МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

10- 1. НАЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Электрические машины служат для двух целей. Во-пер- для преобразования механической энергии в электри­ческую. Это генераторы, устанавливаемые на электриче­ских станциях и приводимые в движение или тепловыми

/= II Зак,62. 321

Двигателями, или энергией падающей воды. Во-вторых, для приведения в движение станков, трамвайных вагонов и т. п. Это двигатели, устанавливаемые в местах потребле­ния энергии и приводимые в движение электрическим током.

Первый работающий двигатель постоянного тока быд изобретен и сконструирован русским академиком Б. С. Яко — би более 100 лет назад.

рис 10-1. при вращении постоянного магнита в проволочных витках будет наводится переменная э. д. с. от зажимов а, б можно получить переменный ток.

рис. 10-2. вращаемый электромагнит с подводом тока через кольца.

О том, как устроен генератор переменного тока, было вкратце рассказано в § 6-3. Почти так же устроен и гене­ратор постоянного то­ка, но он имеет устрой­ство, выпрямляющее переменный ток и пре­вращающее его в по­стоянный. Это устройство называется коллектором, и о нем будет рассказано несколько позже.

В генераторе происходит превращение механической энергии, т. е. энергии вращения, в электрическую энергию. Механический двигатель вращает ротор генератора. Прев­ращение энергии основано на иввестном нам законе элек­тромагнитной индукции. Вращение ротора происходит в магнитном поле, а на поверхности ротора уложена об­мотка, в витках которой индуктируется напряжение. В об­мотке ротора возникает э. д. с. Если замкнуть обмотку че­рез какое-нибудь сопротивление или накоротко, в ней по* явится ток.

Возможно и другое решение задачи. Можно уложить обмотку в неподвижной части машины (в статоре) и врЗ’ шагь магнит, хотя бы и постоянный. Создаваемое этиМ 322

J, jarHHT0M поле будет вращаться относительно статора, и поток, пронизывающий витки статорной обмотки, будет ме­няться. Ясно, что ‘В этом случае в обмотке будет индукти­роваться напряжение. Такой генератор показан на рис. 10-1. Вместо постоянного магнита можно вращать электромаг­нит, возбуждая магнитное поле постоянным током. То’к можно подводить через щетки, скользящие по кольцам, связанным C обмоткой электромагнита (рис. 10-2).

Условимся относительно некоторых названий. Обмотку электромагнита, создающего магнитное поле, будем назы­вать обмоткой возбуждения, а ту часть машин, на ко­торой она расположена,—индуктором. Обмотку, в ко­торой индуктируется напряжение, будем называть якорной обмоткой, а ту часть машины, где она расположена,— якорем.

В машинах постоянного тока якорь является ротором, а индуктор — статором.

Итак, основными элементами машины постоянного то­ка являются электромагниты, коллектор и якорь, к рас­смотрению их мы и переходим.

10- 2. МАГНИТНАЯ СИСТЕМА МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электромагнит должен создать магнитное поле, линии которого сцепляются с витками якорной обмотки. Магнит­ные линии, проходящие мимо обмотки, совершенно беспо­лезны, Величина магнитного потока должна быть по воз­можности большой, так как чем больше магнитный поток, тем больше величина напряжения, индуктируемого в якоре. По этим соображениям желательно направить путь магнит­ных линий по стали, так как намагниченная сталь создает внутри себя добавочный магнитный поток (§ 4-2). Поэтому и сердечник электромагнита и якорь должны быть сделаны из стали. Путь магнитных линий в генераторе постоянного тока показан на рис. 10-3, Здесь надо обратить внимание На направление токов в обмотках возбуждения. Применив ‘Правило штопора и к верхнему и к ни? кнему сердечни­кам, мы увидим, что создаваемые ими магнитные линии имеют в якоре одно и то же направление и, следовательно, магнитные потоки складываются. Верхний сердечник яв­ляется южным полюсом, нижний—северным. Такая магнит­ная система имеет одну пару полюсов.

На рис. 10-4 изображена более сложная магнитная си — ^ема. Здесь мы имеем два северных и два южных полюса. Направление токов в обмотках возбуждения выбирается *323

C таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноимрм, ными, т, е. чтобы рядом с северным находился южный по­люс, и т. д. Такая магнитная система имеет две пары по-

рис. 10-3. генератор постоянного тока. справа показаны соединения обмотки c задней стороны якоря.,s 9

рис. 10-4. статор четырех-полюсной машины посто-янного тока.ЛЮСОВ. Существуют машины и с большим числом полюсов, но их число будет непременно четным.

