Расчет тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей и электровозов (стр. 2 из 9)
Кинематическая схема гидродинамической передачи мощности
1- гидромуфта
2,3-гидротрансформаторы
2. Физические основы преобразования энергии в электрических машинах
2.1. Тяговые электродвигатели постоянного тока
Основные соотношения величин, которые характеризуют физические явления, лежащие в основе работы электрических машин (электродвигателя и генератора), можно получить на основании законов Ампера и Фарадея [1].
Рассмотрим действие однородного магнитного поля, созданного полюсами С и Ю, на проводник с током I. Вокруг проводника возникает магнитное поле, направление которого определяется по правилу буравчика (рис.2.1,а). Справа от проводника, где направления линий магнитного поля проводника и полюсов совпадают, происходит сгущение линий и, следовательно, увеличение магнитной индукции поля. Слева от проводника, где магнитные линии поля проводника и внешнего поля направлены навстречу друг другу, происходит разрежение магнитного поля (уменьшение магнитной индукции). Вследствие упругости, магнитные линии стремятся сократиться по длине и выталкивают проводник с током из области сгущения линий в область разрежения (рис.2.1,б).
 |
Действие магнитного поля на проводник (а,б) и виток (в) с током
 |
а) б) в)
Рис.2.1.
Результирующая электромагнитная сила F, действующая на проводник, определяется законом Ампера: электромагнитная сила, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведению силы тока I, индукции магнитного поля B и длины проводника L
F=B.I.L. (2.1)
Из формулы (2.1) следует, что B=F/(I.L). Таким образом, магнитная индукция, количественно характеризующая интенсивность магнитного поля, равна максимальной силе, действующей в магнитном поле на участок единичной длины проводника, по которому течет ток силой 1 А.
В системе СИ единица измерения магнитной индукции В - тесла.
1 Тл = 1 Н /(1 м х 1 А) .
Направление действия электромагнитной силы F определяют по правилу левой руки: ладонь левой руки нужно расположить так, чтобы магнитные линии входили в нее, и четыре вытянутых пальца совместить с направлением тока; тогда расположенный под углом большой палец укажет направление действия силы F.
Если вместо проводника поместить в магнитное поле виток с током и применить к нему правило левой руки, получим, что электромагнитные силы F, действующие на нижнюю и верхнюю стороны витка, будут направлены в разные стороны (рис.2.1,в). В результате действия этих двух сил возникает электромагнитный вращающий момент М на плече D.cosα
М=F.D.cosα, Н.м, (2.2)
где D - расстояние между сторонами витка;
α - угол между направлениями линий магнитного поля и плоскости витка.
Наибольший вращающий момент будет иметь место, когда виток с током пересекает линии магнитного поля (α=0о,180о), а наименьший - когда через площадь, ограниченную витком, проходит наибольший магнитный поток (α=90о,270о).
Свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле лежит в основе создания электродвигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую.
При пересечении проводником магнитных силовых линий в нем возникает или индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Это явление носит название электромагнитной индукции.
ЭДС, действующая в проводнике, представляет собой разность потенциалов на его концах и, следовательно, измеряется в вольтах (В).
ЭДС индуцируется в проводнике независимо от того, включен ли он в замкнутую цепь или нет. При замыкании цепи проводника в нем потечет электрический ток, вызванный ЭДС.
Явление электромагнитной индукции лежит в основе создания генераторов - электрических машин для преобразования механической энергии в электрическую.
Значение ЭДС, индуцированной в проводнике, определяется законом электромагнитной индукции Фарадея: ЭДС, наведенная в проводнике, прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника L и скорости его перемещения в направлении, перпендикулярном силовым линиям.
Направление ЭДС индукции определяют по правилу правой руки: если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец совместить с направлением движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной ЭДС.
В проводниках витка, движущихся в магнитном поле с постоянной окружной скоростью V, наводится ЭДС, переменная как по величине, так и по направлению (рис.2.2):
е=B.V.L.cosα, В, (2.3)
где α - угол между направлениями линий магнитного поля и плоскости витка.
