История Настольный словарь
Главная страница > Энциклопедический словарь Гранат, страница > Этих матерьялов

Этих матерьялов

Этих матерьялов. При этом во вращающихся Э. м. в качестве прослойки между неподвижной (статор) и вращающейся (ротор) частями приходится оставлять тонкий слой воздуха 1воз-душный промежуток, или междужелезное пространство) и затрачивать большую часть энергии возбуждения на проведение через него магнитного потока. С этим обстоятельством приходится мириться в силу невозможности без него обойтись. Так как даже для определенного сорта железа магнитная проницаемость не является величиной постоянной и изменяется в широких пределах в зависимости от величины напряженности поля Н, то и величина индукции В не остается пропорциональной Н. При малых Н, вследствие быстрого увеличения ц. индукция В так же увеличивается очень быстро. Затем в некоторых пределах значений Я магнитная проницаемость остается постоянной, и индукция В растет пропорционально Н. Наконец, наступает т. наз. насыщение железа, проницаемость начинает уменьшаться, увеличение В замедляется, и вскоре дальнейшее увеличение Я уже не в состоянии сколько - нибудь значительно повысить В. Так как напряженность поля Я обусловливает собой намагничивание магнитопровода, то ее часто называют еще намагничивающей силой. В практических расчетах пользоваться величиной Я неудобно и поэтому здесь берут пропорциональную ей величину aw=0,8 Я, где aw — число ампер-витков на 1 сантиметров пути. физическое значение величины aw выясняется из следующих соображений. Если имеется соленоид, состоящий из го вит -ков, по которым проходит ток г ампер, то возбуждаемый этим соленоидом поток будет определяться произведением -даампер-витков, то есть поток будет увеличиваться как при возрастании тока, так и при увеличении числа витков. Для того, чтобы в данном участке магнитопровода установить некоторый поток, потребуется известное число ампер-витков. Так как магнитное сопротивление пропорционально длине, то чем больше протяжение магнитопровода, тем большее потребуется число ампер-витков. То количество ампервитков, которое требуется для установления данного потока в данном магнитопроводе при его длине в 1 сантиметров и будет величиной aw. Если длина пути

iw _

составляет I см, то a/w=~j. Из формулы Б=щЛследует, что для. установления данной индукции В потребуется тем меньшая намагничивающая сила или тем меньшее число ампер-витков на сантиметров aw, чем больше магнитная проницаемость матерьяла. Соотношения между В и aw даются обычно в виде кривых, показанных на рисунке 48 для различных сортов железа (смотрите также электротехнические матерьялы). Т. к. во вращающихся частях машины все время происходит перемагничивание железа и возникают сопутствующие ему потери, то для уменьшения потерь те части магнитопровода, которые подвергаются перемагничиванию, изготовляются из тонких (обычно 0,5 миллиметров) листов, изолированных друг от друга проклейкой бумаги толщиной около 0,05 миллиметров. Листы собираются в пакеты так, чтобы плоскости раздела были параллельны направлению магнитного потока. Литая сталь и чугун применяются (чугун в последнее время очень редко) лишь для тех частей магнитопровода, где перемагничивание не имеет места (индукторы машин постоянного тока и синхронных). Для трансформаторов применяют листовое железо обычно толщиной 0,35 миллиметров, чтобы еще больше понизить потери на перемагничивание. В малых машинах и трансформаторах оклейку листов бумагой часто заменяют покрытием тонким слоем особого изолирующего лака.

Как уже установлено выше, для получения в данном магнитопроводе данного магнитного потока необходимо определенное число ампер-витков. Если магнитопровод имеет длину I см, состоит из однородного матерьяла и имеет всюду одинаковое поперечное сечение, то это число ампер-витков будет выражаться формулой A W=aw где aw—число ампер-витков на 1 сл длины. Если, как это всегда бывает на практике, магнитопровод состоит из нескольких частей, изготовленных из различного матерьяла и имеющихразличное сечение, то величина aw для всех этих частей не будет одинаковой, к в этом случае приходится разбивать цепь на отдельные участки, подсчитывать ампер-витки для каждого участка отдельно и затем их суммировать. Тогда

A W — awy lL + aw.21,2 -f- aw3 lg-j- =— Saw l. Величина AW является как бы источником магнитного потока и носит название магнитодвижущей силы (сокращенно мдс). Так как величина мдс зависит только от числажутка, либо вследствие того, что сам воздушный промежуток будет не вполне равномерным, то есть его магнитное сопротивление не будет во всех точках одинаково.

Рассмотрим сперва возбуждение мдс однофазным переменным током, причем первоначально—для случая магнитопровода, показанного на рисунке 47, то есть для магнитопровода с равномерным воздушным промежутком. Далее предположим, что наша обмотка имеет число впадин на полюс и фазу q=1,

Рисунок 48.

витков и силы тока, то при постоянном числе витков мдс будет зависеть всецело от тока. Если ток постоянный, то и мдс будет иметь постоянную величину; если ток переменный, то и мдс будет изменяться с тем же числом периодов, то есть будет колебаться от некоторого положительного максимума до такого же по абсолютной величине отрицательного максимума. Мдс создает магнитный поток, проходящий из статора в ротор или из ротора в статор через воздушный промежуток машины. При этом в большинстве случаев магнитная индукция не будет во всех точках этого воздушного промежутка одинаковой либо вследствие того, что мдс не будет распределена равномерно вдоль воздушного промекак показано на рисунке 49. Здесь имеется ряд катушек, ширина которых равна полюсному делению т. Если по этим катушкам проходит электрический тОк, то возникает мдс, возбуждающая магнитный поток, пронизывающий катушку и замыкающийся через два воздушных промежутка. рпо. ы/

как показано нарис.49 тонкими линиями со стрелками. Такая катушка представляет собой не что иное, как соленоид, и обладает, еле-

довательно, двумя магнитными полюсами: северным (п) и южным (s). Так как величина мдс определяется произведением из силы тока на число витков и так как внутри катушки никаких источников магнетизма не имеется, то во всех точках внутри катушки, то есть на всем протяжении полюсного деления, мдс будет одинаковой и графически изобразится в виде четырехугольника abed. На протяжении соседнего полюсного деления (на участке ВС) мдс также будет во всех точках иметь одинаковую величину, равную предыдущей, но направлена она будет в противоположную сторону. Поэтому четырехугольник defg, характеризующий закон изменения мдс на участке ВС, построен ниже линии ад. Высота прямоугольника ab или de равна половине мдс всей катушки, т. к на участках ad или dg поток проходит только через один воздушный промежуток. Так как в рассматриваемом случае воздушный промежуток равномерный, то и поток также будет распределен равномерно, то есть индукция будет везде иметь одинаковую величину, а направление ее будет соответствовать направлению мдс. Другими словами, закон изменения индукции будет характеризоваться той же ломаной линией abedefg, но в другом. масштабе. Т. к. мдс вызывается здесь переменным током, то и сама она будет изменяться во времени с тем же числом периодов f. Если мгновенное значение циркулирующего в катушке переменного тока будет г=«=}/21 sin w t, где /— эффективное значение тока (смотрите теоретические основы электротехники), то мгновенное значение мдс будет

AW=]y2 lw sin о> t,

где w—число витков катушки. В технике переменных токов все расчеты значительно упрощаются, если изменение тех или иных величин происходит по синусоиде. Раскладывая нашу прямоугольную кривую на ряд синусоид (смотрите теоретические основы электротехники), мы берем только основную гармонику и пренебрегаем влиянием других. Эта основная гармоника показана на рисунке 49, причем ее амплитуда, то есть высота ккяля 1т будет в _

(~ 1,27) раза больше высоты прямоугольника ab или fg. Тогда мгновенное значение основной синусоиды мдсвыразится равенством 4 1 —

(A W)t=_ 2 у 2 sin u>£=0,9lM’sin<»£,

а ее амплитуда

4 1 ,

(AW)}m=— 2 V 2/г» =0,9Iw.