Часть пути магнитные линии должны все же проходить по воздуху. Якорь должен вращаться, а для этого необхо­дим воздушный зазор между ним и полюсами. Однако величину этого зазора делают настолько малой, насколько это позволяет неизбежное изнашивание под­шипников машин: нельзя допу­стить того, чтобы якорь при вра­щении ударялся в полюсы.

Величина магнитного потока зависит от размеров и материа­ла машины, числа витков и вели­чины протекающего по ним тока. В тех случаях, когда требуется изменить величину магнитного потока, в цепь обмотки возбуж­дения вводят добавочное coπpθ’ тивление.

10-3. КОЛЛЕКТОР

Прежде чем говорить об устройстве якорной обмотки, присмотримся к тому, что делается в каждом из ее витков в отдельности. Обратившись еще раз к рис. 6-2, мы увидим, UTO в тот момент, когда плоскость витка перпендикулярна к направлению магнитных линий, напряжение в нем будет равно нулю. Если к концам витка присоединена какая-ни­будь нагрузка, то ток в ней в этот момент также равен ну­лю. В сложных обмотках, составленных из многих витков, плоскости которых не совпадают друг с другом, напряже­ние будет проходить через нулевое значение не одновре­менно. Но как бы ни были расположены отдельные витки, нулевое значение напряжения будет наступать в одном и том же месте, а именно на нейтральной линии. Очевидно, что нейтральная линия располагается симметрично отно­сительно северного и южного полюсов. В частности, в че­тырехполюсной машине имеется не одна, а две нейтраль­ные линии.

Предположим теперь, что в тот момент, когда ток в вит­ке равен нулю, происходит пересоединение проводов, свя­зывающих генератор с потребителем, т. е. с нагрузкой. Разметим как-нибудь концы вращающегося витка, напри­мер обозначим один конец цифрой 1, другой цифрой 2; то же самое сделаем и с отходящими проводами, обозначив один из них цифрой 3, другой цифрой 4 (рис. 10-5). В те­чение одного полупериода ток в витке генераторной об­мотки направлен так, как это показано на верхней схеме. Пусть на протяжении этого полупериода конец 1 соединен C концом 3, а конец 2 с концом 4. Ток у потребителя на­правлен от конца 3 к концу 4.

После того как этот полупериод закончился, ток в гене­раторе изменит свое направление. Но в этот же момент вре­мени происходит пересоединение нагрузочных концов, и теперь конец 1 соединен с концом 4, а конец 2 с концом 3. Ясно, что ток потребителя попрежнему направлен от кон­ца 3 к концу 4.

Итак, направление тока у потребителя остается постоян­ным, но величина его будет меняться. В течение полуперио­да ток будет меняться по синусоиде, но по синусоиде вы­прямленной. График такого тока показан на рис. 10-6. Его следует сравнить с графиком переменного тока. Ток сле­дующего витка также будет выпрямленной синусоидой и, сложившись C током предыдущего витка, он сгладит коле — 11 Зак 621 325

Баиия величин тока При большом чИсле витков получается почти неизменный ток.

Устройство, служащее для подобного вы1прямления, но­сит название коллектора.

В простейшем случае коллектор представляет собой две полов, ины кольца, изолированные друг от друга. К этим полукольцам и присоединяются концы обмотки, в которой наводится переменное напряжение (рис. 10-7).

каждые полпериода генераторные концы, то ток у потребителя будет иметь постоянное направление. рис. 10-6 кривая тока в витке рис. 10-7.,рис. 10-7. устройство коллектора генератора постоянного тока.

К поверхности этих вращающихся полуколец прижаты неподвижно закрепленные угольные (или медные) щетки, соединяющие обмотку генератора с внешней цепью.

Если установить щетки на нейтральной линии, мы полу­чим устройство, автоматически осуществляющее переклю­чение, как раз соответствующее переключению, показан­ному на рис. 10-5.

На рис. 10-7 показано положение полуколец, при кото­ром щетка I только что перескочила на кольцо, соединенное C проводом 1, а щетка II только что перескочила на коль­цо, соединенное с проводом 2 Если ось магнитного потока направлена прямо за плоскость чертежа, момент перехода щеток соответствует моменту, когда изменяется направле­ние напряжения.

