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

Л. — Совершенно верно, а теперь мы введем вторую обмотку и усложним картину. Как ты видишь на рис. 100, это вторая обмотка стремится создать магнитное поле, направленное перпендикулярно первому. Я посылаю во вторую обмотку переменный ток такой же частоты, как и в первую, но запаздывающий относительно него на четверть периода (сдвиг по фазе на 90°).

Рис. 100. С помощью двух пар катушек, по которым протекает сдвинутый по фазе переменный ток, можно создать вращающееся магнитное поле. Помещенный в это поле магнит вращается со скоростью вращения самого поля. На таком принципе устроен синхронный двигатель. Замкнув накоротко витки обмотки якоря, получают асинхронный двигатель.

Н. — Начало не предвещает ничего хорошего! Как только речь заходит о фазах, все сразу становится дьявольски сложно.

Л. — Не так уж страшно, если ты будешь внимательным. Ток I2, который я посылаю в обмотку 2 (рис. 101), отстает на четверть периода от тока I1, протекающего по обмотке 1. Иначе говоря, ток в обмотке 2 равен нулю, когда ток в обмотке 1 достигает максимума. В момент, когда он в свою очередь достигает положительного максимума, ток в обмотке 1, пройдя положительный полупериод, падает до нуля. В этих условиях магнитное поле ведет себя совершенно особым образом. Сначала, когда ток в обмотке 1 имеет максимальное положительное значение, магнитное поле направлено слева направо. Ток в обмотке 1 снижается, и одновременно увеличивается ток в обмотке 2. В этих условиях появляется вертикальное поле, направленное снизу вверх, которое нарастает по мере уменьшения горизонтального поля, ориентированного слева направо.

В конце четверти периода существует только поле, направленное снизу вверх, и оно сразу же начинает убывать, потому что в этот момент начинает снижаться ток, протекающий по обмотке 2. В этот же момент в обмотке 1 вновь появляется ток, но он течет в направлении, обратном первоначальному, что обычно обозначается знаком минус. Этот ток порождает небольшое магнитное поле, идущее налево. Некоторое время спустя, когда ток, протекая в обмотке 1 в противоположном направлении, достигает максимального значения (в обмотке 2 ток равен нулю), существует только поле, направленное налево, и оно достигает максимума. Протекающий по обмотке 1 отрицательный ток уменьшается (по абсолютному значению), а в это время в обмотке 2 появляется отрицательный ток, дающий нам вертикальное магнитное поле, которое на этот раз направлено сверху вниз.

Когда ток в обмотке 1 вновь станет равным нулю, в нашем статоре останется только поле, направленное сверху вниз. В этот момент ток в обмотке 2 начнет уменьшаться по абсолютному значению, а в обмотке 1 появится положительный ток, порождающий магнитное поле, направленное слева направо. На самом же деле создаваемые обмотками 1 и 2 магнитные поля в каждый момент складываются и образуют единое магнитное поле, которое в общем случае наклонено относительно осей 1 и 2 и приближается к вертикали, если протекающий в обмотке 2 ток значительно больше тока, протекающего по обмотке 1, и наоборот.

Рис. 101. Токи, возбуждающие две обмотки двухфазного двигателя, сдвинуты по фазе на 90° относительно друг друга; максимальное значение одного соответствует нулевому значению другого.

Н. — Это действительно ужасно сложно. Но я, кажется, понял, что там происходит исключительно странное явление: — магнитное поле как бы вращается.

Л. — Не кажется, а на самом деле вращается. Описанным способом мы создали так называемое вращающееся магнитное поле.

Введи в это поле постоянный магнит, и он будет стремиться вращаться, в каждый момент следуя за перемещающимся полем, причем он будет вращаться с такой же скоростью, что и поле. Таким образом, мы создали двигатель, который называют синхронным.

Н. — Просто чудесный двигатель. Он обходится без коллектора: вращающимся элементом служит простой магнит. Да это рекорд простоты. И сверх того он вращается со строго известной частотой.

