д. с. уменьшается, например, при уменьшении частоты вращения п (в результате возрастания механической нагрузки на валу) или магнитного потока Ф, то возрастает ток I_я и мощность, потребляемая электродвигателем.

Частота вращения и вращающий электромагнитный момент. Формулу для частоты вращения электродвигателя можно получить из формулы (59), если подставить в нее э. д. с. E = U – I_я ? R_я:

n = E / (c_EФ) = (U – I_я ? R_я) / (c_EФ) (65)

Электромагнитный вращающий момент электродвигателя определяется по той же формуле, что и электромагнитный тормозной момент генератора [см. формулу (63')]. При работе электродвигателя под нагрузкой на его вал, кроме вращающего электромагнитного момента М, действует еще противоположно направленный внешний тормозной момент М_вн (см. рис. 68, в), создаваемый приводимым им в движение механизмом. Например, в грузоподъемных механизмах поднимаемый груз оказывает сопротивление вращению якоря электродвигателя, который тянет трос с подвешенным к нему грузом. При работе электровозов и тепловозов масса поезда и самого локомотива, различные виды трения (колес о рельсы, осей в буксовых подшипниках локомотива и вагонов, различных движущихся частей в локомотиве и его тяговых двигателях), а также давление воздуха на торцовую поверхность локомотива и вагонов создают сопротивление движению поезда, которое приходится преодолевать тяговым двигателям этих локомотивов. Чем больше масса состава, скорость движения или подъем, по которому следует поезд, тем больше сопротивление, оказываемое вращению тяговых двигателей локомотива.

В зависимости от значений этих моментов якорь электродвигателя ускоряется (при М > М_вн), замедляется (при М < М_ВН) или вращается с постоянной частотой (при М = М_ВН). Следовательно, при равномерном вращении якоря (после окончания периода разгона или торможения) электромагнитный вращающий момент М определяется тормозным внешним моментом М_ВН, приложенным к его валу. Например, при увеличении внешнего момента М_ВН равновесие моментов нарушается и частота п вращения якоря уменьшается. Это вызывает уменьшение э. д. с. E, индуцируемой в обмотке якоря, и, следовательно, увеличение тока I_я и электромагнитного момента М. Указанный процесс продолжается до тех пор, пока моменты М и М_ВН не уравняются. После этого якорь будет снова вращаться с постоянной частотой, несколько меньшей, чем до увеличения момента М_ВН. Следовательно, электродвигатели обладают свойством саморегулирования: при увеличении внешнего момента М_ВН приложенного к валу, автоматически возрастает ток в обмотке якоря и электромагнитный момент М, пока не будет обеспечено условие М = М_ВН.

Процесс изменения момента М при увеличении момента М_ВН можно объяснить также исходя из энергетических соотношений. При увеличении внешнего момента М_ВН увеличивается механическая энергия, которую электродвигатель отдает приводимой во вращение колесной паре или производственному механизму. Следовательно, должна увеличиться электрическая энергия, потребляемая двигателем от источника (контактной сети, тепловозного генератора), т. е. ток I_я, поступающей в обмотку якоря, и создаваемый им момент М.

Из рассмотренных условий изменения момента М при увеличении или уменьшении момента М_ВН следует, что ток I_я в обмотке якоря зависит от механической нагрузки на валу электродвигателя. Чем больше тормозной момент М_ВН, приложенный к валу, тем больше должен быть ток I_я, чтобы создать электромагнитный вращающий момент М ? М_ВН Из формулы M = c_MФ I_я можно получить

I_я = M / (c_EФ) ? М_вн / (c_EФ) (66)

По этой причине ток обмотки якоря часто называют током нагрузки электродвигателя.

Из формулы (66) следует также, что ток I_я зависит от магнитного потока Ф. Физически это объясняется следующим образом. Если уменьшить поток Ф, то должны уменьшиться электромагнитный момент М и э. д. с. в обмотке якоря Е. Однако это сейчас же приведет к увеличению тока I_я, который будет возрастать до тех пор, пока момент М не уравняется с внешним моментом М_ВН.