Если магнитный поток направлен от нас за плоскость чертежа и рамка вращается в направлении, показанном на чертеже стрелкой, зажимы, к которым присоединяются щетки, могут быть обозначены знаками ■+■ (плюс) и — (ми — 326
i’vc), как это сделано на рис 10-5 Эти знаки будут нэа — BhTbHO указывать направление напряжения, получаемого от генератора (обязательно проверьте это самостоятельно, применяя правило правой руки).

Генератор с одной парой коллекторных пластин (два полукольца) будет давать ток постоянный по направлению, но не по величине: за каждые полоборота ток возрастает от нуля до наибольшей величины и вновь спадает до нуля.

10-4. ЯКОРНЫЕ ОБМОТКИ

Чтобы объяснить, как именно следует соединять между собой отдельные витки якорной обмотки, рассмотрим уст­ройство кольцевого якоря. Кольцевой якорь представляет собой полый стальной цилиндр, на который навиты один за другим витки обмотки. Эти витки соединены между собой последовательно и образуют замкнутую цепь (рис. 10-8).

При вращении якоря магнитный поток, пронизывающий витки обмотки, будет меняться. Так, например, поток сквозь виток, находящийся под

Полюсом, будет равен нулю, а по­ток сквозь виток, находящийся на нейтральной линии, имеет наи­большее значение. В результате в каждом из витков будет возни­кать переменная э. д. с., изме­няющаяся приблизительно по за­кону синуса.

Однако суммарная э. д. с. об­мотки равна нулю, и при. отсут­ствии в ней внешней нагрузки ток в ней проходить не будет.

Чтобы убедиться в этом, доста­точно подсчитать сумму э. д. с. в Двух витках, расположенных Друг от друга на расстоянии по­луокружности. Рекомендуем чи­тателю убедиться в том, что в любой момент времени э. д. с.

Этих витков равны по величине и противоположны по знаку, и, следовательно, их сумма будет нулем.

Полезно также заметить, что Рис. 10-8 Устройство коль­цо всех витках, расположенных цевого якоря.

По одну сторону от нейтральной линии, э, д. с. будет иметь один и тот же знак.

Ясно, что соединение обмотки должно быть таким, чтобы э, д. с. складывались, а не вычитались, В кольцевом якоре это требование выполнено, но задача решена весьма неэко­номно. Поток распределяется поровну между правым и левым цилиндрами, и, чтобы охватить полностью все маг­нитные линии, нужно уложить два полных витка, длина ко­торых равна четырехкратной длине якоря.

В барабанных якорях та же самая э. д. с. может быть получена при значительно меньшей (приблизительно вдвое) затрате меди. Уложим провода лишь на внешней поверхно­сти якоря и обдумаем наиболее целесообразный способ их соединения. Свободные выводы, расположенные на одной стороне якоря, назовем началами, а расположенные на другой стороне — концами. Соединив между собой два ка­ких-нибудь начала, мы получим виток, пока еще разомк­нутый.

Оказывается, что нельзя соединять между собой сосед­ние провода. Если соединить начало одного провода с кон — ∏o∙M соседнего, то получится только что рассмотренный кольцевой якорь. Еще хуже соединить между собой начала двух соседних проводов. Такой виток не охватит даже половины магнитного потока, и в нем будет наводиться весьма малая э. д. с.

Правильное решение задачи — соединить между собой начала двух проводов, расстояние между которыми равно примерно половине окружности якоря Такой виток будет охватывать весь магнитный поток, и в нем будет наводить­ся э. д. C., вдвое большая, чем в витке кольцевого якоря. Не только сокращается расход меди, но и уменьшается сопротивление обмотки, а следовательно, и уменьшаются бесполезные потери.

Концы проводов остаются пока свободными. Их надо соединить и C коллектором, иначе машина будет давать пе­ременный, а не постоянный ток, и между собой, так как иначе цепь будет незамкнутой. Таким образом, число сто­рон обмотки будет вдвое больше числа пластин коллектора. При соединении свободных концов надо руководствоваться тем же правилом, что и при соединении начал; расстояние

■ Если в машине не одна, а две пары полюсов, то расстояние меж­ду соединяемыми проводами равно четверти окружности, при трех пз’ Рах Полюсов — одной шестой части и τ д.

Между соединительными концами должно быть приблизи­тельно равным половине о’кружности якоря. В самом деле, даши обозначения «конец» и «начало» совершенно произ­вольны, и то, что установлено для «начал», остается вер­ным и для «концов».

рис. 10-9. петлевая (слева) и волновая (справа) обмотки машин постоянного тока.