Рассмотрим теперь случай, изображенный на рисунке 50, когда на полюс приходится несколько впадин (q > 1). Здесь, внутри катушки мдс также будет постоянной (на участке bс она будет равна bh). Когда же мы начнем двигаться от точки b влево или от точки с вправо, то мы увидим, что мдс начнет посте-пенноуменыпаться вследствие уменьшения числа витков и в точке а мдс станет равной нулю. Другими словами, изменение мдс в этом случае будет уже происходить не по закону прямоугольника, а по закону ломаной линии, причем между отдельными впадинами мдс будет оставаться постоянной (ступеньки на рисунке 501. И в этом случае можно заменить ломаную abedefg основной синусоидой, причем, как видно из чертежа, здесь такая замена приводит к меньшим ошибкам, чем в предыдущем случае, так как здесь закон изменения мдс гораздо ближе к синусоидальному.

Если магнитопровод устроен по схеме рисунок 45 или 46, то на закон изменения мдс это не влияет, т. к. из предыдущего ясно, что характер кривой мдс зависит исключительно от расположения обмотки. Что же касается закона распределения магнитной индукции, то здесь он уже будет отличаться от закона распределения мдс, т. к. магнитное сопротивление здесь изменяется вдоль воздушного промежутка.

При возбуждении многофазным переменным током мдс создается в ре

зультате совместного действия отдельных, сдвинутых в пространстве, фазных обмоток, обтекаемых сдвинутыми во времени фазными токами. При этом, как известно (смотрите теоретические основы электротехники), получается вращающееся магнитное поле, имеющее постоянную величину и перемещающееся в пространстве с синхронной скоростью,

60/

то есть совершающее в минуту те=— оборотов, где /—частота тока, а р —число пар полюсов машины. При обычно встречающемся числе впадин на полюс и фазу q=3----4, распределение результирующей мдс в пространстве можно практически считать синусоидальным, причем амплитуда мдс для трехфазного тока в 3/2 раза больше амплитуды мдс каждой фазы, т.-е равна

AW=— AW=1,35 Iw.

Возбужденный этой мдс поток также будет вращаться в пространстве в отличие от пульсирующего во времени и неподвижного в пространстве потока однофазной обмотки. Можно, однако, всякую пульсирующую во времени и неподвижную в пространстве величину привести к двум вращающимся в про -тивоположные стороны величинам, неизменным во времени. На рисунке 51

а Ь с б е f

вверху представлена (а) мдс однофазной обмотки в тот момент, в который она достигает наибольшей величины. Эту мдс можно представить состоящей из двух одинаковых по величине мдс, равных каждая половине действительной и направленных в одну и ту же сторону. Если обе эти составляющие вращаются в разные стороны с одинаковой (синхронной) скоростью, то через некоторый промежуток времени они займут положение b и, суммируя их геометрически, мы получим мдс, показанную на чертеже над ними, величина которой уже будет меньше, чем в случае а. При дальнейшем вращении составляющих результирующая мдс (с и d) будет уменьшаться еще больше, пока не наступит момент е, когда результирующая мдс станет равной нулю, т. к. в этот момент составляющие направлены друг против друга и взаимно уничтожаются. В положении / результирующая мдс будет направлена уже в другую сторону; далее она снова начнет увеличиваться в этом направлении, дойдет до максимума, снова станет уменьшаться, перейдет через нуль и так далее В машинах переменного тока одну из этих составляющих обычно удается уничтожить или, по крайней мере, настолько ослабить, что ее влиянием можно пренебречь. Тогда и здесь получается вращающееся поле, но имеющее амплитуду в 2 раза меньшую, то есть

1F= -yO,9-Zw=0,45 lw.

Если через обмотку пропускается постоянный ток, то мдс и магнитный поток также будут постоянными и во времени и в пространстве. Рассмотрим сперва магнитопровод типа рисунок 47. Одна из форм такой обмотки показана на рисунке 52. Здесь все впадины на протяжении всего полюсного деления заполнены обмоткой. Мдс будет иметь наибольшую величину в середине полюсного деления, т. к. здесь число ампер-витков будет наибольшим. В точках а и Ь мдс будет равна нулю.

Следовательно, мдс распределена здесь по закону треугольника, сильн“ отличающемуся от закона синусоиды, что совершенно недопустимо. Исходя из этого, в современных машинах обычно заполняются не все впадины на протяжении полюсного деления, а.

лишь часть их (обычно 8/3) и притом так, что в середине полюсного деления обмотки нет (рисунок 53). При таком расположении мдс в средней части полюсного деления будет постоянной, и распределение мдс будет иметь форму

трапеции. Если обмоткой заполнено 2/3 всех впадин, то закон распределения практически мало отличается от синусоиды. В некоторых случаях обмоткой заполняются все впадины, но число проводников в них берется неодинаковым, а именно: по серрдине меньше, а по краям больше. Такая конструкция, хотя и сильно удорожает изготовление машины, но зато форма поля получается при ней чисто синусоидальной. В случае магнитопроводов типа рисунок 45 или 46 обмотка укладывается вокруг выступающих полюсов, как показано на рисунке 54. Здесь уже

Рио. 54.

величина воздушного промеясутка не будет одинаковой на всем протяжении полюсного деления. Если поверхность полюса, обращенная к воздушному промежутку, обточена так, что воздушный промежуток под полюсом везде одинаков (машины постоянного тока), то кривая распределения магнитного потока (и магнитной индукции) представляет собой прямоугольник abed <рис. 54 слева). Для того, чтобы получить форму кривой поля, более приближающуюся к синусоиде (необходимо для машин переменного тока), поверхность полюса обтачивают эксцентрично так, чтобы воздушный промежуток под краями полюса был больше, чем подего серединой. Тогда распределение поля и индукции будет происходить по некоторой кривой efg (рис.54 справа), которую путем придания полюсу определенного эксцентриситета молено значительно приблизить к синусоиде.

Для подсчета мдс машины, то есть полного числа ампер-витков, необходимого для получения заданной эдс молено воспользоваться найденным вы-, ше уравнениемЕ=4 kf -kw-fw-Ф-1СТ“8-

Величина A— kf kw fw 10~8 для данной машины является постоянной, и тогда Е — А Ф, то есть для данной машины эдс зависит исключительно от величины магнитного потока, и ее форма будет тождественна с формой этого потока. Зная величину потока, геометрические размеры магнитопровода (длину и поперечное сечение), можно подсчитать индукции в различных частях магнитной цепи, а зная матерьял, из которого они сделаны, можно подсчитать по кривой рисунок 48 ампер-витки на сантиметров длины {aw). После этого подсчитываются ампер-витки для каяедого участка магнитопровода и суммируются. Обычно из всего числа ампер-витков, необходимых для создания данного магнитного потока, большая часть тратится на преодоление магнитного сопротивления воздушного промежутка. Если каким-либо образом начать уменьшать или увеличивать мдс (проще всего уменьшать или увеличивать для.этого проходящий через обмотку ток), то магнитный поток Ф и пропорциональная ему эдс также начнут уменьшаться или увеличиваться. Если задаться несколькими значениями потока и просчитать для них по указанному выше способу мдс, то можно построить очень важную кривую зависимости меяеду ними, т. наз. характеристику намагничивания машины. Для этого откладываем в некотором масштабе (рисунок 55) по вертикальной линии от некоторой точки О

Эдс оа, оb, ос., а по горизонтальнойлинии, также от точки О, соответствующие им мдс от, on, oq, Еслитеперь через точки а,Ь, с,____провестигоризонтали до встречи с вертикалями, проведенными из соответствующих точек т, и, q —, и полученные точкипересечения ж, у, г соединитьплавной кривой, то мы и получим характеристику намагничивания машиныожуг При малых эдс, то есть прималых потоках, индукция настолько

мала и магнитная проницаемость железа настолько велика, что магнитное сопротивление обусловлено исключительно воздушным промежутком, а т. к. для воздуха мдс пропорциональна потоку, то их характеристика намагничивания будет здесь прямой линией. Однако, при дальнейшем увеличении Фи Е магнитная проницаемость падает, магнитное сопротивление железа возрастает, и поток начинает увеличиваться медленнее, чем мдс: кривая загибается книзу. При еще большем увеличении Фи Е насыщение железа увеличивается еще больше и, наконец, наступает такое состояние, когда даже значительное увеличение мдс не вызывает заметного роста Фи Е. Зная, на какой точке кривой лежит нормальная эдс машины, можно судить о степени ее насыщения. Насыщение не должно быть слишком малым, т. к. тогда малейшее изменение мдс (например, вследствие изменения сопротивления обмотки отнагревания)вызывало бы значительные колебания эдс, что совершенно недопустимо. С другой стороны, слишком большое насыщение хотя и дает устойчивую эдс, но увеличивает мдс и удорожает изготовление машины. Обычно нормальная эдс лежит на перегибе кривой (примерно, между точками у я z рисунок 55). Характеристика намагничивания машины является весьма ценной и при испытании машин, т. к. с ее помощью можно найти ряд зависимостей между различными величинами, определяющими работу машин.

