Принцип действия двигателя основан на использовании электромагнитной индукции и взаимодействии проводника, по которому протекает ток, с магнитным полем. В тяговом двигателе имеются две основные части: неподвижная — главные полюса с сердечниками и катушками (обмотка нозбуждения) и подвижная — якорь с уложенными в нем проводниками. Обмотка возбуждения создает магнитный поток Ф, с которым взаимодействуют проводники якоря, по которым протекает ток. В результате этого взаимодействия на проводники якоря действуют силы, образующие вращательный момент М. Он приводит якорь во вращение с частотой п. Чем больше ток якоря I и магнитный поток двигателя Ф, тем больше развиваемый двигателем вращающий момент М.

Как только якорь поставленного под напряжение двигателя начинает вращение, в его обмотке наводится э. д. с. Е, направленная встречно внешнему напряжению и и току I. Чтобы ток продолжал проходить по обмоткам двигателя в прежнем направлении, чтобы двигатель продолжил нормально работать и развивать требуемый вращающий момент М, надо приложить внешнее напряжение и большей величины, направленное встречно э. д. с. Е. Потребляемый двигателем ток устанавливается автоматически. В любой момент времени, в зависимости от частоты вращения имеет такую величину, чтобы обеспечить требуемый магнитный поток и требуемую э. д. с. Е.

Э. д. с, возникающая при вращении якоря, служит своеобразным защитным буфером приложенному напряжению сети, сохраняя жизнь двигателю. Дело в том, что в момент включения, пока якорь не стал вращаться, двигатель совершенно беззащитен. Его пусковой ток определяется законом Ома и достигает очень большой величины (около 2000 А). Чтобы обмотки двигателя не вышли из строя, ток надо ограничить, для чего в схему введены пусковые резисторы. Затем с появлением электродвижущей силы Е, величина которой будет возрастать с ростом частоты вращения, а ток I уменьшаться, резисторы необходимо выводить, иначе снизится вращающий момент М, и разогнать поезд будет невозможно.

Электрическая машина может работать как двигателем, так и генератором. I енератор — принципиально тот же двигатель, устроены они одинаково, поэтому говорят об обратимости электрически машин. Отличие их заключается во взаимном направлении э:д.с. Е, ток I, момента М, направления вращения п. У двигателя направления параметров М и п, естественно, совпадают, э.д.с. Е направлены навстречу току I и внешнему

напряжению U (раньше ее называли противо- э.д.с.). У генератора э.д.с. Е совпадает с направлением тока, а по величине превышает напряжение сети U. Вращающий момент М изменил свое направление, т.е. стал тормозным, направленным против вращения.

В режиме тяги напряжение контактной сети больше, чем э.д.с. двигателей (ток проходит из сети, через двигатели в рельсы). Потребляется электрическая энергия и отдается механическая (двигатель вращает колесную пару). Если по каким-то причинам э.д.с. станет больше напряжения сети, например, при рекупертивном торможении, ток I изменит направление и пойдет в сеть, совпадая по направлению с э.д.с. Е. Их совпадение означает, что машина стала генератором: она возвращает энергию в сеть, преобразуя кинетическую энергию движения (теперь колесная пара вращает якорь двигателя). У генератора при отдаче электрической энергии момент М стремится остановить якорь, причем, чем больше нагрузка (чем больше ток в проводниках якоря), тем больше создаваемый тормозной момент. Сравните тормозные положения IT, 2Т и ЗТ, когда ток I в якорных обмотках равен соответственно 100 А, 250 А и 350 А. Объяснять различие тормозного эффекта не требуется.

Важно понимать, что представляют собой такие параметры, как напряжение сети U и э.д.с. Е. Когда генератор отдает ток в сеть, часть общего напряжения теряется во внутреннем сопротивлении самого генератора. Оно равно произведению тока на внутреннее сопротивление — 1-г. Величина э.д.с. соответствует такому напряжению, которое давал бы генератор, если бы в нем самом не было потерь. Когда генератор нагружен, его напряжение U меньше развиваемой им э.д.с. Е на величину 1-г, теряемую в обмотках.

У двигателя все наоборот: его э.д.с. Е меньше напряжения сети U на величину падения напряжения в самом двигателе (аналогично генератору). Величина I г сравнительно мала, поэтому в режиме тяги э.д.с. двигателей мало отличается от напряжения сети.

Во время работы тягового двигателя под нагрузкой на его, вал воздействуют вращающий момент М и направленный противоположнб ему внешний момент сопротивления (который создают колесные пары, масса поезда, ветер, все виды трения и т.д.). В зависимости от значений этих моментов якорь может вращаться с постоянной частотой, ускоренно или замедленно. Значит, при равномерном вращении электромагнитный момент М уравновешивается моментом сопротивления.

Например, при увеличении внешнего момента сопротивления (поезд на подъеме) равновесие моментов нарушается, и частота вращения

якоря п уменьшается. Снижается э.д.с. Е и, следовательно, увеличиваются ток I и электромагнитный вращающий момент М. Процесс будет протекать до тех пор, пока моменты не сравняются, после чего якорь опять начнет вращаться с постоянной частотой, но уже меньшей, чем была до увеличения момента сопротивления.

Если сопротивление движению поезда уменьшится (уклон), увеличится частота вращения якоря, э.д.с. Е, уменьшится ток I и вращающий момент М. Это продолжится до тех пор, пока вновь не наступит равенство моментов.

С другой стороны, при увеличении момента сопротивления увеличивается механическая энергия, которую передает двигатель на колесную пару. Значит, должны возрасти потребление электрической энергии, из контактной сети, ток якоря и создаваемый им вращающий момент.

Из этих условий следует, что ток двигателя (ток в якорной обмотке) зависит от механической нагрузки на валу двигателя.

Обмотка якоря | Электропоезда постоянного тока | Реакция якоря