1. Необходимо всегда подбирать двигатель такой мощ­ности, какую фактически требует приводимая им в дей­ствие машина.

2. Если нагрузка двигателя не достигает 40 % нормаль­ной, а обмотки статора включены треугольником, то целе­сообразно переключить их на звезду. При этом напряжение на обмотках уменьшается в КЗ раз, а намагничивающий

ток — почти в три раза. В тех случаях, когда такое пере­ключение приходится производить часто, двигатель вклю­чают в сеть при помощи перекидного рубильника по схеме, изображенной на рис. 357. В одном положении рубильника обмотки включены треугольником, в' другом — звездой.

Рис. 358. Схема включе­ния для изменения на­правления вращения трех- фазного двигателя

Рис. 357. Схема переключения об­моток двигателя с треугольника (положение рубильника I, 1, I) на звезду (положение рубильника II,

2. П)

Для того чтобы изменить направление вращения вала двигателя на обратное, необходимо поменять местами два линейных провода, присоединенных к двигателю. Это легко осуществить при помощи двухполюсного переключа­теля, как показано на рис. 358. Переводя переключатель из положения I—I в положение II—II, мы меняем направ­ление вращения магнитного поля и вместе с тем направ­ление вращения вала двигателя.

Мы видели, что при наличии в статоре двигателя трех катушек, смещенных друг относительно друга на 120°, магнитное поле вращается с частотой тока, т. е. совершает один оборот за 1/50 часть секунды, или 3000 оборотов в ми­нуту. Почти с такой же частотой будет вращаться и вал двигателя. Во многих случаях такая частота вращения является чрезмерно большой. Чтобы уменьшить ее, в ста­торе двигателя размещают не три катушки, а шесть или двенадцать и соединяют их так, чтобы северные и южные полюсы по окружности статора чередовались. При этом поле поворачивается за каждый период тока только на поло­

вину или четверть оборота, т. е. вал машины вращается с частотой около 1500 или 7Е0 оборотов в минуту.

. Наконец, еще одно практически важное замечание. При повреждении (пробое) изоляции станины и кожухи элект­рических машин и трансформаторов оказываются под на­пряжением относительно Земли. Прикосновение к этим частям машин может при таких условия^ быть опасным для людей. Для предупреждения этой опасности следует при напряжениях свыше 150 В относительно Земли заземлять станины и кожухи электрических машин и трансформато­ров, т. е. надежно соединять их металлическими провода­ми или стержнями с Землей. Это выполняется по специаль­ным правилам, которые необходимо строго соблюдать во избежание несчастных случаев.

§ 172. Электродвигатели постоянного тока. Вращая гене­ратор постоянного тока какой-нибудь внешней силой, мы затрачиваем определенную механическую мощность Р_мех, а в сети получаем соответствующую электрическую мощ­ность Р_вл. Проделаем теперь с генератором постоянного

Рис. 359. Возникновение вращающего момента, дей­ствующего на обмотку с током, ^находящуюся в магнитном поле

тока обратный опыт. Подключим к зажимам генератора ка­кой-нибудь внешний источник тока, например аккумуля­торную батарею, и пропустим ток от этого источника через индуктор и якорь генератора, соединенные последователь­но или параллельно, как на рис. 339 и 340. Мы увидим, что тотчас же якорь генератора придет во вращение. Соединив вал якоря со станком, мы можем привести в движение и станок. Генератор будет теперь работать как электрический двигатель. Теперь превращение энергии происходит в обрат­ном направлении: мы затрачиваем определенную электри-

ческую мощность Р_9Я, которую мы заимствуем от внешнего источника тока, и превращаем ее в соответствующую меха­ническую мощность Р_мех.

Происхождение сил, создающих действующий на якорь электродвигателя вращающий момент, понять нетрудно. Когда мы пропускаем ток через витки якоря, находящиеся в магнитном поле индуктора, то на них действуют силы, перпендикулярные к направлению тока и направлению индукции магнитного поля; направление этих сил может быть определено по правилу левой руки (§ 133).

