анки или электропоезда. И, конечно, электропривод — это и сами электродвигатели, которых существует огромное разнообразие, как по мощности (от милливатт до нескольких тысяч киловатт), так и по способу электропитания и принципу действия.
Особо часто используется неприхотливый, сравнительно простой и с хорошими рабочими характеристиками трёхфазный асинхронный двигатель. В его статоре расположены три обмотки, создающие вращающееся магнитное поле. В случае если двигатель предназначен для однофазной сети (это то, что приходит в вашу квартиру, — квартирная сеть получает напряжение с одной фазы трёхфазного генератора), на помощь обмоткам статора приходит конденсатор. Он создаёт сдвиг фаз, то есть фактически создаёт второе, сдвинутое по фазе, напряжение, которое вместе с основным напряжением подводится к сдвинутым по окружности двум обмоткам статора, и вместе («вдвоём») они формируют вращающееся магнитное поле. У асинхронного двигателя небольшой мощности, примерно до 2 кВт, ротор, как правило, короткозамкнутый — в роторе расположены довольно толстые медные или алюминиевые проводники, торцы которых замкнуты кольцами (Р-94.3). Вся эта токопроводящая конструкция напоминает беличье колесо — круглую клетку, внутри которой белка, пытаясь бежать, перебирает лапками поперечные стержни и вращает таким образом клетку-колесо. В трёхфазном двигателе ток статорной обмотки наводит ток в короткозамкнутой обмотке ротора, этот роторный ток создаёт своё магнитное поле, и оно, схваченное вращающимся полем статора (Т-8), вращается вместе с ним, то есть заставляет вращаться ротор.
В мощных асинхронных двигателях обмотка статора нередко более сложная, она выводится на три контактных кольца и через них выходит во внешний мир. Это позволяет подключить к роторной обмотке реостаты и с их помощью менять в ней ток. В частности, его уменьшают в момент пуска, когда ток становится очень большим, и из-за этого асинхронный двигатель, который работает в режиме частых остановок и пусков, перегревается и может быстро выйти из строя. В маломощном двигателе такой проблемы нет, он быстро набирает обороты, и ток снижается до расчётной величины. Реостаты позволяют в некоторой степени менять характеристики двигателя, в частности, скольжение (а значит, и число оборотов), при котором у двигателя максимальный крутящий момент.
Как работает синхронный двигатель, проще всего понять на двухполюсном его варианте, который, как обратимая машина, в принципе не отличается от такого же синхронного генератора. У маломощного синхронного двигателя ротор — обычный постоянный магнит. Если раскрутить ротор, так чтобы он вращался с частотой питающего переменного тока, то он всегда будет втягиваться в магнитное поле обмоток статора — сменится направление тока в обмотке, а к ней уже подходит другой полюс постоянного магнита. Главное неудобство именно в этом «если раскрутить»: синхронный двигатель, в отличие от асинхронного, сам с места не трогается, его ротор действительно нужно предварительно раскрутить до определённых оборотов, его, как принято говорить, нужно ввести в синхронизм. Зато после этого синхронный двигатель с довольно высокой точностью держит обороты даже при изменении механической нагрузки на валу (у асинхронного двигателя при увеличении нагрузки обороты могут снижаться на 10–15 %)
Р-94. ТРЁХФАЗНЫЙ ТОК ДВИГАЕТ ПО КРУГУ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СТАТОРА, ОНО ВРАЩАЕТ РОТОР И С НИМ РАБОЧУЮ ОСЬ ДВИГАТЕЛЯ. Основа этого двигателя — вращающееся магнитное поле. Его легко создать, имея трёхфазный генератор переменного ток и разместив в статоре двигателя три катушки на равном расстоянии одна от другой (1), — любая катушка отдалена от соседней на угол 120 градусов. Теперь подадим на эти катушки двигателя трехфазное напряжение с генератора — на катушку обозначенную φ1 подадим первую фазу, на φ2 — вторую и на φ3 третью. В этих катушках будет поочередно появляться ток, созданный генератором и 50 раз в секунду (в нашем опыте соблюдаются государственные стандарты) он будет создавать очередной виток вращающегося магнитного поля. Расположив в центре свободно вращающийся постоянный магнит, мы увидим, что он, судя по всему, вращается вместе с этим полем. То же самое произойдет, если заменить магнит электромагнитом — короткозамкнутой катушкой, ток в которой наводят электромагниты статора (2). Нам остаётся добавить, что ротор (электромагнит) не может вращаться точно с той же скоростью, что и магнитное поле так как при этом охватывающее ротор поле не будет меняться и в его обмотке ток не наведется. Поэтому скорость вращения ротора (электромагнита) автоматически устанавливается меньшей, чем скорость вращающегося магнитного поля, а сконструированный нами двигатель называют асинхронным. Приставка а- в данном случае является отрицанием (как, например, в слове «аполитичный» — оторвавшийся от политической жизни), и название «асинхронный» означает «не синхронный».
