Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Н. — Но это уже ужасно! В двигателе не будет никакого тока, и он перестанет вращаться… Но если он перестанет вращаться, исчезнет противо-э. д. с. и он опять начнет вращаться… Я чувствую, что схожу с ума!

Л. — Не нервничай, Незнайкин, все это намного проще. Представь себе, что я подаю на двигатель некоторое напряжение, в результате по виткам якоря потечет ток, частота вращения будет нарастать. По мере увеличения частоты вращения повышается и противо-э. д. с. Через некоторое время наступает момент, когда она станет достаточно близкой к приложенному напряжению, в результате чего разность между этими двумя напряжениями пропустит в двигатель относительно небольшой ток. Этого тока будет достаточно только для поддержания вращения: полученная механическая энергия целиком уйдет на преодоление силы трения. Теперь заставим двигатель выполнять работу и для этого подключим к нему какую-нибудь нагрузку. Движение двигателя несколько замедлится, что вызовет уменьшение противо-э. д. с., которая перестанет (в такой мере, как раньше) уравновешивать приложенное к двигателю напряжение, благодаря чему ток в двигателе возрастет и даст ему достаточную механическую энергию, чтобы справиться с увеличившейся нагрузкой.

Н. — Это, кажется, я понял. Но мне хотелось бы получить некоторые разъяснения относительно понятий силы торможения и частоты вращения.

Л. — Все это исключительно просто. Если ты силой остановишь якорь двигателя, то его желание вращаться (которое называют крутящим моментом; определение я дам тебе несколько позднее) будет пропорционально величине поступающего в якорь тока. Увеличь вдвое ток, и тем самым ты удвоишь желание двигателя вращаться. Для большей правильности выражений говорят о крутящем моменте двигателя. Этот момент характеризуется весом, который может поднять двигатель, когда этот вес привязан к шнуру, намотанному на укрепленный на оси барабан.

Радиус барабана имеет в этом случае определенную величину. Так, например, мы можем сказать, что крутящий момент двигателя при токе 1 а в его якоре 0,3 кг·см, если этот двигатель при токе в якоре не менее 1 а, способен оторвать от пола груз массой в 0,3 кг, привязанный к шнуру, намотанному на барабан радиусом 1 см, который укреплен на оси двигателя.

Н. — О! Это страшно сложно. Но зачем понадобилось здесь указывать диаметр барабана?

Л. — Да потому, что если я намотаю шнур на барабан очень малого диаметра, то даже двигатель малой мощности сможет поднять значительный груз, только поднимать он будет очень медленно, так как за каждый оборот будет выбирать совсем короткий кусочек шнура. И наоборот, значительно более почетно поднять такой же груз при большем диаметре барабана, потому что при такой же частоте вращения двигателя груз поднимается намного быстрее.

Н. — Судя по твоим объяснениям, протекающий по двигателю ток позволяет определить его желание вращаться (или, как ты говоришь, его крутящий момент, но я пока еще остерегаюсь употреблять этот термин, который остается для меня довольно таинственным).

Л. — Ты правильно понял, а теперь нам предстоит познакомиться еще с одним понятием — со скоростью двигателя для данного напряжения. Предположим, что двигатель полностью освобожден от трения, тогда противо-э. д. с. строго соответствует прилагаемому напряжению. Иначе говоря, когда ты прикладываешь к якорю двигателя напряжение 10 в, он приходит в движение и разгоняется до такой скорости, на которой двигатель в случае его использования в качестве динамомашины дал бы напряжение 10 в. В этот момент протекающий по якорю ток почти равен нулю. Впрочем, это вполне логично, раз от двигателя не требуют никакого крутящего момента, ему достаточно лишь поддерживать установившееся при этом вращение своего якоря.

На самом же деле эти рассуждения справедливы только для двигателя на холостом ходу (т. е. не выполняющего никакой внешней работы) или для случая, когда обмотка якоря имеет очень низкое сопротивление.