Однако, если число полюсов больше двух, то этому тре — !боваиию можно удовлетворить двумя различными спосо­бами. Возьмем какой-нибудь незамкнутый виток. Если одна из его сторон лежит под южным полюсом, то другая будет находиться под северным. Конец, находящийся под южным полюсом, должен быть соединен с концо. м другого витка и притом такого, который находится под северным полюсом.

нолле)<тор,рис. 10-10. якорь машины постоянного тока.

Но в многополюсной машине рядом с южным находится не один, а два северных полюса. К какому же именно вит­ку мы должны присоединить наш свободный конец?

Возможны оба решения. Если мы вернемся обратно, т. е. соединим два таких витка, у которых обе стороны ле — под одними и теми же полюсами, то получится

Петлевая обмотка. Если же мы пойдем не назад, а вперед, и соедини. м витки, стороны которых лежат под различны — Ми Полюсами, то получится волновая обмотка (рис. 10-9).

Обмотки укладываются в специальных пазах, выреза,, ных по поверхности якоря. Внешний вид якоря показан Ht

Рис. Lθ-10.

10-5. РАБОЧИЙ РЕЖИМ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Чем больше магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, чем больше скорость вращения якоря и чем больше проводов в обмотке якоря включено последователь­но, тем выше будет напряжение на зажимах генератора

Меняя ток возбуждения и скорость враш, ения машины, мы можем тем самым регулировать ее напряжение. Если машина не нагружена, т. е. если в обмотке якоря нет тока, мощность, затрачиваемая на ее вращение, определяется почти исключительно теми незначительными, но неизбеж — ны’ми потерями мощности, которые вызываются наличием трения. Но присоединим к щеткам машины какую-либо замкнутую цепь — в обмотке якоря потечет ток, этот гок будет взаимодействовать с магнитным полем полюсов, пре­пятствуя вращению якоря (убедитесь в этом самостоятель­но, пользуясь правилом левой руки и имея в виду, что ток в проводах, изображенных на рис. 10-10, будет протекать в направлении наводимого напряжения). Чем больше будет ток, тем большее усилие нужно прилагать для того, чтобы поддерживать вращение машины, иначе говоря, тем боль­шую механическую мощность нужно затрачивать.

Это понятно: чем больше ток, тем больше мощность, отдаваемая машиной во внешнюю цепь (при неизменном напряжении).

Разберемся в этих вопросах несколько подробнее. Пред­положим, что величина тока в обмотке возбуждения не меняется и, следовательно, не меняется величина магнит­ного потока. При этом условии величина э. д. с. якоря будет зависеть лишь от скорости его вращения. В непо­движном якоре она будет равна нулю, в медленно вращаю­щемся якоре она будет мала, с увеличением скорости вра­щения она будет возрастать. По закону электромагнитной индукции величина наводимой э. д. с. тем больше, чем боль­ше скорость изменения магнитного потока Если увеличить скорость вращения якоря вдвое, то вдвое возрастет вели­чина э. д. с. Иными словами, отношение э. д. с. якоря к его скорости вращения есть величина постоянная, т. е.

Э

■—=постояннл.

РД! J — э. д. C.’ якоря и л—число его оЬоротов в м’инуту.

Теперь предположим, что якорь вращаетея с какой-то постоянной скоростью, и будем менять величину тока воз-

$)/Кдения, а вместе с ним и величину магнитного потока. Этим меняется скорость изменения магнитного потока, рспомним, что за четверть оборота двухполюсной машины поток изменяется от нуля до своего наибольшего значения. Среднюю скорость изменения потока мы получим, разделив [аибольшую величину потока на время, соответствующее! етверти периода. Тут же напомним, что величина наводи­мой э. д. с. равна скорости изменения потока. В итоге полу- щется, что пр’и постоянстве скорости вращения э. д. с. яко — зя пропорциональна величине магнитного потока, т. Е.

=постояннои.

Что же произойдет, если мы будем одновременно менять и скорость вращения и величину магнитного потока, но так, чтобы их произведение оставалось неизменньвм? В этом случае э. д. с. якоря меняться не будет. В самом деле, ес­ли, не меняя потока, увеличить втрое скорость вращения, то э. д. с. увеличится также втрое. Если затем уменьшить втрое величину потока (обратите внимание, что произведе­ние Ф л в результате не изменилось), то величина э. д. с, уменьшившись втрое, примет свою первоначальную вели­чину. Это приводит нас к очень важному соотношению

Э

F— —-постоянной, φRt

Которое нам неоднократно встретится в дальнейшем.

