Landsberg-1985-T2

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 пра­ вилу ЛеНf!.а направлены так, 'чтобы создаваемый ими вра­

щающий момент тормозил .процесс, вызывающий появле­ ние 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 npеодолеть,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, потребляе~ая в сети, которую питает генератор. Поэтому по мере возра­

стания электрической нагрузки генератора, т. е. отдавае­

мой им электрической мощности Р!JJl' возрастает и 'механи­

ческая мощность Рмех' 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 мощ­

ностью, скажем, 100 Вт и лопробуем вращать .ротор гене­

ратора так, чтобы эта лампочка горела нормальным нака­

лом, то убедимся, что это очень трудно. Приходится затра­

чивать большое усилие, чтобы' преодолевать силы, дейст­

вующие в магнитном поле индуктора на активные провод­

ники якоря, через которые теперь проходит ток около 1 А. Таким образом, по мере возрастания нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Pell , возра­ стает и поглощаемая им механическая мощность Рмех' необходимая для поддержания прежней частоты вращения

ротора. и прежнего напряжения в сети.

Точно так же, когда машина работает в качестве двига­

теля, при возрастании ее механической нагрузки, т. е. при

увеличении отдаваемой. ею механической мощности Рмех'

должна соответственно возрастать и поглощаемая ею из

сети электрическая мощность Ре..' т. е. должен увеличи­

ваться ток через якорь. В правильности этого легко убе­ диться, включив в цепь якоря амперметр. Когда двигатель работает вхолостую или совершает очень небольшую раб<г ту, ток в цепи якоря очень мал. Увеличим теперь нагрузку

_якоря, например тормозя его вал нлИ' ПР.!fсоединив к двига­

теЛю какой-нибудь станок. Мы за~ети.м, что при этом ТОК

444

через .якорь, измеряемый амперметром, автоматически

усилится до необходимого значения, при .котором отбирае­ мая от сети электрическая МОЩНОСТЬ равна затрачиваемой двигателем полезной механической мощности плюс неиз­ бежные потери на нагревание проводников током (джоулево

те!1ЛО), на перемагничивание железа в якоре и на трение в

движущихся частях соединенного с ней станка.

Это автоматическое СОгласование электричеСКQЙ МОщности с меха­

ническоii неизбежно cJJeftyeT из закона сохранения энергии. Но как оно

происходит? Благодаря какому процессу увеличивается идущий через якорь электрический ток при увеличении механической наг'рузки .дви­

гателя? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно иметь в виду, что неза­

висимо от того, работает ли машина как генератор или как двигатель,

в витках ее якоря, вращающихся в магнитном поле индуктора, возникает

индуцированная э. д. с. rf}i,- направленная, согласно правилу Ленца,

противоположно напряжению внешней сети иБнеш, К которой машина присоединена.. Таким образом, в цепи якоря фактич·есКи действует на­

пряжение, равное разности ИВНеш - rf}i, и по закону Ома ток в якоре

где RяJ, - активное сопротивление якоря.

Еслн ИВНеШ>({}j, то энерги'я отбирается от сети, Т.е. машина ра­ ботает как двигатель, если же ИDнеш< rf} j, то машина отдает энергию в сеть, т. е. работает как генератор. Индуцированная э. д. с. rf} j тем

больше, чем больше частота вращения якоря. Пока нагрузка двигателя

мала, ротор его вращается быстро, индуцированная э. д. С. С; велика и

почти равнаИвнеш и ток в якоре очень слаб. При увеличении механиче­

ской нагрузки двигателя частота вращения ротора убывает, индуциро­

ванная э. д. с. rf} j уменьшается и ток I"K в якоре возрастает.

§ 173. Основные рабочие характеристики и особенности

··двигателеЙ постоянного тока' с параллельным и последо­

вательным возбуждением. Как и в случае генератора, об­

мотки индуктора и якоря двигателя могут быть соединены

либо последовательно (рис. 339), либо параллельно (рис. 340).

В первом случае двигатель называют двuгателеЛ.t с последо­

вательным возбуждением (или .сериеСНbtМ двигателем), во

втором - двигателем. с naраллельны.м возбуждениеЛt (или шунтОВbtМ двигателе.м). Применяются также двигатели со

смешаннbtм возбуждением (компаунд-двигатели), !3 которых

часть обмоток индуктора соединена с якорем последова­

тельно, а часть параллельно. Каждый из этих типов двига­ телей имеет свои особенности, делающие его применение целесообразным в одних случаях и нецелесообрэзным в

других.

1. Двигатели с naраллельным возбуждением. Схема вклю- .

чения в сеть двигателей этого типа показана на рис. 361 ..