На рис. 359 показаны силы, действующие на отдельные проводники обмотки (секции) якоря в момент, когда пло­скость этой обмотки расположена под некоторым углом к направлению магнитного поля. Легко видеть, что силы, действующие на проводники be, ag и de, лежащие в пло­скости, перпендикулярной к оси вращения, всегда направ­лены параллельно этой оси. Поэтому они не создают вращаю­щего момента якоря, а стремятся лишь деформировать (сжать или растянуть) его обмотку. Силы же, действующие на проводники ab и cd, параллельные оси вращения, пер­пендикулярны к этой оси и создают вращающий момент, который и приводит во вращение вал якоря и связанные с ним валы станков, оси трамваев и т. п.

Действующий на якорь механический вращающий мо­мент имеет наибольшее значение тогда, когда соответствую­щая обмотка лежит в плоскости, параллельной направлению магнитного поля. По мере поворота обмотки этот вращаю­щий момент уменьшается и обращается в нуль, когда обмотка становится перпендикулярно к направлению поля. В этом положении силы, действующие на проводники ab и cd, лежат в одной плоскости (плоскости обмотки), так что они не создают вращающего момента, а стремятся только дефор­мировать обмотку. При дальнейшем повороте обмотки знак вращающего момента меняется, т. е. он начинает действовать в противоположную сторону. Поэтому, если бы не было коллектора, то направление вращающего момен­та менялось бы после каждого полуоборота якоря, и дли­тельное вращение было бы невозможно. Но, как мы видели, коллектор коммутирует (изменяет) направление тока в обмотках как раз в те моменты, когда обмотка стоит пер­пендикулярно к линиям поля. Благодаря этому вращаю­щий момент сохраняет свое направление и якорь вращается постоянно в одну сторону.

Таким образом, когда машина работает как генератор постоянного тока, то роль коллектора заключается в вы­прямлении переменного тока, индуцируемого в ее обмотках, а когда машина работает как двигатель, то коллектор та­ким же образом «выпрямляет» вращающий момент, т. е. заставляет машину длительно вращаться в одну сторону.

Направление вращения коллекторного двигателя за­висит от соотношения между направлением магнитного поля индуктора и направлением тока в якоре. Различные возможные здесь случаи изображены на рис. 360, из кото­рого видно, что, для того чтобы изменить направление

Рис. 360. Направление вращения двигателя. постоянного тока в за­висимости от направления магнитного поля и направления тока: круж­ки с крестиком — ток направлен от нас, кружки с точкой — ток на­правлен к нам

вращения двигателя, нужно изменить направление тока либо в якоре машины, либо в ее индукторе. Если же мы одновременно изменим направление обоих токов, например присоединим тот зажим машины, который раньше был сое­динен с положительным зажимом сети, к отрицательному и наоборот, то машина будет продолжать вращаться в преж­нюю сторону.

Из этого ясно, что снабженный коллектором электродви­гатель постоянного тока может работать и от сети перемен­ного тока, потому что при каждом изменении направления тока будет одновременно изменяться и направление тока и в индукторе и в якоре. Однако такие коллекторные двига­тели переменного тока применяются сравнительно редко, преимущественно в виде двигателей малой мощности. В тех­нике чаще всего применяются описанные в § 171 трехфаз­ные электродвигатели с вращающимся полем.

м 172.1. Проверьте правильность рис. 360 при помощи правила

• левой руки.

Силы, действующие в магнитном поле на проводники якоря, по которым идет ток, существуют и тогда, когда

этот ток возникает в результате индукции, т. е. машина работает как генератор, и тогда, когда этот ток посылается внешним источником, т. е. машина работает как Двигатель.

Когда машина работает как генератор, эти силы по пра­вилу Ленца направлены так, чтобы создаваемый ими вра­щающий момент тормозил процесс, вызывающий появле­ние индуцированной э. д. с., т. е. был противоположен тому моменту, который приводит генератор во вращение. Таким образом, в этом случае приводящие генератор во вращение внешние силы должны преодолеть, уравновесить те силы, которые действуют на якорь в магнитном поле. Понятно, что эти силы тем больше, чем больше ток в якоре, т. е. чем больше электрическая мощность, потребляемая в сети, которую питает генератор. Поэтому по мере возра­стания электрической нагрузки генератора, т. е. отдавае­мой им электрической мощности Р_эл, возрастает и механи­ческая мощность Р_мек, которую нужно затратить, чтобы поддержать его вращение с прежней частотой. В этом легко убедиться, если попробовать вращать ротор генератора от руки. При работе генератора вхолостую (без нагрузки) или при очень малой нагрузке нам приходится делать лишь очень небольшое усилие, чтобы вращать его. Но если мы подключим к генератору лампочку накаливания мощ­ностью, скажем, 100 Вт и попробуем вращать ротор гене­ратора так, чтобы эта лампочка горела нормальным нака­лом, то убедимся, что это очень трудно. Приходится затра­чивать большое усилие, чтобы преодолевать силы, дейст­вующие в магнитном поле индуктора на активные провод­ники якоря, через которые теперь проходит ток около 1 А. Таким образом, по мере возрастания нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Р_эл, возра­стает и поглощаемая им механическая мощность Р_мех, необходимая для поддержания прежней частоты вращения ротора , и прежнего напряжения в сети.

