Александр Китайгородский - Физика для всех. Книга 3. Электроны

Асинхронные двигатели охватывают большой диапазон мощности — от долей ватта до сотен киловатт. Существуют и более мощные асинхронные двигатели — до 6000 кВт на напряжение 6000 В.

Асинхронные микромашины применяются в устройствах автоматики в качестве исполнительных двигателей для преобразования подводимого к ним электрического сигнала в механическое перемещение вала, а также в качестве тахогенераторов, преобразующих вращение в электрический сигнал.

Электродвигателями могут быть и рассмотренные ранее синхронные машины, и машины постоянного тока. Это следует из очевидного принципа обратимости электрической машины, который заключается в том, что любая электрическая машина может работать и генератором, и двигателем.

Например, в состав Киевского гидроузла на Днепре входит гидроаккумулирующая станция, оборудованная обратимыми агрегатами, которые могут работать и как насосы, и как турбины. При избытке электроэнергии в энергосистеме насосы-турбины поднимают воду в аккумулирующий бассейн. В этом случае входящая в агрегат синхронная машина работает двигателем. При максимальном потреблении электроэнергии агрегат «срабатывает» накопленную воду.

На металлургических заводах, шахтах, холодильниках синхронные двигатели приводят в движение насосы, компрессоры, вентиляторы и другие механизмы, работающие с неизменной скоростью. В автоматических устройствах широко применяются синхронные микродвигатели мощностью от долей ватта до нескольких сотен ватт. Так как частота вращения этих двигателей жестко связана с частотой питающей сети, то они используются там, где требуется поддерживать постоянную скорость вращения, — в электрических часовых механизмах, лентопротяжных механизмах самопишущих приборов и киноустановок, в радиоаппаратуре, программных устройствах, а также в системах синхронной связи, где скорость вращения механизмов управляется изменением частоты питающего напряжения.

По своему принципиальному устройству двигатель постоянного тока ничем не отличается от генератора постоянного тока. Машина имеет неподвижную систему полюсов, обмотка возбуждения которых тем или иным способом соединена с обмоткой якоря (последовательно или параллельно). Машина может возбуждаться и от независимого источника питания. Якорь имеет распределенную в пазах обмотку, которая подключается к источнику постоянного тока. Двигатель, так же как и генератор, имеет коллектор, назначение которого состоит в том, что он «выпрямляет» вращающий момент, т. е. заставляет машину длительно вращаться в одну сторону.

Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением особенно пригоден для электрической тяги, для кранов и подъемников. В этих случаях требуется, чтобы при больших нагрузках частота вращения резко падала, а тяга значительно увеличивалась. Такими свойствами и обладает двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением.

Первые опыты неавтономной электрической тяги в России были произведены Федором Аполлоновичем Пироцким (1845–1898). Еще в 1876 г. он приспособил для передачи электроэнергии обычный железнодорожный рельсовый путь, а в августе 1880 г. осуществил пуск электрического трамвая на опытной линии в районе Рождественского парка конной железной дороги в Петербурге. В качестве первого трамвайного электровагона был взят двухъярусный вагон конной железной дороги, к кузову которого был подвешен электродвигатель.

Первый трамвай в России — киевский — был открыт для общего пользования в 1892 г. Питание его электродвигателя осуществлялось от верхнего контактного провода. Причем строительная комиссия примирилась с трамваем лишь после того, как в результате подсчетов убедилась в техническом преимуществе электрической тяги перед конной в условиях тяжелого профиля киевских улиц, оказавшегося не под силу ни конной, ни паровой тяге.

Первые опыты по «электронавигации» были проведены Борисом Семеновичем Якоби (1801–1874), который в 1838 г. демонстрировал на Неве электрический бот, вмещавший четырнадцать человек. Он приводился в движение электродвигателем мощностью 550 ватт. Для питания этого двигателя Якоби использовал 320 гальванических батарей. Это было первое в истории применение электродвигателя для целей тяги.

За последние годы в печати стало появляться слово «турбоэлектроход». Смысл этого названия выясняется просто: на таком корабле пар приводит в движение мощные генераторы постоянного тока, а винты размещаются на валах электромоторов. Не лишнее ли это усложнение? Почему бы не поместить винт прямо на вал турбины?

Дело в том, что паровая турбина развивает максимальную мощность лишь при строго определенных оборотах. Мощные турбины делают 3000 оборотов в минуту. При замедлении вращения мощность падает. Если бы винты находились прямо на валу турбин, то корабль, снабженный такой силовой установкой, обладал бы неважными ходовыми качествами. Электрический же двигатель постоянного тока имеет идеальную тяговую характеристику: чем больше силы сопротивления, тем большее тяговое усилие он развивает, причем такой мотор может отдавать большую мощность при малых оборотах, в момент трогания с места.

Таким образом, генератор и двигатель постоянного тока, стоящие между турбиной и винтом турбоэлектрохода, играют роль бесступенчатой автоматической коробки передач, обладающей высоким совершенством. Может показаться, что такая система несколько громоздка, но при больших мощностях современных турбоэлектроходов любая другая была бы столь же объемистой, но менее надежной.

Значительно усовершенствовать силовую установку турбоэлектрохода можно иначе: весьма выгодно заменить громоздкие паровые котлы атомным реактором. При этом достигается огромная экономия на объеме топлива, которое приходится брать в рейс. Мировую известность получил первый советский атомный ледокол «Ленин». Ядерная силовая установка этого турбоэлектрохода обеспечивает автономность плавания более года.

Двигатели постоянного тока установлены на магистральных электровозах, пригородных электропоездах, трамвайных вагонах и троллейбусах. Энергия для их питания поступает от стационарных электрических станций. Для электрической тяги в СССР применяется постоянный ток и однофазный переменный ток промышленной частоты 50 Гц. На тяговых подстанциях трамвая, троллейбуса и метрополитена широкое применение получили кремниевые выпрямители. В случае железнодорожного транспорта выпрямление тока может происходить как на подстанциях, так и на самих электропоездах.

К пятидесятым годам прошлого века накопилось много сведений об электричестве и магнетизме. Однако они представлялись разрозненными, иногда противоречивыми, и во всяком случае не укладывались в одну стройную схему.