книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

Величина э. д. с. якоря тем больше, чем больше его скорость вра- щения, при этом она направлена против напряжения приложенного извне (напряжения сети).

Двигатели постоянноготока необходимо снабжатьпусковыми рео- статами,назначение которых снизитьв неподвижном якоре пусковой ток, который намного превосходит рабочий ток, так как сопротивле- ние секций обмоток якоря очень мало.

Электродвигатели с параллельным возбуждением цепи якоря и индуктора не зависят друг от друга (рисунок слева).

Перед пуском двигателя реостат уста- навливается на большее сопротивление, ипомередостиженияваломякоряноми- нального числа оборотов сопротивление убирается. При выключении двигателя реостат устанавливается постепенно на большее сопротивление, а затем дви- гатель отключается от сети.

Для шунтового двигателя очень опасна внезапная остановка яко- ря (в следствие резкого торможения): индуцированная э. д. с. падает до нуля, а ток в якоре многократно возростает, что приводит к рас- плавлению изоляции и проводников обмоток якоря.

Обмотка индуктора включена непосредственно в сеть и поэтому момент развиваемый двигателем наибольший,ток в ней не меняется при изменении тока якоря и число оборотов якоря при изменениях нагрузки практически остаётся постоянной. Изменяя сопротивление цепи индуктора, меняется ток в ней и соответственно поток магнит- ного поля, в котором вращается якорь. Это приводит к изменению скорости вращения якоря.

В двигателях с параллельным возбуждением с помощью регулиро- вочного реостата в цепи индуктора достаточно просто можно менять скорость вращения якоря в широких пределах.

Увеличиваясопротивлениецепииндуктораослабляетсяпотокмаг- нитного поля и при заданной нагрузке число оборотов якоря увели- чивается. В противоположность при уменьшении сопротивлени цепи индуктора магнитный поток усиливается и при заданной нагрузке число оборотов якоря уменьшается. Если слишком уменьшить ток в обмотке индуктора или разорвать её цепь,то якорь начнёт вращать- ся с увеличивающейся скоростью,то есть пойдёт вразнос,что недопу- стимо. Обрыв по какой-либо причине цепи возбуждения опасно для таких двигателей.

Чем меньше нагрузка (например, холостой ход), тем меньше вра- щающее усилие и больше скорость вращения якоря и тем меньше

190

поступает в якорь ток из сети, а, значит, меньше будет потребляться мощность из сети.

Такие двигатели широко применяются в промышленности. В ме- таллорежущих станках, ткацких станках, нассосах, вентиляторах, то есть там, где скорость вращения вала двигателя не должна сильно зависить от нагрузки, а так же там, где требуется плавное регулирова- ние скорости вращения в широких пределах.

Для двигателя с последовательным воз- буждением пусковой реостат изменяет ток и в якоре и в индукторе (рисунок справа).

На холостом ходу или при малых нагрузках малы токи в якоре и в индукторе, слабым бу- дет и магнитный поток, что приводит к росту скорости вращения якоря значительно силь- нее, чем в двигателе с параллельным возбуж- дением при обрыве цепи возбуждения, и дви- гатель идёт вразнос.

Поэтому пуск двигателя с нагрузкой меньше 1/4 от номиналь- ной недопустим.

Не следует уменьшать сопротивление реостата установленного последовательно с ним, который способен уменьшить напряжение и ограничить нарастающий ток.

Напротив, при увеличении нагрузки число обротов якоря умень- шается, но растёт вращающееся усилие. Возростание нагрузки при- водит к росту тока в якоре и в индукторе, что резко снижает число оборотов якоря при возростании вращательного момента.

Это техническое преимущество двигателя с последовательным возбуждением пригодно для создания электрической тяги, там, где при трогании с места и при малой скорости вращения вала двигатель должен развивать большой вращающий момент.

Широко примняются такие электродвигатели на электрическом транспорте (в электропоездах, трамваях, троллейбусах), в подъёмных устройствах (кранах).

Такой двигатель должен быть жёстко свя- зан с рабочим механизмом с помощью муфты или зубчатой передачи, иные связи, допуска- ющие возможность разрыва, недопустимы, ибо приводят к разносу двигателя.

Регулирование числа оборотов сериесного двигателя (рисунок слева) часто производит- ся регулировочным реостатом, включённым параллельно обмотке индуктора (что наибо- лее экономично).