Коэффициент полезного действия (кпд). Идеальным случаем работы Э. м. (как и всякой машины вообще) был бы такой, при котором вся подводимая энергия целиком могла бы быть получена от машины в другой форме. Однако, как бы ни усовершенствовалась конструкция машин, какие бы материалы для них не применялись, этот случай на практике осуществлен быть не может. Прохождение тока по проводнику, согласно закону Джоуля, связано с выделением тепла за счет части пропускаемой через проводник энергии. Перемагничивание железа также связано с выделением теплоты. Наконец, трение в подшипниках и сопротивление вращению со стороны окружающего воздуха также требуют для своего преодоления некоторого расхода энергии. Все эти потери, превращаясь в теплоту и рассеиваясь в окружающем пространстве, требуют затраты известного количества работы, доставляемого первичным источником энергии (для генератора—первичным двигателем, для двигателя—питающей его сетью) иявляющегося безвозвратно потерянным; другими словами,энергия, получаемая машиной, всегда больше, чем отдаваемая. Если обозначить мощность, подводимую к машине, через Ра, а мощность, отдаваемую ею—через Р, то отношение

Р

всегда меньше единицы и называется коэффициентом полезного действия. Так как полная мощность Ра состоит из полезной мощности Р и потерь W, то кпд может быть также выражен в форме Р Pa-W

r‘.Pi- W или= Ра Для удобства изучения все потери в машине можно разбить на три группы: потери в меди, потери в железе и потери на трение (или механические). Очевидно, что в трансформаторах последняя группа потерь не имеет места. Потери в меди, то есть в проводниках обмоток, прежде всего обусловлены прохождением тока. По закону Джоуля, эта, т. наз. омическая, потеря составляет Wm =Г-Л, где Р—сила тока, идущего через проводник, имеющий омическое сопротивление R ом. Эти потери имеют место как в рабочих обмотках (например, якорь машины постоянного тока, статор синхронной машины и так далее), так и в обмотках, создающих магнитное поле машин (обмотках возбуждения). К этим же потерям могут быть отнесены потери, обусловленные прохождением тока через контакт между щетками и контактными кольцами или коллектором. Кроме этой потери, в проводниках обмоток благодаря потокам, охватывающм их и пересекающим их своими силовыми линиями, индуктируются т. н. вихревые токи, или токи Фуко (смотрите теоретические основы электротехники), замыкающиеся в виде вихрей внутри проводника и обусловливающие, особенно в массивных проводниках, значительные потери, называющиеся добавочными потерями в меди. Величина этих добавочных потерь точному учету не поддается, в виду влияния целого ряда обстоятельств, предусмотреть которые очень трудно. К потерям в меди можно также отнести потери в реостатах, регулирующих силу тока возбуждения в машинах. Потери в железе обусловлены переменным перемагничиванием магнитопровода в целом или его отдельных частей. Прежде всего здесь следует отметить потерю, затрачиваемую на рабо-туперемагничивания.или потерю на гистерезис. При тех больших индукциях, которые встречаются в магнитопроводах современных машин, эта потеря оказывается пропорциональной: частоте перемагничивания f (числу полных перемагничиваний в секунду), квадрату индукции В, объёму пере-магничиваемого железа V, толщине железных листов, из которых составлен магнитопровод а, и может быть выражена формулой Wh=Ah fB:V-a, где Ah — коэффициент, зависящий отсорта железа. Кроме потерь на гистерезис, в железе имеют еще место потери на токи Фуко (от индуктируемых в нем переменным потоком вихревых токов, или токов Фуко), зависящие от квадрата частоты перемагничивания, квадрата индукции, объёма железа, квадрата толщины железа и сортажелеза. Эта потеря может быть выражена формулой Wf=Af f2B3Va где Af —снова коэффициент, зависящийот сорта железа. Далее, в железе появляется еще потеря на вихревые токи, вызываемые колебаниями магнитной индукции в слоях, лежащих у воздушного промежутка, вследствие наличия на статоре или роторе (или и на том и на другом) зубцов и впадин. Т. к. индуктируемые здесь токи не проникают в толщу железа, а располагаются на поверхности, то и самая потеря называется поверхностной. К потерям в железе относятся также пульсационные потери, вызываемые колебаниями индукции в зубцах статора и ротора, а также добавочные потери, обусловленные местными короткими замыканиями между отдельными листами, появляющимися в результате их механической обработки (штамповки, резки, сверления и так далее). Несмотря на тщательное изготовление и обильную смазку, потери, обусловленные трением цапф в подшипниках, достигают довольно больших величин. Эти потери зависят, с одной стороны, от величины трущейся поверхности, а с другой стороны—от скорости вращения и температуры подшипников. С целью понизить эти потери, небольшие машины часто изготовляют с шариковыми или роликовыми подшипниками. Потеря на сопротивление от воздуха точному учету не поддается. В малых машинах она имеет обычно очень небольшую вели -чину, но зато в больших быстроходных машинах (турбомашины) она может дойти до 2°/о от общей мощности машины. К потерям на трение можно также отнести мощность, затрачиваемую на вращение вентиляторов, способствующих лучшему охлаждению машины.

Потери в машине не являются во всех случаях постоянными при любой нагрузке машины. Таким постоянством (и то приблизительным) обладают только потери механические. Практически постоянными можно также считать потери в железе, т. к. эдс, создаваемая магнитным потоком, обусловливающим эти потери, при всех нагрузках машины остается приблизительно постоянной. Потери в меди рабочих обмоток пропорциональны квадрату силы тока и с увеличением нагрузки растут очень быстро. Отсюда следует, что кпд машины также не является величиной постоянной и сильно зависит от нагрузки. На рисунке 56 представлена в виде кривой типич-

2

ная зависимость между кпд и нагрузкой машины, выраженной в долях от нормальной. Из этой кривой видно, что вначале, когда нагрузка мала, кпд растет очень быстро, т. к. в этой области потери в меди сравнительно невелики. При дальнейшем увеличении нагрузки увеличение кпд замедляется (потери в меди быстро возрастают) и, наконец, при еще большей нагрузке кпд начинает падать, т. к. потери в меди достигают очень большой величины. При отсутствии нагрузки (при холостом ходе) кпд равен нулю, т. к. машина не совершает никакой полезной работы. Обычно машины проектируются так, чтобы наибольшего значения кпд достигал около нормальной нагрузки. Что касается абсолютной величины кпд, то она зависит от типа машины и от ее мощности. Вообще говоря, в Э. м. кпд весьма высок, достигая в наиболее мощных типах ма шин до 97—98%, а в наиболее мощных трансформаторах до 99—99,5%.

Нагревание Э. м. Т. к. потери машины переходят в теплоту, то при работе машина постепенно нагревается, причем повышение температуры происходит до тех пор, пока не установится тепловое равновесие, то есть машина будет отдавать в окружающую среду столько же тепла, сколько она получает его от происходящих в ней потерь. Для того, чтобы не произошло обугливания и разрушения изоляции обмоток, предельная температура не должнапревосходить определенных значений, установленных электротехническими нормами. В машинах небольшой мощности. где потери невелики, а поверхность, через которую теплота переходит в окружающую среду, относительно велика, эго условие выполнить легко, и здесь вполне достаточным является естественное охлаждение машины. Напротив, в машинах большой мощности, где потери по сравнению с величиной машины достигают огромных значений, такого естественного отвода теплоты уже недостаточно и приходится прибегать к искусственному охлаждению с помощью крыльчатого вентилятора сидящего на валу машины, а в особенно трудных случаях (турбомашины) к продуванию холодного воздуха через корпус машины. К таким асе мерам приходится прибегать иве лучае когда по условиям эксплуатации машина должна быть изготовлена, герметически закрытой. Для небольших закрытых двигателей иногда применяют водяное охлаждение, когда вода проходит через обобую охладительную рубашку, соприкасающуюся с нагретыми частями машины. Для лучшего охлаждения трансформаторов их погружают в баки, наполненные минеральным маслом, а при очень больших мощностях это масло охлаждают, кроме того с помощью погруженного в него змеевика, сквозь который пропускается холодная вода. Вопросы нагревания и охлаждения машин являются в электромашиностроении весьма важными, т. к. нагреванием машины в конечном счете определяется ее мощноегь. Понятным, поэтому, является стремление возможно больше повысить охлаждао-мость машины. В последнее время для этой цели начинают применять водород из-за его легкости (а, след., и меньших потерь на продувание) и лучших, чем у воздуха, способностей отнимать тепло у нагретых частей машины.