Л. — Разумеется, он обладает серьезными достоинствами. Но я должен тебе сказать, что он имеет и не меньшее количество недостатков. Он может вращаться только с частотой вращения магнитного поля. Если его заставляют выполнять чрезмерную работу, он уже не может выдержать свою частоту вращения и, как говорят, выпадает из синхронизма и немедленно останавливается. Для нового запуска его иногда приходится раскручивать какой-либо механической системой до хорошей скорости, на которой он может войти в синхронизм. Поэтому я советую использовать этот двигатель в основном в тех случаях, где требуется строго известная частота вращения, например, для приведения в движение стрелок больших часов устройством, стабилизированным от кварцевого генератора. В более обычных случаях я настоятельно рекомендую чаще использовать асинхронный двигатель.

Л. — Предположим, что в пространство между полюсными сердечниками с рис. 100 я поместил непрерывный ряд накоротко замкнутых витков из медного провода. Что произойдет?

Н. — Вероятно, ничего.

Л. — Ошибаешься. Разве ты забыл, что представляет собой явление индукции?

Н. — Не забыл, но это мало что изменяет. Твое вращающееся поле, разумеется, будет изменять магнитный поток в витках, в результате чего возникнут токи, но все это создаст лишь колоссальную неразбериху.

Л. — Совсем нет! Вспомни еще раз о противоречивом характере индукции. Возникающие вследствие воздействия наведенных напряжений токи будут воздействовать на поле, в результате чего появятся силы, которые попытаются привести витки в движение. Механические силы попытаются вращать все эти витки с частотой вращения магнитного поля. В результате магнитное поле станет неподвижным относительно витков и перестанет наводить в них ток. Происходит то, что обычно стремятся сделать магнитные силы, оказывая противодействие изменению породивших их потоков.

Н. — Теперь все представляется мне более или менее понятным. Но я не вижу, чтобы тебе удалось много выиграть по сравнению с синхронным двигателем. Все же значительно проще сделать якорь из простого магнита, чем из такого множества короткозамкнутых витков.

Л. — Прежде всего совсем не проще. Кроме того, новый двигатель обладает весьма существенным преимуществом: он запускается без посторонней помощи. При неподвижном якоре он не дает такого значительного крутящего момента, как двигатель постоянного тока, но тем не менее он способен прийти в движение без пусковых устройств. И затем, если мы попытаемся заставить его выполнить слишком большую работу, он не остановится, просто его якорь начнет вращаться медленнее магнитного поля и в витках появится наведенный ток. Двигатель будет вращаться со скоростью, близкой к скорости магнитного поля, и скольжение (сдвиг) относительно этой скорости будет тем больше, чем большую работу мы заставим его выполнять. Следовательно, это намного более гибкий в применении двигатель.

Н. — Я думаю, что двигатель такого типа устанавливают в пылесосах, электрических кофейных мельницах…

Л. — В таких машинах, где требуется большая частота вращения, чаще всего устанавливают двигатели универсального типа с коллектором и щетками. Видишь ли, Незнайкин, асинхронный двигатель не может вращаться быстрее магнитного поля, и, следовательно, при обычном переменном токе она дает нам не более 50 оборотов в секунду.

Н. — Но и это представляется мне уже великолепным результатом.

Л. — Но, по мнению специалистов, этого недостаточно для нормальной работы электрической кофейной мельницы, частота вращения которой должна быть по крайней мере в 3 раза выше (150 оборотов в секунду, или 9000 оборотов в минуту). Вот почему на такие машинки ставят универсальные двигатели. И, наоборот, в тех случаях, когда требуется значительная мощность и определенные удобства в работе, широко используются асинхронные двигатели. В частности, такой двигатель почти всегда приводит в действие стиральную машину. Мы же ограничимся использованием его в устройствах, именуемых сервомеханизмами, о которых нам еще предстоит поговорить. А сейчас мы коротко рассмотрим, каким образом подают ток в двигатели постоянного тока и в асинхронные двигатели.