На большинстве серий тепловозов с электрической передачей и электровозах применяют последовательное включение обмотки возбуждения с обмоткой якоря.
Почему же система последовательного возбуждения оказалась предпочтительнее для локомотивной тяги?
Основными характетиками двигателей постоянного тока являются так называемые электромеханические характетики, которые позволяют оценивать характер изменения вращающего момента Мтэд на якоре ТЭД, частоты его вращения n и кпд η в зависимости от тока I нагрузки (двигателя), т.е. Мтэд = f(I), n = f(I), η = f(I). На . 58 приведены электромеханические характетики тепловозного ТЭД.
При трогании с места и разгоне локомотива его тяговые электродвигатели должны создавать наибольший вращающий момент Мтэд и силу тяги Fк, соответственно. Э.д.с. Е на этом режиме работы ТЭД имеет минимальное значение, так как зависит от частоты вращения якоря, а сила тока I в обмотках якоря ТЭД, наоборот, окажется близкой к наибольшему значению. В ТЭД с последовательным возбуждением ток возбуждения iв равен току обмоток якоря I, следовательно, величина магнитного потока Ф при разгоне двигателя достигает также наибольшего значения.
Учитывая то обстоятельство, что величина магнитного потока Ф, в основном, зависит от силы тока возбуждения iв, то можно сделать вывод, что для ТЭД с последовательным возбуждением величина вращающего момента Мтэд, которая пропорциональна квадрату силы тока якоря I2 (Мтэд ≡ I2), будет наибольшей по сравнению с другими системами возбуждения, как и значение силы тяги Fк на колесных парах локомотива, так как Fк = Мтэд/Rк, где Rк — радиус колеса. Соответственно, тепловоз с ТЭД с последовательным возбуждением будет иметь наилучшие разгонные качества и тяговые свойства.
Можно отметить, что ТЭД с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Поэтому ТЭД с такой системой возбуждения применяют в тяжелых условиях пуска и разгона, что, собственно, и характеризует условия трогания с места и разгона тепловозов с составом.
Можно также отметить, что ТЭД с последовательным возбуждением более ппособлены к перегрузкам по сравнению с ТЭД с другими системами возбуждения, что очень важно при их работе в качестве приводов колесных пар тепловозов с электрической передачей и электровозов, а также грузоподъемных механизмов (лифты, краны и др.)
К достоинствам ТЭД с последовательным возбуждением также нужно отнести и то обстоятельство, что они обеспечивают более равномерное распределение нагрузок на каждый двигатель в случаях неравномерного износа бандажей колесных пар локомотивов и появления заметной разницы в диаметрах круга их катания. При заметной разнице диаметров колес и расхождении электромеханических характетик ТЭД одной тележки или тепловоза возникает неравенство сил тяги, создаваемых различными колесными парами при взаимодействии с рельсами. Эти обстоятельства повышают вероятность возникновения боксования тех колесных пар локомотива, на которых реализуются большие значения силы тяги. Разница в диаметрах колес также негативно сказывается на реализации тормозной силы, создаваемой тормозными средствами самого локомотива.
Недостатком двигателей с последовательным возбуждением является то, что при малых внешних нагрузках (например, при движении локомотива в режиме тяги на спуске) величина магнитного потока Ф заметно уменьшается, а частота вращения, наоборот, гипотетически может сильно вырасти, т.е. двигатель может пойти вразнос. Для исключения этого явления колесные пары тепловоза жестко соединены с якорем ТЭД постоянного тока через тяговый редуктор.
Необходимо отметить, что на некоторых сериях современных тепловозов и электровозов стали применять независимую систему возбуждения ТЭД, когда обмотка возбуждения статора питается от постороннего источника постоянного тока. Двигатели с независимым возбуждением имеют жесткую электротяговую характетику, т.е. зависимость V = f(I) представляет собой почти горизонтальную линию. Это означает, что скорость движения локомотива с поездом может быть практически постоянной на любом по трудности элементе профиля.