Машины постоянного тока (м. п. т.). Реакция якоря. До тех пор, пока в проводниках, составляющих обмотку якоря м. п. т., ток не проходит (т. е. машина вращается вхолостую), магнитный поток создается исключительно индуктором (полюсами) машины. Этот случай показан на ряс. 57 слева. Магнитный поток полюсов, т. наз. основной поток машины, направлен здесь снизу вверх. При вращении якоря, в его обмотке индуктируется эдо, достигающая наибольшей величины в проводниках, расположенных в данный момент времени под полюсами, и равная нулю в проводниках, лежащих на нейтральной линии тп (т. к. здесь при вращении проводники не пересекают магнитных силовых линий). Из чертежа видно, что нейтральная линия расположена перпендикулярно к оси полюсов. Если теперь прекратить возбуждение полюсов (выключив ток в обмотзано на рисунке 57 справа. Т. к. силовые линии результирующего потока проходят теперь в якоре под некоторым углом к вертикали и т. к. нейтральная линия должна быть всегда перпендикулярна к направлению силовых линий, то, очевидно, мы будем иметь здесь смещение нейтрали на угол а. На такой же угол должны быть передвинуты и щетки машины для достижения правильной работы. Новая нейтраль тхщ называется физической в отличие от геометрической нейтрали тп. Смещение физической нейтрали происходит для генераторов в направ

ке возбуждения) и питать якорь от постороннего источникаг,остоянного тока, то якорь сам станет электромагнитом, как видно из рисунка 57 (средний чертеж), и образует два полюса (северный и южный). Магнитная ось якоря, то есть линия, проходящая через его полюса, будет направлена по нейтрали машины, то есть будет совпадать с осью щеток. Очевидно, что при нормальной работе машины, когда возбуждена обмотка полюсов и сам якорь пронизывается током, будут существовать оба потока: основной и поток якоря, иначе называемый потоком реакции якоря. Так как существование двух самостоятельных потоков в одном магнитопроводе невозможно, то оба поля, сложившись, дадут некоторый результирующий поток машины при нагрузке, который, по сравнению с потоком холостого хода, оказывается перекошенным, как покалении вращенияякоря, а в двигателях— в сторону, противоположную вращению. Следствием реакции якоря является уменьшение потока машины, а, следовательно, и уменьшение эдс. Уменьшение потока появляется в результате того, что в одной части машины силовые линии сгущаются, а в другой разрежаются, причем вследствие насыщения железа сгущение не компенсируется разрежением и магнитное сопротивление увеличивается. Для того, чтобы вернуть эдс к ее прежнему значению, приходится увеличивать ток возбуждения. Помимо этого, реакция якоря, вызываемая током самого якоря, увеличивается с возрастанием нагрузки машины. Отсюда ясно, что величина смещения физической нейтрали также зависит от нагрузки, т. е., другими словами, каждой нагрузке машины соответствует одноопределейное правильное положение щеток и при всяком изменении нагрузки щетки должны быть переставляемы. Это создает очень большие неудобства при эксплуатации, и поэтому в современных м. п. т. поле реакции якоря уничтожают с помощью дополнительных полюсов, расположенных в геометрической нейтрали и создающих поток, равный, но противоположный по направлению, потоку реакции якоря. Обмотку возбуждения дополнительных полюсов соединяют последовательно с якорем, и тогда компенсация происходит автоматически при всех нагрузках, т. к. при слабо насыщенных дополнительных полюсах изменение потока будет пропорциональным изменению тока в якоре. Ниже мы увидим, что у дополнительных полюсов есть еще и другая задача—улучшение коммутации машины.

Коммутация тока. При вращении якоря все коллекторные пластинки последовательно проходят под щеткой. Т. к. щетки неподвижны, то картина распределения параллельных ветвей в обмотке остается постоянной, то есть иод некоторым полюсом, например северным, направления эдс и тока в проводниках остаются всегда одними и теми же. Так. обр., роль щеток сводится к последовательному переключению проводников обмотки из одной ветви якоря в другую. Это переключение, происходящее в момент перехода переключаемого проводника через нейтраль, называется коммутацией тока. Процессы, происходящие во время коммутации, черезвычайно сложны и до этих пор их нельзя еще считать окончательно изученными, несмотря на огромный фактический материал, накопленный многолетними исследованиями. Последовательный ход коммутационного процесса показан на рисунке 58, где принято, что обмотка и коллектор перемещаются вправо, щетка неподвижна и ширина щетки равна ширине одной коллекторной пластины. На чертёж 1 изображен момент, когда щетка соприкасается еще только с правой пластиной, то есть момент, предшествующий началу коммутации Весь ток 2гя, поступающий из внешней сети, проходит через правую пластину и затем, пройдя черезсоединительный проводник и войдя в обмотку, равномерно распределяется в обе стороны (в обе параллельные ветви). Как видно из чертежа, через среднюю секцию (присоединенную к обеим коллекторным пластинам) проходит ток in, равный половине всего тока, идущего через щетку. Направление этого тока-справа налево. В следующий момент (чертёж 2), когда коллектор несколько передвинется, в соприкосновение со щеткой войдет и левая пластина. Т. к., однако, поверхность контакта между щеткой и левой пластиной меньше, чем между щеткой и правой пластиной, то весь ток 2ix распределится между пластинами неравномерно: большая часть тока пойдет через правую пластину, а меньшая — через левую. Дойдя до точки а, ток правой пластины отчасти пойдет в правую параллельную ветвь (ток ix), а остаток — в среднюю секцию, обойдя которую и соединившись в точке b с током левой пластины в ток ix, он направится в левую параллельную ветвь. Очевидно, что ток, проходящий в этом случае через среднюю секцию, будет меньше, чем ix, то есть чем в первом случае. На чертёж 3 показан следующий момент, когда щетка перекрывает обе

12U ix— —сА

пластины равномерно, т.-е площади контакта между щеткой и каждой из пластин одинаковы. В этом случае через каждую из пластин проходят одинаковые токи %я, которые и переходят затем в правую и левую ветви якоря, минуя среднюю секцию (ток в средней секции равен нулю). При дальнейшем перемещении коллектора (чертеж 4), когда площадь контакта между щеткой и левой пластиной становится больше, чем между щеткой и правой пластиной, большая часть тока идет через левую пластину, и, как видно из чертежа, часть этого тока проходит через среднюю секцию в правую параллельную ветвь. Наконец, в момент окончания коммутации (чертёж 5) правая пластина выходит из соприкосновения со щеткой, весь ток 2 гя идет через левую пластину, и половина этого тока, то есть гя, поступает через среднюю секцию в правую ветвь якоря. Таким образом, за время (или, как говорят, за период) коммутации ток в средней секции, начиная от нормальной величины 1я, постепенно уменьшается, переходит через нулевое значение и снова увеличивается, но уже в обратном направлении, до величины гя. Если бы процесс коммутации не осложнялся никакими другими явлениями, то описанное изменение тока в коммутируемой секции было бы вполне равномерным, ток изменялся бы по закону прямой линии. Поэтому такую „идеальную“ коммутацию называют прямолинейной. В действительности, однако, явление осложняется тем, что, благодаря изменению тока, в секции возникает эдс самоиндуктивности и взаимоиндуктивности (смотрите теоретические основы электротехники), —т. наз. реактивное напряжение коммутации ег, —и, кроме того, в общем случае, секция вращается в постороннем магнитном поле (например, если щетки сдвинуты от нейтрали), которое также создает в ней эдс, т. наз. эдс внешнего поля ек. Эдс ег и е,с создают в секции дополнительный ток, накладывающийся на ток прямолинейной коммутации и вызывающий уже неравномерное изменение тока за период коммутации, т. - е. прямолинейност ь коммутации нарушается. Это нарушение усугубляется еще наличием сопротивления самой секции и соединительных проводников, хотя, впрочем, практическое влияние этого обстоятельства в современных машинах ничтожно. Все указанные причины приводят к тому, что переход тока через нуль совершается в коммутируемой секции или раньше середины периода коммутации (ускоренная коммутация), или позже (замедленная коммутация). Искажение коммутации практически приводит к искрению под щетками. Избежать вызванного коммутацией искрения можно двумя путями: увеличивая сопротивление контакта между щетками и тем затрудняя прохождение тока (это достигается применением в современных м. п. т. угольных щеток; или уничтожая самую причину искажения коммутации, то есть появление эдс ег и ек. Последнего можно добиться, сдвигая щетки машины в область поля главных полюсов, причем в такую сторону и на такую величину, чтобы индуктированная в секции этим полем эдс ек была равна, а по знаку противоположна, реактивному напряжению ег, то есть, чтобы соблюдалось условие ек= — ег. Для этой цели необходимо в генераторах сдвигать щетки за физическую нейтраль в сторону вращения якоря, а в двигателях—против вращения якоря. Так как, однако, величина реактивного напряжения ег зависит от силы коммутируемого тока, т. е., иными словами, от нагрузки машины, то величина сдвига щеток при различных нагрузках должна изменяться, что создает большие затруднения в эксплуатации машины. Более радикальным средством для улучшения коммутации являются дополнительные полюса, которые при этом должны быть рассчитаны так, чтобы, помимо потока, уничтожающего поле реакции якоря, они создавали бы поток, вызывающий в коммутируемой секции эдс ек=— ег. Тогда нет никакой необходимости сдвигать щетки из геометрической нейтрали, и как реакция якоря, так и реактивное напряжение коммутации будут автоматически компенсироваться при любой нагрузке машины. Распределение полярностей дополнительных полюсов по -казано на рисунке 59. Из чертежа виши“

