§ 24. Взаимоиндукция

Взаимоиндукцией называется явление индуцирования э. д. с. в проводнике или катушке при изменении магнитного потока, созда­ваемого другим проводником (катушкой). Индуцируемая таким образом э. д. с. е_я носит название э. д. с. взаимоиндукции. Примером является индуцирование э. д. с. е„ в проводнике ВГ (см. рис. 54) при изменении тока 1\ в проводнике АБ, а также индуцирование э. д. с. е? в катушке 2 (см. рис. 55, а) при изменении тока в катушке /.

Если два замкнутых контура или две катушки / и 2 (рис. 66) сцеплены с общим магнитным потоком Ф12, то такие контуры и ка­тушки называют индуктивно или магнитносвязанными. Для оценки степени их связи введено понятие взаимоиндуктивности М. Взаимо­индуктивность, так же как и индуктивность /,, измеряется в генри (Гн).

Если известна взаимоиндук­тивность М, то э. д. с. взаимоин­дукции е„, индуцированная в ка­ком-либо контуре или катушке, при изменении тока / в другом контуре или катушке может быть получена из формулы (51) для ин­дуцированной э. д. с. При этом Следовательно, э. д. с. взаимоиндукции так же как и э. д. с. само­индукции, пропорциональна скорости Л г/Л I изменения тока, соз­дающего магнитное поле. Кроме того, она зависит от числа витков обеих катушек Ш\ и шч и от магнитного сопротивления связы­вающего их магнитопровода (т. е. от его длины /, поперечного сечения 5 и магнитной проницаемости). Направление э. д. с. вза­имоиндукции определяется по правилу Ленца: она всегда направ­лена так, что стремится препятствовать изменению создающего ее тока.

Взаимоиндукция дает возможность связывать посредством маг­нитного поля различные электрические цепи. Явление взаимоиндук­ции широко используются в трансформаторах, радиотехнических устройствах и устройствах автоматики. Однако в некоторых случаях возникновение э. д. с. взаимоиндукции является нежелательным. Например, э. д. с. взаимоиндукции, индуцированные в линиях связи (телефонных и телеграфных проводах), проложенных вдоль высоковольтных линий электропередачи или вдоль контактной сети электрифицированных железных дорог переменного тока, создают помехи при передаче телефонных или телеграфных сигналов. Поэтому линии связи стремятся располагать перпендикулярно проводам линий электропередачи или выполнять их в виде кабельных линий, защищенных металлическими экранами.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

§ 25. Процесс преобразования энергии

в электрических машинах. Режимы их работы

Электрические машины разделяют по назначению на два основ­ных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели — для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.

В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электри­ческую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор при­водят во вращение дизелем, на тепловой электростанции — паро­вой турбиной, на гидроэлектростанции — водяной турбиной. Элек­трические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.

Принцип действия любой электрической машины основан на ис­пользовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как гене­ратора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генера­торном и двигательном режимах работы электрических машин.

Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразо­вания энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со своими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Индуктор создает в машине магнитное поле; в обмотке якоря индуцируется э. д. с. и возникает ток. При взаимодействии тока в об­мотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.

Принцип действия электрического генератора. Простейшим элек­трическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис. 67, а). В этом генераторе виток / представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3. При вращении витка с некоторой часто­той вращения п его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Фив каждом проводнике индуцируется э. д. с. е. При принятом на рис. 67, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно

84

правилу правой руки направлена от нас, а э. д. с. в проводнике, расположенном под северным полюсом,— к нам. Если подключить к обмотке якоря приемник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электрический ток I. В проводниках обмотки якоря ток I будет направлен так же, как и э. д. с. е.

Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле прихо­дится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). Как было установлено в главе II, при прохождении тока / по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый проводник действует электромагнитная сила Р. При указанном на рис. 67, а направлении тока согласно правилу левой руки на проводник, расположенный под южным по­люсом, будет действовать сила Р, направленная влево, а на провод­ник, расположенный под северным полюсом,— сила Р, направлен­ная вправо. Указанные силы создают совместно электромагнитный момент М, направленный по часовой стрелке.

Из рассмотрения рис. 67, а видно, что электромагнитный мо­мент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, направлен в сторону, противоположную вращению провод­ников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора. Для того чтобы предотвра­тить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент М_вн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электро-

магнитного момента М, созданного током нагрузки генератора. Сле­довательно, для продолжения нормальной работы генератора к нему необходимо подводить извне механическую энергию — вра­щать его якорь каким-либо двигателем 5.

При отсутствии нагрузки (при разомнутой внешней цепи гене­ратора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе. При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электри­ческой мощности Р_Эл, увеличиваются ток /, проходящий по провод­никам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механиче­ская мощность Р_мх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.

Таким образом, чем больше электрической энергии потребля­ется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного ге­нератора, тем больше механической энергии забирает он от вра­щающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.

Из рассмотренных выше условий работы электрического генера­тора следует, что характерным для него является:

совпадение по направлению тока I и э. д. с е в проводниках об­мотки якоря; это указывает на то, что машина отдает электриче­скую энергию;

возникновение электромагнитного тормозного момента М, на­правленного против вращения якоря; из этого вытекает необходи­мость получения машиной извне механической энергии.

Принцип действия электрического двигателя. Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток / (рис. 67,6), распо­ложенный на якоре 3, который вращается в магнитном поле по­люсов 2. Проводники витка образуют обмотку якоря. Если подклю­чить виток к источнику электрической энергии, например к электри­ческой сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток I. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы Р. При указанном на рис. 67, б направлении тока на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила р, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом,— сила Р, направ­ленная влево. В результате совместного действия этих сил созда­ется электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой п. Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством 7 (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приво­дить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент М_вн, создаваемый этим устрой­ством, будет направлен против электромагнитного момента М.

Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, ра­ботающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направление которой определяется но правилу правой руки; следовательно, при указанном на рис. 67, б направлении вращение э. д. с. е, индуци­рованная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, рас­положенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Из рис. 67, б видно, что э. д. с. е, индуцированные в каждом провод­нике, направлены против тока /', т. е. они препятствуют его прохожде­нию по проводникам.

Для того чтобы ток I продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель про­должал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напря­жение II, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. Е, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходи­мо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.

При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, при­ложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внеш­него источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.

При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электро­двигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдавае­мой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает авто­матически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.

Из рассмотренных выше условий работы электрического двига­теля следует, что характерным для него является:

совпадение по направлению электромагнитного момента М и ча­стоты вращения п; это характеризует отдачу машиной механи­ческой энергии;

возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с. е, направ­ленной против тока I и внешнего напряжения II. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.

Принцип обратимости электрических машин. Рассматривая прин­цип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего. Процесс преобразования механической энергии в электриче­скую в генераторе и электрической энергии в механическую в двига­теле связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнит­ных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током. Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.

Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электро­двигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин. Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и перехо­дить из генераторного режима в двигательный и наоборот.

Для выяснения этого положения рассмотрим работу электри­ческой машины постоянного тока при различных условиях. Если внешнее напряжение с/ больше суммарной э. д. с. Р. по всех по­следовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток / будет проходить в указанном на рис. 68, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую. Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения V, то ток / в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 68, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электро­магнитного момента М, который будет направлен против часто­ты вращения п. Совпадение по направлению э. д. с. Е и тока / означает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энер­гию, а появление тормозного электромагнитного момента М гово­рит о том, что она должна потреблять извне механическую энер­гию. Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводни­ках обмотки якоря, становится больше напряжения сети V, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при Е<.11 машина работает двигателем, при Е> V — генератором.

Перевод электрической машины из двигательного режима в гене­раторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение II источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. Е в обмотке якоря.