Elektros varikliai

Elektros varikliai elektros energiją paverčia mechaniniu darbu. Jų veikimas pagrįstas laidininką su srove magnetiniame lauke veikiančios Ampero jėgos panaudojimu. Judamoji elektros variklio dalis vadinama rotoriumi, o nejudamoji – statoriumi.
Glaustai aptarsime kintamosios srovės sinchroninių ir asinchroninių variklių veikimo principą ir konstrukcijos ypatumus.

Sinchroniniai varikliai. Tarkime, kad nuolatiniame magnetiniame lauke yra įtaisytas galintis suktis rėmelis, kuriuo teka kintamoji elektros srovė (179 pav.). Rėmelio laidus veikiančios magnetiniam laukui statmenos Ampero jėgos F sukuria sukamąjį momentą. Pasikeitus srovės tekėjimo krypčiai, pasikeis ir Ampero jėgų kryptis. Todėl įjungtas į kintamosios srovės tinklą toks variklis pats negali pradėti suktis. Kad sukamasis momentas visą laiką veiktų viena kryptimi, reikia, kad rėmelio sukimosi dažnis būtų lygus jo laidais tekančios kintamosios srovės dažniui, t. y. turi būti išlaikomas sinchroniškumas. Taigi sinchroninį variklį pirmiausia reikia įsukti iki kintamosios srovės dažnio w ir tik tada jungti į tinklą. Dažniausiai tam naudojamas pagalbinis nuolatinės srovės variklis. Pasiekus sinchronizaciją, toliau ji palaikoma automatiškai, nes padidėjus variklio apkrovai padidėja ir srovės stipris jo rotoriaus apvijoje, taigi ir sukamasis momentas.
Sinchroninių variklių privalumas – pastovus sukimosi dažnis, lygus tinklo dažniui. Pagrindiniai jų trūkumai – sunku paleisti (nes reikia įsukti), taip pat, per daug apkrovus, galima prarasti sinchroniškumą ir variklis sustos. Nepaisant šių trūkumų, sinchroniniai varikliai naudojami, kai reikia užtikrinti pastovų sukimosi dažnį.
Asinchroniniai varikliai. Jų veikimas pagrįstas magnetinio lauko sąveika su Fuko srovėmis.
Tarkime, kad w1 dažniu sukamo pasagiškojo magneto magnetiniame lauke įtaisytas galintis suktis iš bet kokio laidininko padarytas skritulys D (180 pav.). Magnetui judant kiekviename skritulio D taške sukuriamas kintamasis magnetinis laukas ir atsiranda Fuko srovės, kurias magnetinis laukas veikia Ampero jėga. Pagal Lenco taisyklę indukcinės srovės stengiasi sumažinti veikimą tų veiksnių, kurie jas kuria. Šiuo atveju Fuko sroves sukuriantis veiksnys yra santykinis magneto ir skritulio judėjimas. Todėl skritulį veikiančios jėgos stengiasi mažinti santykinį šio judėjimo greitį, t. y. skritulys ima suktis ta pačia kryptimi, kaip ir magnetas, tik mažesniu už w1 kampiniu greičiu w2. (Jei tie greičiai būtų lygūs, Fuko srovės neatsirastų, nebūtų ir skritulį D veikiančių jėgų). Didinant skritulio apkrovą, jo greitis w1 turi mažėti, nes reikia didesnės Ampero jėgos, tuo pačiu ir stipresnių Fuko srovių, tai apkrovai įveikti.

Asinchroniniuose elektros varikliuose vietoje sukamo nuolatinio magneto panaudojamas sukamasis magnetinis laukas. Jį sukuria statoriuje įrengtos apvijos, išdėstytos panašiu būdu, kaip pavaizduota 178 pav. Rotoriumi gali būti bet koks laidus cilindras. Dažnai jis esti tuščiaviduris arba net daromas iš atskirų trumpai sujungtų laidžių virbų (181 pav.).
Asinchroninių variklių privalumas – sukimosi greitį galima tolydžiai reguliuoti keičiant srovės stiprį statoriaus apvijose. Trūkumas – paleidimo metu, kol inkaras dar neįgavęs greičio, variklio apvijomis teka labai stipri srovė, kuri gali sugadinti variklį ar net elektros tinklą. Kad taip neatsitiktų, nuosekliai su varikliu jungiamas paleidimo reostatas, kuris sumažina srovė paleidimo metu. Variklio sukimosi dažniui didėjant, reostato varža mažinama iki nulio.