Точно так же, когда машина работает в качестве двига­теля, при возрастании ее механической нагрузки, т. е. при увеличении отдаваемой ею механической мощности Р_мех, должна соответственно возрастать и поглощаемая ею из сети электрическая мощность Р_вя, т. е. должен увеличи­ваться ток через якорь. В правильности этого легко убе­диться, включив в цепь якоря амперметр. Когда двигатель работает вхолостую или совершает очень небольшую рабо­ту, ток в цепи якоря очень мал. Увеличим теперь нагрузку _ якоря, например тормозя его вал или присоединив к двига­телю Какой-нибудь станок. Мы заметим, что при этом ток через якорь, измеряемый амперметром, автоматически усилится до необходимого значения, при-котором отбирае­мая от сети электрическая мощность равна затрачиваемой двигателем полезной механической мощности плюс неиз­бежные потери на нагревание проводников током (джоулево тепло), на перемагничивание железа в якоре и на трение в движущихся частях соединенного с ней станка.

Это автоматическое согласование электрической мощности с меха­нической неизбежно следует из закона сохранения энергии. Но как оно происходит? Благодаря какому процессу увеличивается идущий через якорь электрический ток при увеличении механической нагрузки дви­гателя? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно иметь в виду, что неза­висимо от того, работает ли машина как генератор или как двигатель, в ветках ее якоря, вращающихся в магнитном поле индуктора, возникает индуцированная э. д. с. Sit' направленная, согласно правилу Ленца, противоположно напряжению внешней сети t/_EHem. ^к которой машина присоединена..Таким образом, в цепи якоря фактически действует на­пряжение, равное разности t/_Bнеш — <oi> и по закону Ома ток в якоре

= (172.1)

К ЯК

где Я_ш — активное сопротивление якоря.

Если t/внеш>(^i. ^т0 энергия отбирается от сети, т. е. машина ра­ботает как двигатель, если же £/_внеш<«? <’> ^т0 машина отдает энергию в сеть, т. е. работает как генератор. Индуцированная э. д. с. Si ^тем больше, чем больше частота вращения якоря. Пока нагрузка двигателя мала, ротор его вращается быстро, индуцированная э. д. с. Si велика и почти равна(/_внсш и ток в якоре очень слаб. При увеличении механиче­ской нагрузки двигателя частота вращения ротора убывает, индуциро­ванная э. д. с. Si уменьшается и ток /_як в якоре возрастает.

§ 173. Основные рабочие характеристики и особенности двигателей постоянного тока'с параллельным и последо­вательным возбуждением. Как и в случае генератора, об­мотки индуктора и якоря двигателя могут быть соединены либо последовательно (рис. 339), либо параллельно (рис. 340). В первом случае двигатель называют двигателем с последо­вательным возбуждением (или .сериесным двигателем), во втором — двигателем с параллельным возбуждением (или шунтовым двигателем). Применяются также двигатели со смешанным возбуждением (компаунд-двигатели), в которых часть обмоток индуктора соединена с якорем последова­тельно, а часть параллельно. Каждый из этих типов двига­телей имеет свои особенности, делающие его применение целесообразным в одних случаях и нецелесообразным в других.

1. Двигатели с параллельным возбуждением. Схема вклю­чения в сеть двигателей этого типа показана на рис. 361.