191

Уменьшение сопротивления реостата ведёт к снижению тока в об- мотке индуктора и росту числа оборотов вала двигателя. Увеличение сопротивления реостата приводит к увеличению тока в обмотке ин- дуктора и падению скорости вращения якоря.

Двигательсосмешаннымвозбуждениемвза- висимости от соотношения магнитных потоков обеих индукторов (могут сочетаться или вычи- таться) проявляет свойства преимущественно либо двигателя с параллельным возбуждением, либо двигателя с последовательным возбужде- нием.

Двигатель может работать на холостом ходу и не входит в разнос. Как правило, последова- тельнаяобмоткавозбужденияявляетсяглавной, а параллельная обмотка — вспомогательной.

Применяются такие электродвигатели для привода компрессоров, строгальных станков,

подъёмников, прокатных станов,для создания электрической тяги. Техническое ограничение в двигатели постоянного тока вносит

щёточно — коллекторный узел, который при больших токах охваты- вает искрение («круговой огонь»).

В результате, одновременно выгорают все пластины коллектора, из — за чего сокращается срок его службы. Кольцевое искрение кол- лектора недопустимо,и предотвращается обычно ограничением мак- симального тока в якоре.

Ныне созданы бесколлекторные (без щёточно-коллекторного узла) электродвигатели постоянного тока.

Известно,что все промышленные электродвигатели имеютцилин- дрическую форму, но оказалось, они могут иметь и шарообразную форму.

Такая форма электродвигателя позволяет уменьшить его габариты

иобеспечить эффективное взаимодействие магнитных полей статора

иротора (рисунок ниже).

Например, двигатель диаметром 119 мм и массой 2, 5 кг при мощ- ности электродвигателя 1, 5 кВт создаёт кру- тящий момент на валу 32 кгс . м при частоте вращения 3 700 оборотов в минуту.

Сфера статора, вместо набора пластин же- леза, изготовлена из композитных материа- лов, на которую слоями намотаны катушки электромагнитов.Для компактности обмотка может быть выполнена из плоского изолиро- ванного провода.

192

Применение композитных материалов позволило исключить влияние токов Фуко, уменьшить вес двигателя и облегчить придание статору требуемой формы без использования дорогостоящего обору- дования для обработки металла, что существенно снизило стоимость электродвигателя.

Полюса катушек на сфере статора равномерно смещены относи- тельно друг друга.

Ротор выполнен в виде вала с жёстко закреплённым на нём посто- янным магнитом, направление магнитного поля которого перпенди- кулярно валу, имеющего ось вращения вдоль оси симметрии статора.

При подаче напряжения на одну из катушек статора она превраща- ется в электромагнит,который,взаимодействуя с постоянным магни- том ротора, приводит его в движение.

Контроллер (бесконтактный полупроводниковый коммутатор) переключает электропитание катушек по мере поворота ротора, что приводит к непрерывному и плавному вращению ротора. В качестве коммутирующих элементов обычно используются транзисторы, при больших мощностях —тиристоры.

Положение оси магнитного потока ротора относительно осей маг- нитного потока катушек статора определяется бесконтактными дат- чиками (трансформаторными, индукционными, магнитоэлектриче- скими, фотоэлектрическими).

Если в статоре только одна катушка, то в нужный момент вре- мени производится переключение полярности полюсов электромаг- нита.

Использование нескольких катушек обеспечиваетстабильную рав- номерность вращения.Увеличение количества катушек свыше 12 уже не даёт положительного эффекта,так как увеличивает массу и разме- ры двигателя без существенного повышения крутящего момента.

Как и все двигатели постоянного тока,при подключении вала к ис- точнику механической энергии (к ветряку, паровой турбине,двигате- люавтомобиля)шаровойэлектродвигательпереходитврежимгенера- тора и выдает в сеть электроэнергию, которая может быть накоплена или потреблена любыми пригодными для этого устройствами.

Сельсин —системаэтоэлектрическисоединённаяпарасельсинов, предназначенная для электрической передачи на расстояние угла по- ворота вала одного сельсина другому сельсину основанного на имею- щемся у них свойстве самосинхронизации.

Простейший сельсин (с англ. и греч. «синхронный») это специаль- ная электрическая микромашина переменного тока (рисунок на стр. 194) состоящая из статора с трёхфазной обмоткой цепи синхрониза- ции (схема включения —«треугольник» или «звезда») и ротора с одно- фазной обмоткой цепи возбуждения.

193

Однофазные обмотки роторов (цепь возбуждения) подключаются параллельно к общей сети переменного тока, а трёхфазные обмотки статоров (цепьсинхронизации) соединяютсядругсдругом одноимён- ными выводами.