что в генераторах дополнительный полюс должен иметь ту же полярность, что и главный полюс, идущий за ним в направлении вращения якоря, а в двигателе—наоборот. В настоящее время дополнительные полюса являются обязательным элементом каждой м. п. т. за исключением самых малых мощностей,

т. к. их применение, кроме устранения реакции якоря и улучшения коммутации, дает возможность построить машину с меньшим расходованием мате-рьяла, то есть экономически более выгодную,—Искрение на коллекторе может вызываться еще и другими причинами помимо указанной выше. Так, например, благодаря чисто механическим неисправностям (дрожание щеток, плохая притирка щеток и коллектора, истирание коллектора, слабое укрепление токоснимающих частей, неправильная форма коллектора) получается неплотный контакт между щеткой и коллектором, что вызывает появление маленьких вольтовых дуг, в результате чего наступает искрение. Кроме того, искрение может иметь место в том случае, если напряжение между соседними коллекторными пластинами превосходит допускаемые пределы (25—30 вольт).

Способы возбуждения м. п. т. Для возможности работы м. п. т., как уже указывалось выше, необходимо наличие магнитного потока, пересекающего при вращении якоря проводники его обмотки. Создание этого потока называется возбуждением машины. По способу возбуждения различают м. п. т. с независимым возбуждением и с самовозбуждением, причем в последнем случае возбуждение может быть последовательным (сериес), параллельным (шунт) и смешанным (компаунд). В машинах с независимым возбуждением ток, питающий обмотку полюсов, доставляется посторонним источником энергии, например другой машиной или батареей аккумуляторов. Генераторы с независимым возбуждением встречаются очень редко и лишь для специальных целей, нормальные же м. п. т. выполняются всегда с самовозбуждением. На рисунке 60, 61 и 62 показаны

схемы генераторов шунт, сериес и компаунд. Ккк видно из рисунка 60, в шун-товом генераторе обмотка возбуждения присоединена непосредственно к щеткам машины, то есть ток в ней устанавливается по лным напряжением якоря. Для того, что бы ограничить величину этого тока, обмотку выполняют с большим сопротивлением, а для создания нормального потока, при небольшом значении тока, число витков обмотки возбужден ия берут большим. (Как известно, в личина потока, создаваемого какой-либо обмоткой,пропорциональна произведению из силы тока на число витков, то есть числу ампер-витков). Для того, чтобы иметь возможность регулировать величину потока, а, след., и величину напряжения машины, в цепьобмотки возбуждения включают регулируемое сопротивление (ШРнарис. 60), т. наз шунтовый реоетат. В сериесном генераторе (рисунок 61) обмотка возбуждения присоединена последовательно

J

Рисунок 61.

с обмоткой якоря и питается полным током машины. Для того, чтобы не создавать току якоря излишнего сопротивления при прохождении через обмотку возбуждения, последняя выполняется из толстого проводника, обладающего малым сопротивлением. Число витков сериесной обмотки также берут небольшим, т. к. необходимые ампер-витки создаются здесь, гл. обр., за счет большого тока возбуждения. В компаундном генераторе (рисунок 62) имеются обе обмотки: шунтовал и се-риесная, и магнитный поток создается здесь одновременным действием и того и другого возбуждения. Схемы возбуждения двигателей будут даны ниже. Отметим, что генераторы п. т. выполняются почти исключительно шун-товыми и компаундными, а двигатели— шунтовыми и сериесными.

Характеристики генераторов п. т. Каждый тип машины характиризуется определенными рабочими свойствами,

выражаемыми определенными зависимостями одних величин (например, эдс, напряжения, силы тока, числа оборотов и так далее) от других (например, тока возбуждения, нагрузочного тока и так далее). Эти зависимости в силу особых свойств магнитной цепи не могут быть, в большинстве случаев, выражены математическими уравнениями,и их приходится выражать графически в виде кривых,

Рие. 62.

называемых характеристиками машины. Генераторы работают нормально с постоянной скоростью, поэтому характеристики, выражающие зависимости от числа оборотов, для генераторов не являются определяющими. Главнейшими кривыми следует здесь считать те, которые дают зависимость напряжения на зажимах машины от тока возбуждения и от нагрузочного тока. С одной из важнейших характеристик мы познакомились уже выше (рисунок 55),— это характеристика намагничивания, в случае генератора называемая также характеристикой холостого хода. Последнее название возникло от того, что, если во вращающемся с нормальной скоростью ненагруженном генераторе изменять ток возбуждения и одновременно измерять с помощью вольтметра напряжение на зажимах машины, то, построив кривую зависимости между этими двумя величинами, мы и получим намагничивающую кривую. Действительно, напряжение при холостом ходе, вследстие отсутствия тока в якоре (в действительности якорь пропускает ток, необходимый для намагничивания машины, но величина его ничтожна по сравнению с током нагрузки), то есть вследствие отсутствия падения напряжения и реакции якоря, численно равна (вернее, почти равна) эдс> которая в свою очередь пропорциональна магнитному потоку, а ток возбуждения пропорционален ампер-виткам возбуждения или напряженности магнитного поля. Описанным путем характеристика холостого хода может быть снята у генераторов с независимым возбуждением и у генераторов шунтовых или компаундных. У сериесных генераторов ток возбуждения одновременно является и током нагрузки, и поэтому здесь характеристику холостого хода можно снять, лишь отключив обмотку возбуждения от якоря и питая ее от независимого источника тока, то есть превратив сериесное возбуждение в независимое. Если нагрузить машину, то при том же токе возбуждения напряжение на ее зажимах сделается меньше, чем при холостом ходе, т. к. часть эдс должна быть затрачена на преодоление падения напряжения в обмотке якоря и контактах коллекторщетки в шунтовых машинах, а в сериесных и компаундных еще и на преодоление падения напряжения в обмотке возбуждения. Кроме того, сама эдс также уменьшится благодаря реакции якоря, возникающей при нагрузке. Если снять попрежнему зависимость напряжения от тока возбуждения при некоторой постоянной нагрузке, то получится кривая, подобная характеристике холостого хода, но расположенная ниже ее, причем тем ниже, чем больше нагрузка. Кривые, дающие указанную зависимость при различных нагрузках, называются нагрузочными характеристиками. Очевидно, характеристика холостого хода есть частный случай нагрузочной характеристики при токенагрузки, равном нулю. Наиболее важной и имеющей наибольшую практическую ценность является внешняяхарак-теристика, представляющая зависимость между напряжением на зажимах и током внешней нагрузки при некотором постоянном сопротивлении цепи возбуждения и при постоянной скорости вращения, то есть характеризующая как раз нормальный режим работы машины в установках- Внешняя характеристика для шунтовой машины показана на рисунке 63 (кривая Ея). Если бы при нагрузке машины не было бы ни