Так как здесь цепи якоря и индуктора не зависят друг от друга, то ток в них можно регулировать независимо при помощи отдельных реостатов, включенных в эти цепи. Реостат /?_пуск, включенный в цепь якоря, называют пуско­вым, а реостат /?_рег, включенный в цепь индуктора,— регу­лировочным. При пуске в ход двигателя с параллельным возбуждением пусковой реостат должен быть обязательно

Сеть

\

Рис. 361. Схема включения двигателя с параллельным возбуждением. Латун­ная дуга 1, по которой движется рычаг пускового реостата, через за­жим 2 присоединена к концу регулиро­вочного реостата, а через зажим 3 — к пусковому реостату. Это делается для того, чтобы при переводе пуско­вого реостата на холостой контакт

4. и выключении тока цепь возбуж­

дения не разрывалась

полностью включен; по мере того как двигатель набирает частоту вращения, сопротивление реостата R_nyCK посте­пенно уменьшают и при достижении нормальной частоты вращения этот реостат выводится из цепи полностью. Дви­гатели с параллельным возбуждением, особенно значитель­ной мощности, ни в коем случае нельзя включать без пуско­вого реостата. Точно так же при выключении двигателя следует сначала постепенно ввести реостат и лишь после этого выключить рубильник, соединяющий двигатель ,с сетью.

Нетрудно понять соображения, которыми вызваны эти правила включения и выключения двигателей. Мы видели (см. формулу (172.1)), что ток в якоре

где С/„неш—напряжение сети, a <§i—э. д. с., индуцированная в обмот­ках якоря. В первый момент, когда двигатель еще не успел раскрутить­ся и набрать достаточную частоту вращения, э. д. с. Si очень мала и ток через якорь приближенно равен

U

Сопротивление якоря обычно очень мало. Оно рассчитывается так* чтобы падение напряжения на якоре £/_як=/_як/?_як не превышало 5—

10. % от напряжения сети, на которое рассчитан двигатель. Поэтому при отсутствии пускового реостата ток в первые секунды мог бы в 10—20 раз превысить нормальный ток, на который рассчитан двигатель при полной нагрузке, а это для него очень опасно. При введенном же пусковом рео- ' стате с сопротивлением R„_уск пусковой ток через якорь

^/пуск = р ^U *«'*-. 073.1)

'<якт^_'\пусв

Сопротивление пускового реостата подбирают так, чтобы пусковой ток превышал нормальный не больше чем в 1,5—2 раза.

Поясним сказанное числовым примером. Положим, что мы имеем двигатель мощности 1,2 кВт, рассчитанный на напряжение 120 В и имеющий сопротивление якоря /?_як=1,2 Ом. Ток через якорь при пол­ной нагрузке

j 1200 Вт—jq д

'норм--120В^ •

Если бы мы включили этот двигатель в сеть без пускового реостата, то в первые секунды пусковой ток через якорь имел бы значение

. 120 В _{)ПП я}

^/п»«-1X65“^{100 А>}

в 10 раз превышающее нормальный рабочий ток в якоре. Если же мы хотим, чтобы пусковой ток превышал нормальный не больше, чем в 2 раза, т. е. был равен 20 А, то мы должны подобрать пусковое сопротивление таким, чтобы имело место равенство

^{120 В} 20 А,-

l,20M-j-i?nyCK

откуда /?_Пуск.=4,8 Ом,

Ясно также, что для шунтового двигателя очень опасна внезапная его остановка без выключения, например вследст­вие резкого возрастания нагрузки, так как при этом э. д. с. St падает до нуля и ток в якоре возрастает настолько, что избыток выделяемого в нем джоулева тепла может привести к расплавлению изоляции или даже самих проводов обмот­ки (двигатель «перегорает»),

■ Регулировочный реостат R_ver, включенный в цепь ин­дуктора, служит для того, чтобы изменять частоту вращения двигателя. Увеличивая или уменьшая сопротивление цепи индуктора с помощью этого реостата, мы изменяем ток в цепи индуктора, а тем самым и магнитное поле, в котором вращается якорь. Мы видели выше, что при заданной на­грузке двигателя ток в нем автоматически устанавлива­ется такой, чтобы возникающий вращающий момент урав­

новешивал тормозящий вращающий момент, создаваемый нагрузкой двигателя. Это осуществляется благодаря тому, что индуцированная э. д. с. достигает соответствующего значения. Но индуцированная э. д. с. определяется, с одной стороны, магнитной индукцией, а с другой,— часто­той вращения якоря.