В исходном положении роторы сельсина-датчика и сельсинаприёмника занимают одинаковое положение, поэтому в цепи син- хронизации индуцируются равные по величине, но противоположно направленные э. д. с., и тока в цепи не возникает, соответственно нет никаких вращающих моментов,действующих на роторы.

При повороте ротора сельсин-датчика в цепи синхронизации возникают отличные от нуля э. д. с. и ток. Взаимодействие магнит- ных потоков обмоток возбуждения сельсинов с током, протекаю- щим в обмотках синхронизации каждого из сельсинов, приводит к возникновению вращающих синхронизирующих моментов (ротор сельсин-датчика при повороте тормозится). В сельсин-приёмнике указанный момент (пропорциональный рассогласованию между положениями роторов датчика и приёмника) стремится повернуть ротор на угол, равный углу поворота ротора сельсин-датчика и, тем самым, установить ротор в такое положение, при котором э. д. с., на- водимые в обмотках синхронизации, вновь станут равными и про- тивоположно направленными.

При непрерывном вращении ротора сельсина-датчика с заданной скоростью ротор сельсина-приемника будет вращаться с той же ско- ростью, и «следить» за движением ротора сельсина-датчика. Посто- янно действующий вращающий момент обеспечивает синхронность движения роторов. Как только ротор сельсина-приемника займёт та- кое же положение, что и ротор сельсина-датчика, то исходное равно- весие восстановится. Сельсин-системы находят применение в следя- щих системах автоматического управления различными объектами (например,антеннами РЛС),атак же в системах автоматического кон- троля, регулирования и дистанционной передачи угла (СДПУ).

194

Изучая преобразование механической энергии в электрическую энергию с помощью электромагнитной индукции, не рассматривался способ получения высоких и низких напряжений, а так же возмож- ности изменять напряжение, вырабатываемое электрогенератором, в широких пределах.

Дляполучениявысокихнапряжений,напримердлялинийэлектро- передач, рассмаотренные индукционные электрогенераторы не го- дятся, так как трудно обеспечить надёжную изоляцию проводников находящихся под высоким напряжением.

Постоянный ток не обеспечен техническими возможностями по- лучения мощных токов высокого напряжения и преобразования по- стоянного напряжения в широких пределах.

Переменное напряжение легко создаёт явление электромагнит- ной индукции, с помощью которой просто и практически без потерь можно повышать или понижать исходное напряжение.То есть,преоб- разовывать вырабатываемую индукционным генератором электро- магнитную энергию в такую же электромагнитную энергию, но в ши- роком интервале напряжений. Этим объясняется преимущественное применение в технике переменного тока, а не постоянного.

Простейшим устройством для преобразования напря- жения переменного тока стал

трансформатор (с лат.«преоб-

разовывать,преобразователь»). Изобретателем трансформа- тора является П. Н. Яблочков (1876 г). Рисунок справа.

Конструктивно это два отдельных многовитковых соленоида (две обмотки) снабжённых общим замкнутым железным сердечником (магнитопроводом). Обмотки являются самостоятельными электри- ческими цепями, которые с помощью магнитопровода охвачены

ипронизываются одним общим замкнутым магнитным потоком. Связьмежду ними осуществляется исключительно магнитным полем, почти все силовые линии магнитного поля проходят через обмотки.

Переменное магнитное поле (переменный магнитный поток) создаёт одна из обмоток подключённая к источнику переменного тока, названная первичной. Во второй обмотке, названной вторич- ной и подключаемой к нагрузке, как и в первичной обмотке, в соот- ветствии с законом электромагнитной индукции индуцируется одна

ита же э. д. с. или индуктивное напряжение, величина которой зави-

сит от количества витков обмоток. Индуцирующиеся в них полные э. д. с. равны соответственно E1 = e . ω1 и E2 = e . ω2, где e — э. д. с. одного витка обмотки, а ω1 и ω2 число витков соответственно в первичной

195

и во вторичной обмотках. Когда к вторичной обмотке не подключена нагрузка (цепь разомкнута) и через неё не проходит электрический ток (при холостом ходе трансформатора) напряжение U2 на концах вторичной обмотки равно индуцирующейся в ней э. д. с. — E2 (U2 = E2). Э. д. с. E1 по правилу Ленца направлена против внешнего напряжения U1 приложенного к первичной обмотке и при холостом ходе почти рана ему (U1 = E1).