Для оценки механической мощности, развиваемой элек­трической машиной, удобнее всего исходить из величины момента силы. Напомним, что моментом силы называется произведение силы на плечо. Плечом в данном случае яв­ляется радиус якоря; так как радиус якоря является по­стоянной величиной, то момент пропорционален той силе, C которой магнитное поле машины действует на протекаю­щие по якорю токи. Сила, действующая на один провод, нам известна (§ 3-5): она равна произведению I IB {токхдлина проводаХмагнитная индукция}. Сила, дей­ствующая на обмотку в целом, будет соответственно больше.

Нас интересует не величина момента, а то, как он будет Изменяться в зависимости от магнитного потока машины 331

И нагрузочного тока Увеличив или уменьшив магнитны^ поток, мы увеличим или уменьшим и притом во столько ¾g раз величину магнитной индукции. Соответственно изме­нится и величина развиваемого машиной момента. Обозна­чив его через М, мы можем записать:

M

-ф-у — = ПОСТОЯННОИ.

Отметим, что в нагруженной машине картина услож­няется, так как ток якоря создает свое собственное магнит­ное поле, которое складывается с магнитным полем тока возбуждения. На рис. 10-11 направление магнитного полч якоря показано двумя стрелками. Останавливаться на

Рис. 10-11. Добавочные полюсы в генераторе постоянного тока.

Подробностях этого явления мы не будем. Укажем лишь, что результатом этого искажения поля является смещение нейтральной линии. Неприятным следствием является то, что коллекторные пластины будут находиться под щетка­ми в тот момент, когда э. д. с. соответствующих витков ие будет равна нулю, а это затрудняет операцию выпрямления тока.

Для борьбы C этим явлением применяют один из двух следующих способов. Или смещают щетки, выбирая их ме­сто так, чтобы те переключения, о которых мы говорили в § 10-4, происходили при отсутствии э. д. с. в витках, кон­цы которых пересоединяются в данный момент времени. Или искусственно создают такое магнитное поле, которое уничтожало бы магнитное поле якоря. Это достигается установкой так называемых добавочных полюсов. Маг­нитная система машины с добавочными полюсами по­казана на рис. 10-11.

10-6. СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ МАШИН

Для того чтобы создать магнитное поле, или, как гово­рят, возбудить машину, нужно пропустить ток через обмот­ку возбуждения. Для этой цели можно использовать ка­кой-нибудь посторонний источник постоянного тока, но этот способ применяется редко. Большая часть машин работает с самовозбуждением, и ток в обмотку возбужде­ния поступает из самой машины*. В первом случае цепи обмоток возбуждения и якоря не соединены между собой, во втором — соединяются. Чаще всего встречается парал­лельное или последовательное соединение, а иногда и бо­лее сложное.

На первый взгляд здесь имеется противоречие. Ведь если машина не возбуждена, то в якоре не может возник­нуть ни э. д. C., ни ток. Спрашивается, каким же образом машина может вызвать появление тока в обмотке возбуж­дения?

Вспомним, что однажды! намагниченное железо сохра­няет магнитные свойства и после того, как исчез намагни­чивающий ток. Сердечники, на которых расположены об­мотки возбуждения, являются постоянными магнитами, хотя и очень слабыми. Начнем вращать якорь. В его об­мотке появится незначительная э. д. с., а так как якорь соединен с обмоткой возбуждения, то в последней возни­кает незначительный ток.

Но как бы слаб ни был ток возбуждения, он создаст вокруг себя магнитное поле. Если направление вращения вьибрано правильно, то это магнитное поле усилит поле, существовавшее ранее, э. д. с. якоря возрастет, а вместе C ней будет возрастать и ток возбуждения. Такими после­довательными ступенями мы доведем ток до его расчетно­го значения.

Однако, если направление вращения выбрано ошибоч­но, самовозбуждение наступить не может, так как э. д. с. якоря будет ослаблять то поле, которое существовало бла­годаря остаточному намагничиванию. В этом случае необ­ходимо переключить концы обмоток возбуждения.

Обмотку возбуждения можно присоединить последова­тельно C потребителем к щеткам машиньп (рис. 10-12)—- последовательное возбуждение (или сериесное). Можно включить обмотку возбуждения и параллельно с потреби­телем (рис. 10-13) —параллельное возбуждение (или шун — товое).

рис. 10-12. машина c последовательным
возбуждением.
■о",рис. 10-13. машина c параллельным
возбуждением.
>,рис. 10-14. машина со смешанным возбуждением.