12. Virpesių kontūras. Laisvieji elektromagnetiniai virpesiai

Išnagrinėsime elektrimagnetinius procesus, vykstančius 48 pav. pavaizduotoje grandinėje. Tarkime, kad kondensatorius C įelektrintas krūviu q0 esant išjungtam jungikliui J. Įjungus jungiklį, kondensatorius pradės išsikrauti, grandine ims tekėti srovė. Pagal antrąją Kirchhofo taisyklę
UL+UC=0, (8.71)
nes grandinėje nėra pašalinių šaltinių. Žinome, kad
(8.72)
(8.73)
Taigi
(8.74)
Prisiminę, kad ir įrašę tai į (8.74), gauname antrosios eilės diferencialinę lygtį, aprašančią kondensatoriaus krūvio q kitimą:
(8.75)
Šios diferencialinės lygties sprendinys yra
(8.76)
(tai lengva patikrinti (8.76) įrašius į (8.75)).
Matome, kad kondensatoriaus krūvis kinta harmoningai. Čia
– (8.77)
kontūro savasis kampinis dažnis. Kontūro savųjų elektromagnetinių virpesių periodas
(8.78)
Srovės stiprį kontūre galime nustatyti diferencijuodami (8.76):
(8.79)
Sugretinę (8.76) ir (8.79) išraiškas, nustatome, kad fazių skirtumas tarp kondensatoriaus krūvio (arba jo įtampos, kuri susijusi su krūviu (8.73) lygybe) ir kontūru tekančios srovės stiprio lygus (arba 90o). Šis fazių skirtumo kampas atitinka ¼ periodo.
Krūvio ir srovės stiprio virpesių grafikas pateiktas 49 pav.

Šie virpesiai yra neslopinamieji, t. y. jų amplitudė laikui bėgant nekinta. Kai t=0, kondensatoriaus elektrinio lauko energija
(8.80)
o ritės energija WL=0, nes I=0. Kai t=¼T, cosw0t= WC=0, o ritės energija
(8.81)
Iš (8.80) ir (8.81) matome, kad per laikotarpį t=¼T visa kondensatoriaus elektrinio lauko energija pavirsta ritės magnetinio lauko energija ir atvirkščiai.

Dabar panagrinėkime elektromagnetinius virpesius kontūre, be kondensatoriaus ir ritės turinčiame ir aktyviąją varžą R (50 pav.) (tai gali būti vien tik ritės laidų aktyvioji varža).
Tokiame kontūre vietoj (128) bus
UL+UR+UC=0,
arba
(8.82)
Įrašę į (8.82) gauname tokią antrosios eilės diferencialinę lygtį:
(8.83)
(8.83) lygties sprendinys yra toks:
(8.84)
Čia
(8.85)
vadinamas slopinimo koeficientu,
– (8.86)
kontūro kampiniu laisvųjų virpesių dažniu. Šis dažnis yra mažesnis už savąjį dažnį w0 (žr. (8.77)).

(8.84) funkcijos grafikas nubraižytas 51 pav. Kaip aiškėja iš (8.84) ir 51 pav., šiuo atveju kontūre vyksta slopinamieji elektromagnetiniai virpesiai, nes aktyviojoje varžoje tekant srovei elektromagnetinė energija virsta šiluma.
Jei (8.82) išdiferencijuotume laiko t atžvilgiu, gautume
(8.87)
(8.87) lygties pavidalas toks pat, kaip ir (8.83), taigi ir jos sprendinys analogiškas (8.84) sprendiniui:
I=I0e-btcoswt. (8.88)
Srovės stiprio, kaip ir kondensatoriaus krūvio ar įtampos, amplitudė laikui bėgant eksponentiškai mažėja.

Susiję įrašai:

• GIROSKOPO PRECESIJOS TYRIMAS (laboratorinis darbas)
• SLOPINAMŲJŲ SVYRAVIMŲ TYRIMAS PASVYRAJA SVYRUOKLE (laboratorinis darbas)
• ORO KLAMPUMO KOEFICIENTO IR MOLEKULIŲ VIDUTINIO LAISVOJO LĖKIO NUSTATYMAS (laboratorinis darbas)
• AMPERMETRO IR VOLTMETRO MATAVIMO RIBŲ PRAPLĖTIMAS (laboratorinis darbas)
• LAIDININKO SPECIFINĖS VARŽOS MATAVIMAS (laboratorinis darbas)