Отношение напряжений на концах обмоток трансформатора при холостом ходе, называемое коэффициентом трансформации, равно примерно отношению индуцируемых в них э. д. с. или, практически, отношению числа витков обмоток (k = U1/U2 = E1/E2 = ω1/ω2).

Если число витков в первичной обмотке превышает число витков во вторичной обмотке, то трансформатор понижает напряжение ис- точника переменного тока и коэффициент трансформации (обычно целые числа) понижающий (U1 > U2).

Если, наоборот, число витков во вторичной обмотке превышает число витков в первичной обмотке, то трансформатор повышает на- пряжение источника переменного тока и коэффициент трансформа- ции (дробные числа) повышающий (U1 < U2).

Еслиток холостого хода ничтожно мал по сравнению с рабочимто- ком вторичной обмотки, то токи в первичной и вторичной обмотке примерно обратно пропорциональны соответствующим напряжени-

ям (I2/I1 = U1/U2).

Понижающие трансформаторы, предназначенные для получения очень больших токов при очень низком напряжении, применяются

всварочных аппаратах при электросварке, а так же в измерительных трансформаторах тока и напряжения.

Повышающие трансформаторы, предназначенные для получения оченьбольшого напряжения,применяютсядля питания протяжённых линий электропередач.

Для регулирования напряжения применяются автотрансформато- ры, в которых первичная и вторичная обмотки соединены напрямую и его обмотка имеет несколько выводов.

При подключении нагрузки во вторичной обмотке идёт рабо- чий ток, и напряжение на концах вторичной обмотки уменьшается нанесколькопроцентов(из-заналичиятокахолостогохода),приэтом ток в первичной обмотке и отбираемая из сети мощность возрастают. Чем больше нагрузка, а значит и ток, вторичной обмотки,тем больше ток в первичной обмотке.

Это объясняется тем, что ток I2 вторичной обмотки индуцирует

впервичной обмотке дополнительную э. д. с., направленную по пра- вилу Ленца против основной э. д. с., что приводит к её уменьшению и возрастанию действующего в ней напряжения. То есть, рабочий ток

196

вторичной обмотки своим магнитным полем фактически уменьша- ет индуктивное сопротивление первичной обмотки, что и приводит к возрастанию тока I1 в ней.

Ток холостого хода в первичной обмотке создаёт потери на нагрев проводниковобмотки(потеривмеди)имагнитопроводатокамиФуко и при его непрерывном перемагничивании (потери в железе). Поэто- му оставлятьтрансформатор длительное время без нагрузкитехниче- ски и экономически недопустимо.

Коэффициентом полезного действия трансформатора называет- ся отношение мощности, потребляемой в цепи вторичной обмотки, к мощности, отбираемой из сети.

Ондостигаетв зависимости отмощноститрансформатора порядка

95 ÷ 99 %.

Дляуменьшенияпотерьэнергиинанагревмагнитопроводатоками Фуко и при его перемагничивании тело сердечника трансформатора изготавливается в виде набора тонких изолированных друг от друга пластин из стали специальных сортов, в которых эти потери малы.

Мощные трансформаторы для улучшения условий охлаждения по- мещаютвёмкости,наполненныеспециальнымминеральныммаслом, концы обмоток выводятся наружу через проходные изоляторы.

Трёхфазныйтрансформатордлятрёхфазной системы переменного тока изобрёл М. О. Доливо–Добровольский (1889 г.).

Для электропотребления у трансформатора имеются два напря- жения (фазное и линейное или междуфазное): первое используется преимущество для осветительной нагрузки, второе — для силовой (мощной) нагрузки.

Соединение фазовых обмоток с каждой стороны трансформатора выполняют «звездой» (Y/Y) с выводом общей точки (с нулевым про- водом или «землёй») и без него (без нулевого провода), а также «треу- гольником» (Δ/Δ).

Первичная и вторичная обмотки могут быть соединены любым из указанных способов в любых комбинациях в зависимости от на- значения трансформатора.

Постоянный и переменный ток

Постоянныйипеременныйтокиэтотипичныефизическиеявления, имеющие противоположные качества одного рода, заключающиеся в характере движения электронов (зарядов). Постоянный ток, как пря- мойпотокэлектрическихзарядов(электронов),имеетоднопостоянное направление и величину во внешней цепи.Подчиняется закону Ома.

