10.5. РАБОЧИЙ РЕЖИМ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Чем больше магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, чем больше скорость вращения якоря и чем больше проводов в обмотке якоря включено последовательно, тем выше будет напряжение на зажимах генератора.

Меняя ток возбуждения и скорость вращения машины, мы можем тем самым регулировать ее напряжение. Если машина не нагружена, т. е. если в обмотке якоря нет тока, мощность, затрачиваемая на ее вращение, определяется почти исключительно теми незначительными, но неизбежными потерями мощности, которые вызываются трением. Но присоединим к щеткам машины какую-либо нагрузку — в обмотке якоря возникает ток, этот ток будет взаимодействовать с магнитным полем полюсов, препятствуя вращению якоря. Чем больше будет ток, тем большее усилие нужно прилагать для того, чтобы поддерживать вращение машины, иначе говоря, тем большую механическую мощность нужно затрачивать.

Это понятно: чем больше ток, тем больше мощность, отдаваемая машиной во внешнюю цепь (при неизменном напряжении).

Разберемся в этих вопросах несколько подробнее. Предположим, что ток в обмотке возбуждения не меняется и, следовательно, не меняется магнитный поток. При этом условии ЭДС якоря будет зависеть лишь от скорости. В неподвижном якоре она будет равна нулю, в медленно вращающемся якоре она будет мала, с увеличением скорости она будет возрастать. По закону электромагнитной индукции наводимая ЭДС тем больше, чем больше скорость изменения магнитного потока. Если увеличить скорость якоря вдвое, то вдвое возрастет ЭДС. Иными словами, отношение ЭДС якоря к его скорости есть величина постоянная, т. е.

где Е — ЭДС якоря и Q — угловая скорость якоря.

Теперь предположим, что якорь вращается с какой-то постоянной скоростью, и будем менять ток возбуждения, а вместе с ним и магнитный поток.

Этим меняется скорость изменения магнитного потока. Вспомним, что за четверть оборота двухполюсной машины поток изменяется от нуля до своего наибольшего значения. Среднюю скорость изменения потока мы получим, разделив наибольшее значение потока на время, соответствующее четверти периода. Тут же напомним, что значение наводимой ЭДС равно скорости изменения потока. В итоге получается, что при постоянстве скорости ЭДС якоря пропорциональна магнитному потоку, т. е.

Что же произойдет, если мы будем одновременно менять и скорость, и магнитный поток, но так, чтобы их произведение оставалось неизменным? В этом случае ЭДС якоря меняться не будет. В самом деле, если, не меняя потока, увеличить втрое скорость, то ЭДС увеличится также втрое. Если затем уменьшить втрое поток (обратите внимание, что произведение CPQ в результате не изменилось), то ЭДС, уменьшившись втрое, достигнет своего первоначального значения. Это приводит нас к очень важному соотношению

которое нам неоднократно встретится в дальнейшем. Для оценки механической мощности, развиваемой электрической машиной, удобнее всего исходить из величины момента силы. Напомним, что моментом силы называется произведение силы на плечо. Плечом в данном случае является радиус якоря; так как радиус якоря является постоянной величиной, то момент пропорционален той силе, с которой магнитное поле машины действует на протекающие по якорю токи. Сила, действующая на один провод, нам известна (§ 2.5): она равна произведению . Сила, действующая на обмотку в целом, будет соответственно больше.

Нас интересует не момент, а то, как он будет изменяться в зависимости от магнитного потока машины и нагрузочного тока. Увеличив или уменьшив магнитный поток, мы увеличим или уменьшим, и притом во столько же раз, магнитную индукцию. Соответственно изменится и развиваемый машиной момент. Обозначив его через М, мы можем записать

Отметим, что в нагруженной машине картина усложниется, так как ток якоря создает свое собственное магнитное поле, которое складывается с магнитным полем тока возбуждения.

Рис. 10.11. Добавочные полюсы в машине постоянного тока

На рис. 10.11 направление магнитного поля якоря показано двумя стрелками. Останавливаться на подробностях этого явления не будем. Укажем лишь, что результатом этого искажения поля является смещение нейтральной линии. Неприятным следствием является то, что коллекторные пластины будут находиться под щетками в тот момент, когда ЭДС соответствующих витков не будет равна нулю, а это затрудняет операцию выпрямления тока.

Для борьбы с этим применяют один из двух следующих способов: или смещают щетки, выбирая их место так, чтобы те переключения, о которых мы говорили в § 10.4, происходили при отсутствии ЭДС в витках, концы которых пересоединяются в данный момент времени; или искусственно создают такое магнитное поле, которое уничтожало бы магнитное поле якоря. Это достигается установкой так называемых добавочных полюсов. Магнитная система машины с добавочными полюсами показана на рис. 10.11.