445·

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 RnycK ' включенный в цепь якоря, называют пуско­

вым, а реостат Rper , включенный в цепь индуктора,- регу­ лировочным. При пуске в ход двигателя с nараллельным

8озбужденuiм пусковой реостат должен быть обязательно

\

Рис. 361. Схема включения двигателя

с параллельиым возбуждением. Латун. ная дуга 1, по которой движется

рычаг пускового реостата, через за­

жим 2 присоединена к концу регулиро­

вочного реостата, а через зажим 3 - к пусковому реостату. Это делается' дЛя того, чтобы при переводе пуско­ вого реостата на холостой контакт 4 и выключении тока цепь возбуж-

дения не разрывалась

ИнtJукmор

noлностью включен; по мере того как двигатель набирает

частоту вращения, сопротивление реостата Rпуск посте­

пенно уменьшают и при достижении нормальной частоты

вращения этот реостат выводится из цепи полностью. Дви­

гатели с параллельным возбуждением, особенно значитель­ ной мощности, ни в коем случае нельзя включать без пуско­

вого реостата. Точно так же при ВЫКЛЮ9ении двигателя

следует сначала постепенно ввести реостат и лишь после

этого выключить рубильник, соединяющий двигатель .С

сетью.

Нетрудно понять соображения, которыми вызваны эти правила

вкmoчения и выключения двигаТелей. мы видели (см. формулу (172.1)),

что ток в якоре

где Uвнеw-,напряжение сети, а t8i-Э. д. с., индуцированная в обмот­

ках якоря. В первый момент, когда двигатель еще не успел раскрутить­

ся 'и набрать достаточную частоту вращения, Э: д. с. il; Очень мала и ток

через якорь приближенно равен

I ивнеш

пуск=--n-'

""ак

Сопротивление якоря обычно очень -мало. Оно рассчитьiвается так; чтобы падение напряжения на якоре UgK=lgKR gK 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

превысич, нормальный ток, на который рассчитан двигатель при полной Jlагрузке, а зто для него очень Опасно. При введенном же пусковом рео­ стате с с~противлением Rпуск пусковой ток через якорь

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

хотим, чтобы пусковой ток превышал нормальный не больше, чем в 2 раза,

откуда Rпуск.=4,8 Ом.

ЯСНО также, что для шунтового двигателя очень опасна

внезапная его остановка без выключения, например вследст­

вие резкого возрастания нагрузки, так как при этом Э. д. С.

lii 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 обмот­

ки (двигатель «перегорает»).

, Регулировочный реостат Rpel" включенный в цепь ИН­ дуктора, 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 на­

грузке двигателя ток в нем автоматически устанавлива­

ется такой) чтобы возникающий' вращающий момент урав-

441

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,- часто-

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 враще­ ния. Поэтому, для того чтобы при заданной нагрузке уве­ личить частоту вращения шунтового двигате-ля, нужно ослабить магнитный поток в индукторе, т. е. ввести боль­ шее сопротивление в цепь индуктора при помощи регулиро­ вочного реостата. Напротив, чтобы уменьшить частоту вращения шунтовоео двигателя, нужно увеличить магнит­

ный поток в индукmoре, т. е. уменьшить сопротивление в цепи индуктора, выводя регулировочный реостат.

е помощью регулировочного реостата можно при нор­

мальном 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 возраста­

нием 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 nараллеЛЬНblМ воз­

буждением 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 регу­

лировочного peOCTa~a ток в цепи индуктора~

Таким образом, с эксплуатационной точки зрения дви­ гатели постоянного тока с параллельным возбуждением

(шунтовые двигатели) характеризуются след;rющими двумя

свойствами: а) частота их вращения при изменении нагруз- .

ки остается почти постоянной; б) частоту их вращения можно в широких пределах изменять с помощью регулиро­ вочного реостата. Поэтому такие двигатели довольно ши­

роко применяются в промышленности там, где обе указан­ ные их особенности имеют значение, например для приведе­

ния в действие токарных и других станков, частота враще­

ния которых не должна сильно зависеть от нагрузки.

448

?. 173.1. На рис. З()2 ПОI{ЭЗ8!1а схема щунтового двигателя а так

называемьш комбини рованньш пускорегулировочным реоста­

том. Разберитесь в этой схеме и объясните, какую роль играют

OTдe.~ЬHыe 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 ПРОВО,'10КИ С малым сопротивлени­

ем, другой из тонкой проволоки с большим сопротивлением.

Какой из этих реостатов следует включить как пусковой и KBKOti

как регулировочный? Почему?

2. Двигатели с последовательным возбуждением. Схема ВI{лючения в сеть этих двигателей показана на рис. 363.

Здесь ток якоря является в то же время и током индуктора,

лых токах (малой нагрузке) чавательным возбуждением стота вращения двигателя с последовательным возбужде­

нием становится настолько большой, что это может стать опасным с точки зрения механической прочности двигателя.

Т а б д, и ц а 8. ПреимуЩt(!ТВа., недостатки и области примевеии. ДIIигателеit р&З;IIИЧНЫХ типов

в заключение сопоставим в виде табл. 8 основные пре­

имуществ-а и недостатки различных типов ЭЛtщтродвигате­

лей, рассмотренных нами в этой главе, и области их npиме­

нения.