Чем больше магнитный поток индуктора, тем меньше должна быть частота вращения двигателя, чтобы получить определенное значение э. д. с., и, наоборот, чем слабее магнитный поток, тем больше должна быть частота враще­ния. Поэтому, для того чтобы при заданной нагрузке уве­личить частоту вращения шунтового двигателя, нужно ослабить магнитный поток в индукторе, т. е. ввести боль­шее сопротивление в цепь индуктора при помощи регулиро­вочного реостата. Напротив, чтобы уменьшить частоту вращения шунтового двигателя, нужно увеличить магнит­ный поток в индукторе, т. е. уменьшить сопротивление в цепи индуктора, выводя регулировочный реостат.

С помощью регулировочного реостата можно при нор­мальном напряжении и отсутствии нагрузки установить нормальную частоту вращения двигателя. При возрастании нагрузки ток в якоре должен возрастать, а индуцированная в нем э. д. с.— уменьшаться. Это происходит вследствие некоторого уменьшения частоты вращения якоря. Однако уменьшение частоты вращения, обусловленное возраста­нием нагрузки от нуля до нормальной мощности двигателя, обычно очень незначительно и не превышает 5—10 % от нормальной частоты вращения двигателя. Это обусловлено главным образом тем, что в двигателях с параллельным воз­буждением ток в индукторе не изменяется при изменении тока в якоре. Если бы при изменениях нагрузки мы хотели поддерживать прежнюю частоту вращения, то это можно было бы осуществить, несколько изменяя с помощью регу­лировочного реостаха ток в цепи индуктора.

Таким образом, с эксплуатационной точки зрения дви­гатели постоянного тока с параллельным возбуждением (шунтовые двигатели) характеризуются следующими двумя свойствами: а) частота их вращения при изменении нагруз­ки остается почти постоянной; б) частоту их вращения можно в широких пределах изменять с помощью регулиро­вочного реостата. Поэтому такие двигатели довольно ши­роко применяются в промышленности там, где обе указан­ные их особенности имеют значение, например для приведе­ния в действие токарных и других станков, частота враще­ния которых не должна сильно зависеть от нагрузки.

173.1. На рис. 362 показана схема шунтового двигателя О так * называемым комбинированным пуско-регулировочным реоста­том. Разберитесь в этой схеме и объясните, какую роль играют отдельные части этого реостата.

Рис. 362. К упражнению 173.1

173.2. Нужно пустить в ход шунтовый двигатель. Для этого даны два реостата: один из толстой проволоки с малым сопротивлени­ем, другой из тонкой проволоки с большим сопротивлением. Какой из этих реостатов следует включить как пусковой и какой

как регулировочный? Почему?

2. 

   Рис. 363. Схема включе­ния двигателя с последо­вательным возбуждением

   Двигатели с последовательным возбуждением. Схема включения в сеть этих двигателей показана на рис. 363. Здесь ток якоря является в то же время и током индуктора, и потому пусковой реостат К_ПуСк изменяет и ток в якоре, и ток в индукторе. При холостом ходе или очень малых нагрузках ток в яко­ре, как мы знаем, должен быть очень мал, т. е. индуцированная

э. д. с. Si должна быть почти равна напряжению сети. Но при очень малом токе через якорь и индуктор слабо и поле индуктора.

Поэтому при малой нагрузке не­обходимая э. д. с. может быть по­лучена только за счет очень боль­шой частоты вращения двигателя.

Вследствие этого при очень ма­лых токах (малой нагрузке) ча­стота вращения двигателя с последовательным возбужде­нием становится настолько большой, что это может стать опасным с точки зрения механической прочности двигателя.

449

15 Элементарный учебник физнкн, т. II

Говорят, что двигатель идет «вразнос». Это недопустимо, и поэтому двигатели с последовательным возбуоюдением нельзя пускать в ход без нагрузки или с малой нагрузкой (меньшей 20—25 % от нормальной мощности двигателя). По этой же причине не рекомендуется соединять эти двигатели со стан­ками или другими машинами ременными или канатными передачами, так как обрыв или случайный сброс ремня приведет к «разносу» двигателя. Таким образом, в двигате­лях с последовательным возбуждением при возрастании на­грузки увеличиваются ток в якоре и магнитное поле индук­тора; поэтому частота вращения двигателя резко падает, а развиваемый им вращающий момент резко возра­стает.