Н. — Я начинаю понимать. Ноты неоднократно подчеркивал, что все рассказанное тобой относится к двигателю постоянного тока, и я надеюсь, что теперь ты перейдешь к более современным устройствам, а именно к двигателям переменного тока.

Л. — Я действительно собираюсь рассказать тебе о двигателях переменного тока, но, пожалуйста, не думай, что они более совершенные. Они имеют свои преимущества и свои недостатки, но если требуется большой крутящий момент в начале пуска и способность хорошо приспосабливаться к изменяющимся условиям работы, лучшем несомненно окажется двигатель постоянного тока.

Но прежде чем рассказать тебе о двигателях, сконструированных специально для переменного тока, я задам тебе один вопрос; что произойдет, если включить в цепь переменного тока двигатель, якорь и коллектор которого рассчитаны на постоянный ток?

Н. — Я полагаю, что это ему совсем не понравится!

Л. — Я спрашиваю тебя не о его настроении, а о физических явлениях, которые могут произойти в двигателе.

Н. — Я думаю, что он начнет вибрировать, вращаясь чуть-чуть то в одну, то в другую сторону… до тех пор, пока вконец не испортится.

Л. — Ты прав, если мы возьмем двигатель, у которого статором служит постоянный магнит. У таких двигателей направление вращения действительно изменяется при изменении направления, протекающего по якорю тока. Совершенно другая картина получится, если мы возьмем двигатель, статор которого представляет собой электромагнит, а его катушка включена последовательно с обмоткой якоря, как это очень часто делают (рис. 98); при изменении направления тока произойдет перемагничивание электромагнита. В этих условиях при любом направлении тока, протекающего в обмотке якоря и соединенной с нею последовательно обмотке статора, двигатель всегда будет вращаться в одну сторону.

Рис. 98 В универсальном двигателе последовательного возбуждения обмотка статора включается последовательно с обмоткой якоря.

Н. — Ты очень неудачно шутишь. Так ты утверждаешь, что изменить направление движения такого двигателя невозможно?

Л. — Можно и несложно. Для этого нужно изменить направление тока в якоре и оставить без изменения направление тока в статоре. Достаточно переключить выводы электромагнита статора или якоря, и двигатель изменит направление вращения. Но если одновременно изменить направление тока и в якоре и в статоре, то направление вращения двигателя останется прежним. Поэтому, если такой двигатель питать переменным током, он всегда будет вращаться в одну сторону. Должен сказать, что это получило широкое распространение, и поэтому двигатель, в котором возбуждение статора осуществляется током, прошедшим через якорь, называется универсальным двигателем. Такой двигатель работает от постоянного тока, работает и от переменного, хотя и не так хорошо.

Н. — Почему не так хорошо? Он считает, что его обидели?

Л. — Незнайкин, где твоя серьезность? Если он не так хорошо работает на переменном токе, то причина заключается просто в том, что переменный ток часто сам себя подавляет, а при небольшом значении он сообщает двигателю малый крутящий момент. Кроме того, наш двигатель обладает некоторой самоиндукцией, препятствующей прохождению переменного тока по обмоткам. А теперь мы рассмотрим принципиально иной двигатель, рассчитанный для работы только от переменного тока и успешно применяющийся в самых различных условиях, я имею в виду двухфазный двигатель. Посмотрим на рис. 99. Я взял электромагнит, аналогичный обычному статору классического двигателя, и пустил в его обмотку переменный ток. Какое магнитное поле образуется между полюсными сердечниками?

Рис. 99. Протекающий по обмоткам переменный ток создает переменное магнитное поле.

Н. — Сначала скажи, правильно ли я понял, что полюсными сердечниками ты называешь выступы, на которые надета обмотка?

Л. — Совершенно верно, они снабжены полюсными башмаками, почти вплотную подходящими к якорю, но вернемся к моему вопросу.

Н. — Я полагаю, что магнитное поле пойдет от одного полюсного сердечника к другому. Сначала по мере повышения тока оно будет увеличиваться, потом снизится до нуля, после чего опять начнет увеличиваться в обратном направлении.