§ 174_ Коэффициент полезного ~йствии генератора И ДВИ·

гателя. В каждом электрическом генераторе или двигателе происходят некоторые бесполезные потери энергии. Они

складываются из потерь на нагревание прооодов проходя­

ЩИМИ ПО ним токами (потери в меди), потерь на токи Фуко

и на нагревание стали сердечников при их перемагничива­

нии (потери в стали) и потерь на трение. Поэтому" когда машина работает как геиератор, то она отдает в сеть несКОЛh-

КО меньшую электрическую МОЩНОСТЬ Р&х, чем та механи­

ческая мощность Рмех' которая затрачивается на ее враще­

ние. 1(. n. д. генератора называют отношеНttе отдавае}'юй

электрической .мощности к заmршtuваелюй .механиtlескоЙ

.мощности:

мех

Точно так же, когда машина работает как двигате.JIЬ,

то она отдает несколько меньшую механическую мощность,

чем ПОГ.JIощаемая ею из сети электрическая мощность.

К. n. д. двигателя На3ьюают отношение отдаваемой Лlеха­ нической мощности к затрачиваемой электрической .мощ­

ности;

Потери энергии в генераторах и двигателях сравнитель­

но малы, и к. П. д. ИХ близок к единице (к 100 %).

§175. Обратимость ЭJlектрическнх генераторов постоянного тока. В § 172

мы видели. что всякий генератор постоянного тока может быть, как гово,

рят. обращен: ecJ!И его якорь вращать внешней силой, то машина ра­

ботает как генератор, т. е. посылает то!{ во внешнюю сеть; напротив, если через нее посылать ток от внешней сети, то машина работает как двига­

тель. Это свойство обратимости является характерной особенностью не

только индукционных генераторов, которые мы рассматриваем в этой

главе, а прис'уще и другим типам генераторов, которые мы рассматри­

вали раньше.

На рис. 365 мы ВИДИМ две электростатические машины, полюсы которых попарно соединены проводами. С левой машины снят приводной

ремень для уменьшения трепия и облегчения ее вращения. Если пра­ вую машину вращать, например, от руки, то она будет работать как

генератор. превращая механическую работу наIIlИХ мускулов в энергию электрического тока. Этот ток, проходя через левуlO машину, заставит ее вращаться, т. е. работать как двигатель. Здесь будет происходить

обратное превращеНllе электрической энергии в механическую работу.

Обратимостью обладают и химические источники тока - гальва­ нические элементы. Это ясно обнаруживается в явлениях поляриза­

ции элементов (§ 77) и особенно в аккумуляторах (~79). В § 79 мы

уже отмечали, что при зарядке аККУМУ.lштора элеl{трнческая энергия в

нем превращается в ХИ~IИЧескую, а при разрядке - ХШfИческая в элек­

трическую.

Обратимо также и явление возникновения термо-э. д. с. Когда

за счет внешнего источника тепла мы поддерживаем разность темпера­

тур между двумя спаями термоэлемента. то он работает как тепловая машина, преобразующая часть теплового потока в электрическую эиер­ гию. Напротив, если мы будем пропускать через термоэлемент ток от внешнего источника, то один спай его будет охлаждаться, а другой­ нагреваться, т. е. за счет электрической энергии будет возникать поток

тепла от холодного спая к горячему. Это явление называется эффектам

452

Пельmье по имени открывшего его ученого. При этом, если мы будем

пропускать ток в направлении, которое для термотока соответствовало

бы случаю, когда, СКажем, спай а горячее, чем спай Ь, 1'0 В силу эффекта

Пельтье спай а будет охлаждаться, а спай Ь нагреваться,

Рис. 365. ОGратимость электростатических машин. Правая машИНа

работает как генератор, левая - как двигатель

Явление ПСЛh1ъе в полупроводниковых термоэлементах дало

возможность построить хододильные машииы, которые по ЭКономич­

ности не уступают некоторым типам применяющихся на практике ком­

натных ХОЛОДИДЫlИков.

§ 176. Электромагниты. Хорошие постоянные магниты находят себе важные научные и технические применения,

например в электроизмерительных приборах. НО С03Д<1-

ваемые ими поля не очень сильны, хотя в последнее время и

изготовляют специальные сплавы, ко-:орые позволяют полу­

чать сильные постоянные магниты, ХUРОШО сохраняющие

свои магнитные свойства. К числу таких сплавов отно­ сится, например, кобальтовая сталь, содержащая около

50 % железа, около 30 % кобальта, а также некоторое коли­

чество вольфрама, хрома и углерода. Кроме того, большим

неудобством постоянны х магнитов является неВОЗМОЖI!ОСТЬ быстро изменять магнитную индукцию их поля. В этом отношении гораздо удобнее применение соленоидов с током (электромагнитов), поле которых можно легко изменять, изменяя силу тока в обмотке соленоида. Поле соленоида

можно увеличить в сотни и тысячи раз, помещая внутрь него

железный сердечник. Именно так и устроено большинство

электромагнитов, применяемых в технике.

453