Наконец, возможно устроить и смешанное возбужде­ние, поместив на полюсах две обмотки возбуждения и соединив их с якорем — одну параллельно, а другую по­следовательно (рис. 10-14).

Рассмотрим, как будет изменяться величина напряже­ния генератора в зависимости от нагрузки. Напомним, что напряжение генератора меньше его э. д. с. на величину падения напряжения внутри машины (§ 2-7). Падение на­пряжения определяется по закону Ома: оно равно произ­ведению тока в якоре и его внутреннего сопротивления;

U = 3-IR.

В генераторах с параллельным возбуждением под надо понимать сумму сопротивлений обмотки якоря, об­мотки добавочны. х полюсов и переходного контакта щеток; в генераторах с последовательным и со смешанным 334

Возбуждением в Г должно быть еще сопротивление после­довательной обмотки возбуждения.

)| Задача оказывается более сложной, чем это может no­il казаться с первого взгляда. Дело в том, что даже при J постоянстве скорости вращения генератора величина его э. д. ‘С. не будет оставаться постоянной, а будет зависеть от тока нагрузки. Так, например, из нашей формулы сле­дует, что в генераторах параллельного возбуждения по­явление тока в якоре вызовет уменьшение напряжения по сравнению с тем, что наблюдалось при холостом ходе машин. Но дело этим не ограничивается. Напряжение на концах обмотки возбуждения также равно величине U и, снизив ее, мы уменьшим величину тока возбуждения, а следовательно, и магнитного потока и э. д. с. якоря. Мы видим, что колебания напряжения не равны величине /•г, а больше ее. Поэтому всегда приходится предусматри­вать добавочное сопротивление в цепи обмотки возбужде­ния. Изменяя величину этого сопротивления, мы можем

Сохранять напряжение постоянным.

Иначе обстоит дело в генераторах последовательного

Возбуждения. При отсутствии нагрузки его э. д. с. почти равна нулю, так как машина не возбуждена. C увеличе­нием тока растут оба члена в правой части нашей форму­лы. Растет и их разность, т. е. напряжение, но лишь до известного предела. Отметим, что генераторы с последова­тельным возбуждением встречаются на практике крайне редко.

Генератор со смешанным возбуждением является одно­временно генератором и с параллельным и с последова­тельным возбуждением. Нагрузочный ток стремится и снизить напряжение и увеличить его. Можно добиться та­кого положения вещей, чтобы изменение нагрузки почти не влияло на величину напряжения генератора.

10-7. ОБРАТИМОСТЬ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. РАБОТА
ДВИГАТЕЛЯ

Всякая машина постоянного тока может работать и ге­нератором и двигателем. Присоединим машину с парал­лельным возбуждением к сети постоянного тока. Соединим щетку + C положительным полюсом сети, а щетку — с от­рицательным полюсом. В якоре нашей машины потечет ток, имеющий направление, прямо противоположное току, протекающему в якоре, когда машина работала генерато­ром. Направление тока в обмотке возбуждения сохранит 335

Прежнее направление. Применяя правило левой руки, или правило штопора, можно определить направление силы, действующей теперь на якорь.

Эта сила будет стремиться вращать якорь в ту же сто­рону, в которую он вращался при работе машины генера­тором. Об этом можно было бы догадаться и непосред­ственно: в самом деле, ток теперь течет в другом направ­лении, чем когда машина работала генератором, а при ра­боте генератором взаимодействие тока и магнитного поля препятствовало вращению якоря.

Итак, когда мы машину постоянного тока приключим к сети, в ней потечет ток, и она будет вращаться.

Но C какой скоростью она будет вращаться и чему бу­дет равен ток, протекающий через нее? Попробуем найти ответ и на эти вопросы.

Если бы якорь машины был неподвижен, например на­глухо заторможен, ток, протекающий через якорь, был бы чрезвычайно велик. Для того чтобы его подсчитать, мож­но воспользоваться законом Ома: приложенное к якорю напряжение нужно разделить на внутреннее сопротивле­ние цепи якоря. Так как это сопротивление невелико, то ток в ней будет очень небольшим. Напротив, в обмотке возбуждения шунтовой машины ток будет не больше нор­мальной величины: ее сопротивление неизменно, а на пол­ное напряжение сети она включается и при нормальной работе.

Освободим теперь якорь и дадим ему возможность вра­щаться. В обмотке вращающегося якоря немедленно начнет наводиться напряжение, при этом тем большее, чем больше будет скорость его вращения. Это напряжение бу­дет направлено навстречу приложенному извне напряже­нию. Оно будет стремиться посылать ток в обратном на­правлении (вспомните, что вращение происходит в том же направлении, что и вращение генератора).