При α=0о,180о проводники I и II движутся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля; в этом положении витка разность потенциалов на его концах А и Б, то есть ЭДС, максимальна. При α=90о,270о проводники I и II перемещаются вдоль силовых линий поля, поэтому ЭДС в витке равна нулю.
В момент прохождения углов α=90о,270о изменяются направления движения проводников I и II относительно линий магнитного поля. Поэтому, в соответствии с правилом правой руки, изменяется направление ЭДС в витке и, следовательно, полярность его концов А и Б (см. рис.2.2).
 |
Рис.2.2. Электродвижущая сила в витке, вращающемся в магнитном поле
Таким образом, в витке с током, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электродвижущая сила. Одновременно на проводники витка действуют электромагнитные силы. Эти процессы являются основой функционирования электрических машин, то есть устройств для взаимного преобразования электрической и механической энергий.
Неразрывная связь электромагнитных явлений, вызванных взаимодействием магнитных полей полюсов и витка с током, обусловливает свойство обратимости электрических машин постоянного тока. Оно заключается в том, что любая машина может работать как генератором, так и двигателем и может переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот. Указанное свойство широко используется на локомотивах. Например, на тепловозах тяговый генератор работает в режиме двигателя (стартера) при запуске дизеля, а тяговый двигатель - в режиме генератора при электродинамическом торможении [2].
В связи с наличием у электрических машин постоянного тока свойства обратимости, принцип действия машины более подробно рассмотрим на примере электродвигателя.
Принцип действия и общее устройство электродвигателя постоянного тока
Электродвигатель - это электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую. Если двигатель получает питание напряжением постоянной полярности, то он называется двигателем постоянного тока.
Простейшая схема такого двигателя приведена на рис.2.3, где в двухполюсной магнитной системе расположена обмотка якоря (показаны два последовательно соединенных элементарных проводника, образующих виток, концы которого подключены к двум пластинам коллектора К1 и К2). Подвод напряжения к коллектору осуществляется щетками Щ1 и Щ2.
Рис.2.3. Схема простейшего электродвигателя постоянного тока
Непрерывное взаимодействие магнитного поля, создаваемого полюсами С и Ю, и магнитного поля якоря, возникающего при протекании по его обмотке тока Iд, обусловливает возникновение электромагнитных сил F1, F2 и вращающего момента на валу якоря. Одновременно в якорной обмотке индуцируется ЭДС, которая направлена, в соответствии с правилом правой руки, навстречу подводимому к двигателю напряжению (эту ЭДС иногда называют противо-ЭДС двигателя).
Таким образом, подводимое к электродвигателю напряжение стремится создать ток в обмотке якоря, чему препятствует индуцируемая ЭДС. Поэтому величина тока Iд в обмотке якоря работающего электродвигателя будет определяться не подводимым к ней напряжением Uд, а разностью между напряжением и наведенной в обмотке якоря ЭДС Ед:
Iд=(Uд-Eд)/Rд, А, (2.4)
где Rд - суммарное сопротивление якорной цепи, Ом.
Из рис.2.3 видно, что ток Iд в якорной обмотке направлен от коллекторной пластины К1 (щетка Щ1 «+») к коллекторной пластине К2 (щетка Щ2 «-»). При повороте витка на угол 180о пластина К1 переходит под щетку Щ2 «-», а пластина К2 - под щетку Щ1 «+». Это приводит к изменению направления тока в витке на противоположное - от пластины К2 к пластине К1. Одновременно в витке меняется направление ЭДС индукции (в соответствии с правилом правой руки). Такое переключение направления тока в витке якорной обмотки происходит при каждом переходе элементарного проводника из зоны действия северного полюса С в зону действия южного полюса Ю и наоборот. Процесс переключения, называемый коммутацией, осуществляется коллекторно-щеточным узлом.
Следовательно, коллектор электродвигателя преобразует постоянный ток внешней цепи в переменный ток якорной обмотки. Примечательно, что коллектор электрического генератора постоянного тока преобразует переменный ток якорной обмотки в постоянный ток внешней цепи, то есть служит механическим выпрямителем.