Эти свойства двигателей с последовательным возбужде­нием делают их наиболее удобными для применения на

реостата для регулирования частоты вращения сериесно­го двигателя

транспорте (трамваи, троллейбу­сы, электропоезда) и в подъем­ных устройствах (кранах), так как в этих случаях необходимо иметь в момент пуска при очень большой нагрузке большие вра­щающие моменты при малых ча­стотах вращения, а при мень­ших нагрузках (на нормальном ходу) меньшие моменты и боль­шие частоты.

Регулирование частоты вра­щения двигателя g последова­тельным возбуждением произ­водится обычно регулировоч­ным реостатом, включенным, параллельно обмоткам индук­тора (рис. 364). Чем меньше сопротивление этого реостата, тем большая часть тока якоря ответвляется в него и тем меньший ток идет через обмотки индуктора. Но при умень­шении тока в индукторе частота вращения двигателя воз­растает, а при его увеличении падает. Поэтому, в отличие от того, что имело место для шунтового двигателя, для того чтобы увеличить частоту вращения сериесного двигателя, нужно уменьшить сопротивление цепи индуктора, выводя регулировочный реостат. Для того чтобы уменьшить часто­ту вращения сериесного двигателя, нужно увеличить сопро­тивление цепи индуктора, вводя регулировочный реостат.

3. Объясните, почему сериесный двигатель нельзя пускать вхолостую или с малой нагрузкой, а шунтоэый можно.

Таблица 8. Преимущества, недостатки н области применения двигателей различных тнлов

Тип двигателя	Основные. преимущества	Основные недостатки	Область пряманедня
Трехфазный двигатель пере­менного тока с вращающимся полем	Слабая зави­симость частоты вращения от нагрузки Простота и экономичность конструкции Применение трехфазного тока	1- Трудность регулирования частоты враще­ния 2. Малый вра­щающий мо­мент прн пуске	Станки и машины, требующие посто­янства частоты вращения при из­менениях нагруз- кн., но не нуждаю­щиеся в регули­ровке частоты вра­щения
Двигатель по­стоянного тока с параллельным возбуждением (шунтовый)	Постоянство частоты враще­ния при изме­нениях нагруз­ки Возможность регулирования частоты враще­ния	Малый враща­ющий момент при пуске	Станки и машины, требующие посто­янства частоты вращения при из­менениях нагруз­ки и возможности регулировать час­тоту вращения
Двигатель по­стоянного тока с последователь­ным возбужде­нием (сериес­ный)	Большой вра­щающий мо­мент при пуске	Сильная зави­симость частоты вращения от нагрузки	Тяговые двигатели в трамваях и эдек- тропоездах, кла­новые двигатели и т. п.

В заключение сопоставим, в виде табл. 8 основные пре­имущества и недостатки различных типов электродвигате­лей, рассмотренных нами в этой главе, и области их приме­нения.

§ 174. Коэффициент полезного действия генератора и дви­гателя. В каждом электрическом генераторе или двигателе происходят некоторые бесполезные потери энергии. Они складываются из потерь на нагревание проводов проходя­щими по ним токами (потери в меди), потерь на токи Фукб и на нагревание стали сердечников при их перемагничива- нни (потери в стали) и потерь на трение. Поэтому,, когда машина работает как генератор, то она отдает в сеть несколь­ко меньшую электрическую мощность Р_гл, чем та механи­ческая мощность Р_кех, которая затрачивается на ее враще­ние. К. п. д. генератора называют отношение отдаваемой электрической мощности к затрачиваемой механической мощности:

Т1ген = ^- (174.1)

^Г мех

Точно так же, когда машина работает как двигатель, то она отдает несколько меньшую механическую мощность, чем поглощаемая ею из сети электрическая мощность. К. п. д. двигателя называют отношение отдаваемой меха­нической мощности к затрачиваемой электрической мощ­ности:>

= (174.2)

^Г ЭЛ

Потери энергии в генераторах и двигателях сравнитель­но малы, и к. п. д. их близок к единице (к 100 %).