Таким образом, в обмотке машины будет действовать разность напряжений: приложенного извне и наводимого в самой обмотке (противодействующая э. д. с.). Если эту разность разделить на электрическое сопротивление маши­ны, то получится ток, протекающий в машине.

Чем больше будет величина наведенного напряжения, чем больше будет скорость вращения двигателя с парал­лельным возбуждением, тем, очевидно, будет меньше раз­ность внешнего и наводимого напряжений, а следователь­но, тем меньше будет ток, текущий через обмотку якоря, 336

До меньшему току соответствует и меньшее вращаю­щее усилие.

Поэтому естественно, что чем с»табее механическая на­грузка двигателя (чем меньше ее тормозящее усилие), тем скорее будет вращаться якорь, тем меньший ток будет идти в машину из сети, тем меньшая мощность будет по­требляться двигателем.

Посмотрим теперь, как машину постоянного тока мож­но перевести из условий работы двигателем в условия ра — ботьи генератором.

Пусть наш двигатель присоединен к сети и не имеет никакой механической нагрузки, т. е. пусть двигатель ра­ботает вхолостую. Скорость вращения при этом будет та­кой, что наводимое напряжение будет очень мало отли­чаться от напряжения сети. В обмотке якоря будет проте­кать очень малый ток, нужный только для того, чтобы создать усилие, преодолевающее трение в самой машине. Будем раскручивать нашу машину, заставим ее делать еще большее число оборотов в минуту. Что при этом произой­дет? Напряжение, наводимое в якоре, может оказаться уже больше напряжения сети, тогда ток изменит направ­ление. Ток будет протекать по направлению, определяемо­му напряжением, наводимым в якоре. Теперь снова его взаимодействие с магнитным полем будет тормозить, бу­дет препятствовать вращению якоря.

Для вращения якоря теперь нужно затрачивать меха­ническую мощность; ток течет в направлении, определяе­мом напряжением, наводимым в якоре, и, следовательно, наша машина начала работать генератором.

10-8. ОСОБЕННОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ C ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ
И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Основным различием между режимами генератора и двигателя является то, что в первом случае напряжение представляет собой часть э. д. с. якоря, а во втором слу­чае имеет место обратная картина. Напряжение двигателя равно напряжению той сети, к которой он присоединен. Часть этого напряжения уравновешивается падением на­пряжения в цепи якоря (в двигателях с последовательным возбуждением в цепях якоря и возбуждения). Другая часть уравновешивается той э. д. с., которая возникает в обмот­ке якоря в результате его вращения. Поэтому для двига­телей должно выполняться соотношение

U = 3 + IR.

337

В Сущности это та же самая формула, которую мы по­лучили, рассматривая работу машины генератором (стр. 334). Но так как при переходе от генераторного ре­жима к режиму двигателя ток в якоре изменил свое на — .правление, то в формуле пришлось изменить знак перед величиной тока.

Если присоединить к сети неподвижный двигатель, то в первый момент э. д. с. будет отсутствовать, и напряже­ние сети будет уравновешиваться лишь падением напря­жения в цепи якоря. Появится так называемые пусковой ток, величина которого находится по закону Ома

I

(пуск) f

И намного превосходит нормальный рабочий ток двига­теля. Поэтому двигатели постоянного тока приходится снабжать пусковыми реостатами, назначение которых сни­зить пусковой ток до безопасной величины. Схема включе­ния пускового реостата в цепь двигателя с параллельным возбуждением показана на рис. 10-15. Ручка реостата со­единяет точки Л (линия) и Я (якорь) сначала через боль­шое сопротивление, а потом по мере появления э. д. с. в якорной обмотке через меньшее. Нормально двигатель работает при положении ручки в точке Я- Одновременно ручка скользит по пластине М, соединенной с цепью воз­буждения. Благодаря этому обмотка возбуждения сразу оказывается под полным напряжением сети (с этой целью ручку реостата возбуждения надо перевести в крайнее ле­вое положение), и момент, развиваемый двигателем, ока­зывается наибольшим.

Подобным образом происходит пуск двигателя с после­довательным возбуждением, но устройство пускового рео­стата несколько проще, так как нет надобности в пласти­не М. (рис. 10-16).

Отметим теперь некоторые особенности работы рассмотренных двигателей.