Переменный ток, возникающий под действием переменной э. д. с.электрогенератора,непрерывноменяетсвоёнаправлениеивели-

197

чину во внешней цепи. Индуцируемая в проводниковом элементе ге- нератора э. д. с.определяется скоростью изменения магнитного потока. При вращении проводникового элемента с определённой постоянной частотой (угловой скоростью) в однородном магнитном потоке инду- цируемая э. д. с.графически описывается во времени в виде элементар- ной синусоиды с максимумами и обращениями в нуль (Ф = H . S . sin ωt, где H —напряжённостьмагнитного поля,S —площадьпроводникового элемента,ω —угловая скорость проводникового элемента).

Фактически, это график (развёрнутая диаграмма) зависимости мгновенных значений индуцированной э. д. с. от времени.

Илиграфическипостроеннаяпроизводная(аналогскорости)функ- ции изменений э. д. с. индуцируемой в проводниковом элементе.

По закону синусоиды изменяются мгновенные значения напряже- ния и тока (то есть, u = Uм . sin ωt, i = Iм . sin ωt, где Uм и Iм максималь- ные значения напряжения и тока).

В Электротехнике используется синусоидальные переменные на- пряжение и ток. Для сетей России принята частота переменного тока и напряжения 50 герц.

Максимальноезначениенапряженияитоканазываютамплитудой. Промежуток времен, в течение которого величина тока или напряже- ния совершает полное колебание, называют периодом переменного тока (T = 1/50 сек).

Смещение двух синусоидальных токов (или напряжений) по времени [i = Iм . sin (ω t — φ)] относительно друг друга называют сдвигом по фазе (φ) или разностью фаз относительно друг друга (рисунок слева).

Рассматривая несколько синусои- дальных токов и напряжений, необхо- димо сопоставлять частоту (если она не 50 гц),амплитуду и сдвигфаз между ними.

Для измерения величины переменного тока используется физиче- ское свойство, не зависящее от изменения направления тока, в част- ности, нагревание (Q = 0, 24 . I 2эф . R кал).

198

Одно ито же количествотепла,выделяемое в проводнике при про- пускании постоянного (измеряемого) и переменного (искомого) тока, указывает на равное их действие. Если оба тока равны по своему дей- ствию, то значит, измеренная сила постоянного тока полностью ха- рактеризует эффективную силу переменного тока.

Значение эффективной силы переменноготока называютдейству- ющим значением переменного тока. Для синусоидального тока эф- фективное значение величины переменного тока зависит от ампли-

туды тока и определяется как Iэф = Iм/√2 = 0,71 . Iм (Iм =√2 . Iэф = 1, 41 . Iэф).

Постоянный ток не проходит через конденсатор из за наличия между его обкладками изолирующего прослойки — диэлектрика, раз- мыкающего цепь. При включении конденсатора в цепь переменного тока на нём происходятпроцессы зарядки и разрядки,что соотвеству- ет прохождению переменного тока через конденсатор.

Постоянный ток проходит через электромагнит большой индук- тивности (с большим числом витков на железном сердечнике),так как электрическое сопротивление постоянному току не велико.

Электромагнитс большой индуктивностью включённый в цепь пе- ременного тока, напротив, ослабляет действующий ток. Объясняется это тем, что при изменениях тока в цепи с электромагнитом большой индуктивности в нём возникаетэ. д. с.самоиндукции,которая зависит от величины индуктивности. Э. д. с. самоиндукции направлена всегда против изменений тока её вызывающего, что приводит к уменьше- нию амплитуды тока и его действующего значения.

ЗаконОмасохраняетсилуидляпеременноготока,однакодляодной

итой же цепи электрическое сопротивление будет различно для по- стоянного тока и для переменного тока. Если R сопротивление участка цепи для постоянного тока, то для переменного тока введено понятие полного сопротивления данного участка цепи,обозначаемого Z.

Эти величины различны, так как различен характер прохождения постоянного и переменого токов через проводники, конденсаторы

иэлектромагниты большой индуктивности. Сопротивление цепи по- стоянного тока R называют активным (омическим) сопротивлением, обуславливающим образование и выделениетепла в проводниках,со- вершение механической работы (расход мощности).

Сопротивление, вносимое в цепь переменного тока конденсато- ром или электромагнитом большой индуктивности, называют реак- тивным и обозначают соответственно емкостным сропротивлением

Rемк и индуктивным сопротивлением Rинд.

Емкстное сопротивление конденсатора тем меньше, чем больше его ёмкость и больше частота переменного тока (Rемк = 1/ωC). Величи- на тока при увеличении ёмкости конденсатора и частоты переменно- го тока растёт, а сопротивление уменьшается.

199