Синхронный двигатель держит обороты до последнего, если ему слишком трудно, то он просто останавливается. А запускают его на холостом ходу, без нагрузки, с помощью другого небольшого двигателя. Или используют синхронный двигатель с асинхронным пуском — в нём есть дополнительные обмотки, которые на время пуска превращают двигатель в асинхронный, а затем отключаются, когда ротор входит в синхронизм.
Выше уже говорилось о сложности, совершенстве и непростом характере электрических машин (Т-8), в полной мере это относится к двигателям. Такой, например, интересный факт: асинхронный двигатель в принципе не может войти в синхронизм. Если его ротор будет вращаться с той же скоростью, что и магнитное поле статора, то это поле не будет пересекать роторные витки, в них не наведётся ток, не возникнет магнитное поле ротора и он не будет вращаться. Поэтому ротор вращается чуть медленнее, чем магнитное поле статора, и это проскальзывание (официальный термин — скольжение) несколько возрастает с ростом нагрузки на валу.
Кстати, у трёхфазного асинхронного двигателя легко поменять направление вращения — достаточно поменять местами сетевые провода, подключённые к двум фазовым обмоткам.
Любой двигатель можно рассматривать как индуктивное сопротивление XL его обмоток и подключённое параллельно ему активное сопротивление Rн, которое отображает реальную, активную работу, выполняемую двигателем. С увеличением механической нагрузки на валу такое условное активное сопротивление Rн уменьшается, ток растёт, и это хорошо — увеличивается косинус фи (Р-83). Однако большое промышленное предприятие, на котором работает много асинхронных двигателей, для электростанции не очень приятный потребитель — у него велика общая индуктивная составляющая нагрузки. Она, как известно, полезного дела не делает, а ток по цепи гоняет (Т-8) и потери в линиях передачи увеличивает (Р-83).
И вот тут на помощь приходят синхронные двигатели — при определённом режиме в них создаётся такой же сдвиг фаз между током и напряжением, какой наблюдается у конденсатора. Это ёмкостное сопротивление синхронных двигателей действует против индуктивного сопротивления асинхронных двигателей и повышает косинус фи. Поэтому на производстве синхронные двигатели стараются использовать везде, где это возможно.
ВК-222.Зная частоту f переменного тока в антенне в герцах и скорость света с = 300 000 000 метров в секунду, легко подсчитать длину волны в метрах. Для упрощения расчётов можно взять частоту в килогерцах и считать, что с = 300 000 километров в секунду. Во всех случаях длина волны получится в метрах. Если бы у нас был прибор, измеряющий мощность электромагнитной волны, и если бы мы могли двигаться рядом с этой волной с её же скоростью, то, возможно, удалось бы измерить длину волны.
Р-95. СОЛНЕЧНЫЙ ЛУЧ ПЛЮС ПАРОВАЯ ТУРБИНА. Есть цифра, которая воодушевляет тех, кто занимается солнечной энергетикой — использованием солнечного тепла. Цифра эта называется солнечная постоянная, и называет она мощность излучения, которое приходит от Солнца в район Земли (расстояние 150 миллионов километров) на площадку размером 1 м2 (квадратный метр), перпендикулярную солнечным лучам. Солнечная постоянная равна 1367 Вт/м2 — почти полтора киловатта на квадратный метр. Конечно, на самой Земле только в полдень и только в экваториальных районах можно получить близкую солнечную мощность. А если учесть все виды потерь и непременный ночной перерыв, то окажется, что в среднем мы получаем почти в четыре раза меньше — 340 Вт/м2.
В разных странах, особенно в США, Испании, Израиле, Португалии, в том числе и далеко от экватора, например в Германии, строят солнечные электростанции разного типа, но в основном экспериментальные, поисковые. В их числе несколько станций, где большое количество управляемых автоматами зеркал направляют солнечную энергию на своего рода паровой котёл, и он в итоге снабжает паром турбину с электрогенератором. Сегодня это реально работающая схема, и её повторили уже в нескольких странах. Но специалисты как реальность ближайших лет обдумывают и разрабатывают солнечные аэростатные электростанции, передающие энергию на Землю по кабелю, и мощные орбитальные станции, передающие на Землю энергию острым лучом радиоволн.
Особенность одного из вариантов двигателей постоянного тока определила путь развития всего электрического транспорта, а именно то, что для него используется не переменный, а постоянный ток. Двигатель постоянного тока — это статор с постоянными магнитами или электромагнитами и ротор, к которому через коллектор подводится постоянное напряжение. Оно же питает электромагниты статора в двигателях средней и большой мощности, причём обмотки электромагнитов, или, иначе, обмотки возбуждения, могут подключаться параллельно ротору или последовательно с ним.
Этот последний вариант даёт замечательный результат: при большой нагрузке обороты ротора минимальные, а крутящий момент двигателя максимальный. С уменьшением нагрузки крутящий момент уменьшается, а обороты нарастают. Именно такой режим и нужен любой транспортной машине. В автомобиле, например, для того чтобы получить такой режим, вводится коробка перемены скоростей. Машина трогается с места или поднимается в гору на первой, на самой низшей скорости — колёса вращаются медленно, но с большой силой. Когда же автомобиль уже разогнался, колёса надо крутит