падения напряжения в цепи якоря, ни реакпии якоря, то не было бы никаких причин для изменения напряжения, и внешняя характеристика представляла бы собой прямую ливню,параллельную оси абсцисс. Т. к., однако, указанные явления в действительности существуют, то с увеличением нагрузки напряжение будет уменьшаться. Это уменьшение будет несколько расти еше и за счет того, что при постоянном сопротивлении цепи возбуждения ток возбуждения при увеличении нагрузки будет падать, так как он устанавливается напряжением на зажимах. Если бы изменение напряжения обусловливалось только изменением тока возбуждения, то мы получили бы кривую -Е] (рисунок 63), благодаря падению напряжения в цепи якоря получается дальнейшее снижение до кривой Е2 и, наконец, вследствие реакции якоря,- действительное изменение будет происходить по кривой Ея. По мере возрастания нагрузки кривая Ея загибается все сильнее и, наконец, по достижениинекоторой, т. наз. критической силы тока напряжение падает настолько, что его уже недостаточно для самовозбуждения машины, кривая круто загибается, напряжение становится равным нулю, и ток будет поддерживаться только остаточным магнитизмом индуктора. Этот т. наз. ток короткого замыкания обычно меньше тока нормальной нагрузки, хотя в некоторых случаях, например в больших машинах, он может быть и несколько больше I норм. В противоположность шунтовым машинам у генераторов сериес внешняя характеристика при увеличении нагрузки поднимается вверх, т. к. в этих машинах увеличение нагрузки связано е увеличением тока возбуждения. На рисунке 64 кривая Е1 представляет

собой характеристику холостого хода, кривая Е2 учитывает падение напрялсе-ния, а кривая Ея, учитывая еще и реакцию якоря, и является внешней характеристикой. Подъем кривой Ея совершается только до известного предела, т. к. в дальнейшем увеличение потока затрудняется насыщением магнитопровода, а падение напрялсения и реакция якоря продоллсают расти в той же степени. При некотором значении тока внешней нагрузки (ток короткого замыкания) напряжение падает до нуля Ток короткого замыкания в сериесном’ генераторе может в несколько раз превосходить ток нормальной нагрузки и является поэтому опасным для целости обмоток машины. В генераторах компаунд напряжение создается как шун-товой обмоткой (обусловливающей падающую кривую), так и сериесной обмоткой (обусловливающей подъем кривой), поэтому внешняя характеристика

Этой машины молсет иметь различный характер в зависимости от того, действие какой обмотки преобладает. На рисунке 65 показаны две типичных внеш

них характеристики компаундного генератора: с небольшим сериесным действием (кривая Ek), когда напряжение остается почти постоянным независимо от нагрузки, и с сильным сериесным действием (перекомпаундирова-ние), когда напряжение несколько растет с увеличением нагрузки.

М. п. да. как двигатель. Если зажимы м. п. т. присоединить к сети, то якорь ее придет во вращение и смолсет тем самым совершать некоторую механическую работу за счет потребления электрической мощности из сети. Вращающий момент двигателя создается по закону Био-Савара (смотрите теоретические основы электротехники), вследствие взаимодействия между силовыми линиями магнитного поля машины и оживленными током проводниками обмотки якоря. Эта сила взаимодействия, будучи умножена на плечо (радиус якоря), и определяет собой вращающий момент двигателя. Следовательно, М — C1 Ф /я, где Ф — магнитный поток, 1я — сила тока в якоре и (—постоянная величина, зависящая от конструкции машины. При равномерной скорости вращения момент, развиваемый двигателем, доллсен вполне уравновешиваться моментом сопротивления нагрузки; если же момент вращения больше или меньше момента сопротивления, то якорь будет ускорять или замедлять свое вращение, пока не наступит равновесие. Схема включения шунтового двигателя показана на рисунке 66. Здесь Ш— шунтовая обмотка возбуждения, ШР— реостат для регулирования тока возбуждения, Пус. Р— пусковой реостат,

Лол. конт,—холостой контакт пускового реостата. Назначение пускового реостата будет выяснено ниже. На рисунке 67 показана схема включения сериесного двигателя. Если находящийся в покое двигатель сразу присоединить к пол

ному напряжению сети, то в него пойдет ток, определяемый равенством V

/я=-g, где V — напряжение сети, а

R — сопротивление якоря, контакта коллектор-щетки, а в еериесных двигателях еще и обмотки возбуждения. Т. к. сопротивление R весьма мало, то ток /я может оказаться в несколько раз больше тока нормальной нагрузки, что могло бы привести к выгоранию обмоток. При работе двигателя положениеизменяется,т. к., благодаря пересечению проводниками якоря силовых линий поля, в обмотке якоря индуктируется эдс, которая, как легко убедиться, воспользовавшись правилами левой и правой руки, направлена в сторону, противоположную напряжению, вследствие чего ее называют противоэлектродвижущей силой (пэдс). Следовательно, при вращении якоря ток будет равену_Jg

/я= -р—, где Е — пэдс. Т. к. вращающий момент пропорционален силе тока /я, то. очевидно, двигатель будет при нагрузке вращаться с такой скоростью, чтобы пэдс имела величину, ограничивающую ток двигателя до необходимой величины, определяющей нужный момент вращения. Если момент вращения должен увеличиться, то должен увеличиться ток 1Я. а, следовательно (при постоянных V и R), должна уменьшиться пэдс Е, то есть двигатель должен сбавить свою скорость, и наоборот. С целью ограничения тока при пуске двигателя в ход,когда вследствие неподвижности якоря пэдс еще не наводится, необходимо на время пускавклю-чить последовательно с якоремдобавоч-ное сопротивление—пусковой реостат (рисунок 66 и 67), которое по мере разворачивания двигателя постепенно выключается. У пускового реостата устраивают холостой контакт, ставя на который ручку реостата размыкают цепь тока и тем самым останавливают маши -ну. В шунтовых машинах пусковой реостат снабжается еще дополнительной полосой из меди, которая служит для постоянного соединения между сетью и обмоткой возбуждения.Если бы этой полосы не было и обмотка возбуждения присоединялась бы запусковым реостатом, то при включении двигателя ток возбуждения, а, следовательно, и магнитный поток, были бы меньше нормальной величины, и вращающий момент при пуске (пусковой, или начальный момент) был бы сильно снижен. Т. к. пэде определяется, как и у генератора, фор -

V П амулой -Е=— -ц0 N Ф 10 =С2пФ

где С2— постоянная для данной машины 1 Е

величина, то n — -q- -ф-, то есть число оборотов двигателя пропорциональнопэдс и обратно пропорционально магнитному потоку Ф. Выше мы имели V - Е

формулу 1я=—g—, откуда следует,

что Е — V — 1Я В. Тогда для числа оборотов мы можем еще получить выра-1 7-/яйт,

жение п= —ф—. Т. обр., регулирование числа оборотов двигателя можно осуществить уменьшением магнитного потока. Этот способ весьма легко использовать в шунтовом двигателе путем регулирования тока возбуждения с помощью шунтового реостата (рисунок 66). В сериееных двигателях это регулирование можно осуществить по одному из способов, показанных на рисунке 68, то есть включая сопротивление

Рисунок 6S.

или в общую цепь машины (уменьшая силу тока, протекающего через двигатель), или параллельно обмотке возбуждения (уменьшая силу тока возбуждения). Эти способы неэкономичны, т. к. вызывают большие потери энергии в реостате и тем самым уменьшают к. п.д. двигателя. Поэтому, при необходимости регулирования числа оборотов у се-риесных двигателей, их спаривают и включают в сеть либо последовательно (рисунок 69 вверху), либо параллельно (рисунок 69 внизу). Тогда в первом случае к каждому двигателю подводится лишь половина напряжения сети, и число оборотов уменьшается (согласно фор-1 V - 1Я R

мулы п= -ф-) почти вдвое.

Такой способ“ регулирования (иногда не с двумя, а с несколькими двигателями) часто применяется в крановых установках и всегда для трамваев и электрических поездов, где переключение производится е помощью контроллеров.

Характеристики двигателей п. т. Работа двигателей совершается обычно при постоянном напряжении сети, и поэтому нас интересуют здесь гл. обр. зависимости числа оборотов и вращающего момента от нагрузки. У шунтовых двигателей число оборотов с нагрузкой уменьшается мало. Из выражения 1 V — Гя В

п=С, ‘--------ф---следует, что приувеличении 1я числитель уменьшается

сети-

- —о

Рисунок 69.

но знаменатель также уменьшается, т. к реакция якоря ослабляет поток возбуждения. Обычно числитель уменьшается несколько быстрее, и и с нагрузкой несколько падает. В сериееных двигателях с нагрузкой резки возрастает поток Ф. т.-е, знаменатель сильно увеличивается. Уменьшение же числителя относительно невелико, и поэтому здесь число оборотов с нагрузкой падаетвесь-ма резко. Что касается величины вращающего момента М— Сг-1Я Ф, то для шунтовых двигателей, у которых поток весьма мало зависит от нагрузки,можно приблизительно считать Ф=const, и тогда М=C-j Тя, то есть момент про-

14s

норционалев здесь первой степени тока. Для сериесных двигателей, у которых поток приблизительно пропорционален силе тока нагрузки, можно написать М=6У41гя, то есть момент пропорционален здесь квадрату силытока, другими словами—увеличивается с нагрузкой очень резко. Обратим внимание еще на одну особенность сериесного двигателя. Если такой двигатель запустить вхолостую, то через его якорь будет проходить весьма малый ток, т. к. момент сопротивления будет обусловлен только потерями и потребует очень небольшого момента вращения. Т. к. ток якоря одновременно является и током возбуждения, то вызванный им ноток также будет почти равен нулю,

что на основании предыдущей формулы вызовет повышение числа оборотов до недопустимо большого значения, опасного для механической прочности двигателя. Это явление называется разносом. Если по условиям эксплуатации требуется иметь сериееный двигатель, который допускал бы работу вхолостую, то прибегают к устройству небольшой дополнительной шунтовой обмотки (то есть берут компаундный двигатель), которая ограничивала бы число оборотов холостого хода. Здесь обе обмотки создают поток, направленный в одну и ту же сторону. Иногда встречаются двигатели комнаундного типа с встречным соединением обмоток, где потоки шунтовой и сериесной обмоток направлены в разные стороны. Такие двигатели применяются, если желательно сохранить постоянное число оборотов, независимо от нагрузки.

Специальные м. п. т. Мы рассмотрим здесь лишь машины для освещения поездов и для электросварки. Машины для освещения поездов должны давать неизменный ток независимо от скорости движения поезда. Наиболее распространенным типом такой машины является машина Розенберга (рисунок 70). Обмотка полюсов создает поток Ф„ направленный снизу вверх. При вращении якоря этот ноток создает на щетках а —а напряжение, заставляющее протекать по обмотке якоря ток, т. к. щетки а—«замкнуты накоротко. Этот ток создает в свою очередь поперечный поток (поток реак-; ции якоря) Ф3. При пересечении проводниками якоря потока Ф3 создается напряжение на щетках А — А, питающее током внешнюю сеть. Ток внешней нагрузки, проходя через якорь, создает свой поток Ф2,направленный против Ф1. Т. к. махшитное сопротивление поперечному потоку Ф3, благодаря сильно развитым полюсным наконечникам, невелико, то этот поток достигает здесь большой величины. Если так рассчитать машину, чтобы продольный поток Ф1—Ф2 при нормальном режиме составлял бы лишь около 10°/о от потока Ф„ то возрастание рабочего тока будет ограничено, т. к. иначе разность Ф2 сделается настолько малой, что никакой эдс на щетках а—а индуктироваться не будет. Если ток нагрузки по какой-либо причине упадет, то разность Ф1— Ф2 увеличится, что вызовет увеличение напряжениянащетках а—а и возрастание поперечного потока. Последнее обстоятельство, в свою очередь, вызовет увеличение напрялсения на щетках А—А, что снова заставит увеличиться рабочий ток во внешней цепи. Т. обр., несмотря на изменение числа оборотов, сила тока во внешней цепи будет поддерживаться постоянной. При остановке поезда питание сети е помощью особого автомата переходит к батарее аккумуляторов, доказанной на чертеже справа и заряжаемой во время хода поезда.

-121

Эпектричесние машины.

422

В машинах для электросварки необходимо иметь неизменную, в некоторых пределах, силу тока, независимо от величины напряжения на зажимах. Эта задача может быть решена несколькими путями. Ниже описан сварочный аггре-гат американской фирмы Вестингауз. Как видно из рисунка 71, здесь на одном валу сидят три машины: генератор G,

возбудитель В и двигатель А, вращающий весь аггрегат. Генератор G имеет 3 обмотки возбуждения: обмотка питается от возбудителя В, обмотка Щ питается одновременно от возбудителя В и от самого генератора G и, наконец, обмотка 5 питается рабочим током генератора в Последняя обмотка создает поле, направленное противоположно нолю обмотки iVj, то есть обмотка S является противокомпаундной. Обмотка IV] создает полезный поток. Обмотка N2 может обтекаться током в разных направлениях, в зависимости от величины сопротивления вольтовой дуги

О. При разомкнутых электродах дуги (или при нормальной длинедуги)обмот-каN., возбуждается главным образом генератором G и создает поле, направленное в ту же сторону, что и поле N,

V

(стрелка 1). При коротком замыкании дуги В напряжение на щетках генератора в почти падает до нуля, и ток в обмотке iV2 устанавливается возбудителем В в обратном направлении (стрелка 2), и поток генератора G ослабляется. На рисунке 72 показаны внешниехарактеристики при различных возбуждениях, из которых видно, что сила тока, начиная от некоторого напряжения до нуля, остается приблизительно постоянной.

Конструкции э. м. п. т. На рисунке 73 показана м. п. т. фирмы Сименс-Шук-кео-“ 20 квт. п=1.250. Слева и справа

Рисунок 78.

стоят подшипниковые щиты, посередине—корпус, у которого видны главные (широкие) и дополнительные (узкие) полюса. Рядом стоит крышка, прикрывающая зажимы (видны слева на корпусе) На переднем плане слева расположен якорь с обмоткой и коллектором. На якоре слева сидит вентилятор, служащий для продувания воздуха через машину с целью ее охлаждения во время работы. Справа внизу—щеточная траверза с 6 щетками на каждом из 4 пальцев (машина имеет 4 полюса).

На рисунке 74 показан мощный электродвигатель того же завода на 5.000 квт

Рисунок 74.

при 100 об/м„ предназначенный для привода прокатного стана. Диаметрякоря этой машины 1.900 миллиметров, диаметр коллектора 1.450 миллиметров. На рисунке 75 показан щеткодержатель со щеткой размером 32X16 миллиметров. Таких щеткодержателей,

Рио. 75.

как видно из рисунка 73 и 74, на каждый палец насаживается несколько.

Трансформаторы (т-ры). Холостой ход т-ра. На рисунке 76 показан в схематическом виде однофазный т-р, состоящий из замкнутого магнитопровода

(сердечника), изготовляемого во избежание больших потерь на перемагни-чивание из тонких, изолированных друг от друга листов железа, и из двух об.могок, первичной (I) и вторичной (II). Обмотки расположены на боковых частях сердечника, т. наз. стержнях. Верхняя и нижняя части сердечника, не несущие обмотки и служащие лишь для замыкания магнитной цепи, называются ярмами. Предположим, чтовнешние зажимы вторичной обмотки разомкнуты, и подведем к зажимам первичной обмотки напряжение сети. Такой режим работы т-ра называется холостым ходом. Под влиянием приложенного напряжения в первичной обмотке будет проходить ток, который, будучи переменным, создаст в магнитопроводе т-ра переменный магнитный поток. Т. к. магнитное сопротивление т-ра невелико (вследствие отсутствия воздушных промежутков, необходимых во вращающихся машинах), то для создания потока потребуется ток незначительной величины. Пульсирующий поток, будучи сцеплен с витками вызывающей его обмотки, наводит в ней эдс самоиндукции, направленную противоположно приложенному напряжению, т. к. она, как и всякая эдс самоиндукции, стремится препятствовать прохождению тока. Т. к. железо т-ра не обладает все же бесконечно большой магнитной проницаемостью, то часть силовых линий потока (хотя и незначительная) будет замыкаться вокруг обмотки непосредственно (поток Ф8 на рисунке 76), в то время как другая, большая часть (поток Ф) будет проходить исключительно в железе. Магнитная проницаемость воздуха постоянна, и поэтому поток Фа будет пропорционален току первичной обмотки, связь же между потоком Ф и током определяется кривой намагничивания, то есть насыщением железа. Поэтому, целесообразно действие потоков Ф и Фз то есть наведение ими эдс самоиндукции, рассматривать отдельно, то есть предполагать, что в первичной обмотке индуктируются 2 эдс: Et— or „главного потока“ Ф, и эдс рассеяния ElS—от „потока рассеяния“ Ф8. Эдс Еи как известно (смотрите теоретические основы электротехники), определяется формулой Ег=4,44/ю,Ф 10~8. Здесь Et—эффективное значение эдс, f— частота тока, щ—число витков первичной обмотки, Ф—амплитуда потока. По общему правилу, эдс Ег отстает от вызывающего ее потока на угол 90°. Эдс Е1з, вызываемая потоком Ф5, так же как и он пропорционатьна току первичной обмотки. Обозначая этот ток при холостом ходе через /(1, можнонаписать, что Е1а — аз,/,, где ж,—коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости изменения потока (то есть частоты тока) и от коэффициента самоиндукции обмотки, определяющего величину потока Фд. Как известно,

хх — ш 8и где ш—круговая частота токα= 2~f, а 8Х — самоиндуктивноотьрассеяния. Т. к. х,= имеет размерность сопротивления, то его часто называют индуктивным сопротивлением первичной обмотки. Подведенное к первичной обмотке напряжение F, должно уравновесить т. обр. яде Ег и эдс Е1Я. Т. к. при прохождении тока I через первичную обмотку в ней благодаря наличию омического сопротивления возникает падение напряжения 1,Вb то напряжение должно покрыть и эту потерю.

Т. обр. мы приходим к следующей диаграмме т-ра при его холостом ходе (рисунок 77). По горизонтали отложен ток

У, uS,

е,

Рисунок 77

и и в фазе с нимпоток Ф. Эдс Еу отстает от потока на __ угол 90° и поэтому b отложена вниз по вертикали. Составляющая напряжения,уравновешивающая Еи направлена поэтому по вертикали вверх (на диаграмме— 7е,). В ту лее сторону направлена составляющая / ц>& —1 хь уравновешивающая эдс рассеяния E1s. В

фазе с током отложена составляющая напряжения / Bv компенсирующая падение напряжения в первичной обмотке Замыкающая этих трех векторов и дает нам по величине и по фазе напряжение у зажимов первичной обмотки Vj. Т. к. величина омического падения напряжения весьма мала по сравнению с векторами Ех и Els, то угол <р почти равен 90°, то есть / является почти чисто реактивным током. Вторичная обмотка т-ра, как видно изрис. 76, пронизывается главным потоком Ф, благодаря чему в ней также наводится эдс взаимоиндукции. Е„=4,44 /и;2Ф 10~8, где Щ—число витков вторичной обмотки. Ни эдс рассеяния, ни омического падения напряжения во вторичной обмотке нет, т. к. ее зажимы разомкнуты и, следовательно, в ней нет тока и собственного потока. Отношения эдс Е, и Е.2

Е1 _ 4.44/4 Ф L08=3.

Е.2 ~ 4,44/3310

равно отношению чисел витков соответственных обмоток. Благодаря небольшой величине тока 1. а, следовательно, и потока рассеяния и омического падения напряжения, можно считать, что при холостом ходе Е ~ F,. Т. к., кроме того, эдс Е2 является напряжением на зажимах вторичной об- мотки при холостомходе, то есть E2=V->, то

Ei wx__Fi

Е2 ~ w.j ~~ V2 -

Это отношение называется коэффициентом трансформации, или передаточным числом т-ра, и обычно обозначается буквой и. Отметим еще, что до этих пор мы предполагали, что весь ток холостого хода идет исключительно на создание потоков Ф и Фн, тогда как в действительности этот же ток должен покрывать еще и потери в железе (на. гистерезис и токи Фуко). Другими словами, ток холостого хода должен иметь две составляющих—активную, покрывающую потери, и реактивную, создающую поле. Т. к. первая составляющая обычно гораздо меньше второй и, кроме того, они сдвинуты по фазе на 90°, то их результирующая, действительный ток холостого хода 10=—Vh- + hi~ Д В дальнейшем, при построении полной диаграммы при нагрузке это обстоятельство будетучтено.

Нагрузка т-ра. Если вторичные зажимы т-ра замкнуть на какое-либо сопротивление (активное, реактивное или смешанное), то под влиянием эдс Е2 через это сопротивление пойдет ток, и т-р нагрузится, то есть будет отдавать мощность во вторичную цепь. В силу закона сохранения энергии первичная обмотка должна при этом увеличить потребление мощности из первичнойсети, т. к. за вычетом потерь в самом т-ре обе мощности должны быть равны. Если напрязкение V, постоянно, то увеличение потребления мощности может идти лишь за счет увеличения силы тока первичной обмотки. Т. к. разница между F, и Еи обусловленная омическим падением напряжения /, К, и эдс рассеяния Е1α= 7,03! (эту величину мы будем в дальнейшим называть индуктивным падением напряжения) даже при значительной величине /, невелика (всего несколько процентов), то можно приближенно считать эдс Et постоянной, а, следовательно,постоянным и поток Ф, вызывающий эту аде. Другими словами, мде AWm - 1{1 гг, при всех режимах работы долзкна оставаться приблизительно постоянной. Т. к. эта мде доставляется первичной обмоткой, то при увеличении тока /2, то есть мде /2«с2 во вторичной обмотке, в первичной обмотке должен появляться дополнительно такой ток //, чтобы созданная им мде /,гс, была равна и противоположна /2гг2. Таким образом, полную мде первичной обмотки

/,«), можно представить себесостоящей из геометрической суммымдеил /гг, и /,гг,=—/2гг2, то есть /,гг, =

~ /ц гг, — Лиг, или /ц w,=/,го, /2гя2.

Другими словами, мде холостого хода должна быть равна геометрической сумме первичной и вторичной мде. Сказанное иллюстрирует диаграмма мде, показанная на рисунке 78. Т. к. при нормальной работе т-ра и>, невелико по сравнению с l,w1 и 4«’2, то, полагая приближенно /,«>, г. можно написать

/, »;2 __ 1

/2 ~ ll>i ~ и

Если бы первичные и вторичные витки были одинаковы (гг,=гг2), то диаграмма мде являлась бы одновременно диаг

раммой токов. Кроме того, эдс /S, и 77, выражались бы на диаграмме напряжений отрезками одинаковой длины. При этом как начертание диаграммы, так и ее анализ значительно бы упростились. Поэтому в действительных условиях, когда гг, Ц=гг2, прибегают к помощи т. наз. приведенных величин Если разделить все мде на диаграмме рисунок 78 на гг, то мы получим диаграммугг,

трех токов:/, /ц и /, =12. Величина /.,

W]

называется приведенным током вторичной обмотки. Величину приведенной эдс вторичной обмотки 7/ мы найдем из условия равенства вторичных мощностей действительного и приведенного трансформатора Е212=Е2 1/

откуда Ег/=77,77 или, так как,“,

9 9

м;.>

то by=J»2 --- Т. к., кроме того,.#2 — =

IV о wo

= £j, то Т,у=77,. Приведенные вторичные сопротивления получаются, какг-=(Л и ж/=ж2 gg, т. к. сопротивление определяется отношением гг, гг, /гг, V-напряжения к току, а — :

Вводя во вторичную цепь приведенные величины вместо действительных, мы, не нарушая условий работы, значительно упрощаем все исследования. При прохождении тока во вторичной обмотке в ней также возникает омическое падение напряжения I2R2 (или /2Те2) и эдс рассеяния Е2α= h a>S2 =-= I.jx2 (или Е2 s=/2аз2), вызываемая полем рассеяния вторичной обмотки и проявляющаяся в виде индуктивного падения напряжения. Вычитая из Е2 величины /2ж2 и /2/е2, мы получаем вторичное напряжение т-ра V2. В действительности явление рассеяния протекает в т-ре несколько сложнее, и в некоторые моменты времени оба потока рассеяния, вторичный и первичный, создаются лишь одной обмоткой, но при построении диаграмм и исследовании работы т-ра результаты остаются совершенно одинаковыми и при той, и при другой картине рассеяния, т. к. нам важны не самые потоки рассеяния, а те индуктивные падения напряжения, которые ими вызываются.