Магнитный поток в двигателе с параллельным возбуж­дением остается приблизительно постоянным, поэтому C уменьшением нагрузки скорость вращения двигателя бу­дет возрастать не очень резко. Действительно, при холо­стом ходе напряжение, индуктируемое в якоре, должно достичь величины, приблизительно равной напряжению сети. Но это напряжение для данной машины пропорцио­нально произведению магнитного потока Ф на скорость 338

Вращения двигателя П, а так как поток почти не меняется C нагрузкой, т. е. остается достаточно большим, то доста­точно ненамного увеличить скорость вращения, чтобы уже достичь требуемой величины э. д. с.

В двигателе с параллельным возбуждением поток эстается приблизительно постоянным независимо от величины нагрузки (потому что обмотка напряжения включена прямо на напряжение сети, остающееся прибли­зительно неизменным). Поэтому можно считать, что ток десь будет прямо пропорционален тормо­зящему моменту.

рис. 10-15. рис. 10-16.

Двигатели с параллельным возбуждением представ — [яют собой машину, очень удобную в отношении возмож — 1ОСТИ Регулировать скорость их вращения. Дей — твительно, пусть, например, наша машина работает с не — !зменной мощностью, а это значит, что величина тока, :одводимого к якорю, также должна оставаться приблизи — ельно постоянной. Но для того чтобы иметь неизменный ок, нужно, чтобы оставалась неизменной и величина на — !ряжения, наводимого в якоре.

Уменьшим теперь ток возбуждения, вводя, например, Юполнительное сопротивление между зажимами сети и )бмоткой возбуждения.

Вследствие уменьшения тока возбуждения умег. ьшит — ■я и магнитный поток, а это значит, что должна увели — 339

Читься скорость вращения машины: э. д. с. якоря не изме­нилась и, следовательно, не может измениться произведе­ние Ф • П.

Рассуждая совершенно таким же способом, мы найдем, что для уменьшения скорости вращения ма­шины при одной и той же мощности нужно увели­чить магнитный поток, иначе говоря, нужно увеличить ток возбуждения.

Если слишком сильно уменьшить ток возбуждения или вовсе разорвать цепь возбуждения, двигатель с параллель­ным возбуждением начнет вращаться с недопустимо боль­шой скоростью, он, как говорят, идет на разнос. Эти дви­гатели «боятся» обрыва цепи возбуждения.

Для двигателей с последовательным возбуждением остаются справедливыми все приведенные в § 10-6 форму­лы. Но применяя их к двигателю с последовательным возбуждением, мы увидим, что он имеет совершенно дру­гие характеристики.

Пусть, например, мы будем уменьшать тормозящее усилие приложенной к двигателю нагрузки. Должен, ра­зумеется, уменьшиться ток, следовательно, должно увели­читься и напряжение, наводимое в якоре машиньв.

Но вместе с уменьшением тока в двигателе будет уменьшаться и магнитный поток. Ведь в этом случае (рис. 10-12) ток якоря является и током возбуждения.

Это в свою очередь затрудняет наведение необходимого напряжения. Скорость вращения двигателя с последова­тельным возбуждением с уменьшением механической на­грузки будет значительно сильнее возрастать, чем в дви­гателе C параллельным возбуждением; произведение Ф-п Должно возрасти, в то же время множитель Ф При этом будет уменьшаться, значит, второй множитель П должен возрастать более резко.

Подобно тому как двигатель с параллельным возбуж­дением идет на разнос при обрыве цепи возбуждения, дви­гатель C последовательным возбуждением идет на разнос, если он оставлен без нагрузки (и если последовательно C ним не включено дополнительное сопротивление, доста­точно большое, чтобы ограничить нарастающий ток).

Напротив, при увеличении нагрузки двигатель с после­довательным возбуждением будет более резко снижать скорость вращения, так как вместе с ростом тока в нем растет и величина магнитного потока. Но зато двигатель будет значительно увеличивать вращающее усилие. Дей — 340

Ствительно, момент двигателя пропорционален произведе­нию тока и магнитного тока, а в двигателе с последова­тельным возбуждением вместе с током (при увеличении нагрузки) будет расти и поток.

Сказанное здесь о двигателе с последовательным воз­буждением делает понятным, почему эти двигатели ока­зываются очень удобными для электрической тяги: там они никогда не могут-остаться без нагрузки, это — первое, а второе и главное — это то, что для целей транспорта очень важно, чтобы при трогании с места и при малой скорости вращения двигатель развивал достаточно боль­шое вращающее усилие.

ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *