При изменении
частоты питающей сети и U сети =U 1 =const,
меняется
ω 0 =и
критический момент, так как он зависит
от частоты обратно пропорционально её
квадрату. Изменяется и магнитный поток,
при чём он уменьшается с ростом частоты
и увеличивается при её уменьшении. Это
видно из уравнения равновесия ЭДС для
одной фазы статора:
. Пренебрегая падением напряжения в
цепи статора, можно написать для
абсолютных значений ЭДС и напряжения
приU 1 =const.
О
тсюда
видно, что при росте
f
1
поток
уменьшается, а при уменьшении f
1
он растет.
Этим объясняется и изменение критического
момента двигателя и его перегрузочной
способности.
У
величение
потока ведет к насыщению магнитной цепи
машины, увеличению намагничивающего
тока, следствием чего является ухудшение
энергетических показателей двигателя.
Уменьшение потока при постоянном моменте
нагрузки приведет к увеличению тока
ротора, что видно из выражения,
и потребляемого из сети тока, следовательно,
к перегрузке обмоток двигателя при
недоиспользованной стали. В обоих
случаях изменяется перегрузочная
способность двигателя. Поэтому для
наилучшего использования двигателя
желательно всегда поток иметь постоянным.
Для этого при изменении частоты необходимо
изменять и величину подводимого
напряжения, причем не только в функции
частоты, но и в функции нагрузки. В
простейшем же случае при изменении
напряжения в той же степени, что и
частоты, т.е. при
,
механические характеристики будут
выглядеть так, как изображено на рисунке. Видно, что при
изменении напряжения только в функции
частоты по закону
при частотах, меньших 0,5f 1Н
перегрузочная способность двигателя
будет уменьшаться.Это объясняется
влиянием падения напряжения на активном
сопротивлении обмотки статора, которое
приводит к уменьшению напряжения на
намагничивающем контуре обмотки статора,
к уменьшению магнитного потока и
следовательно, к уменьшению критического
момента двигателя.
Тормозные режимы асинхронного двигателя.
АД может работать во всех трех тормозных режимах:
а) с рекуперацией энергии в сеть;
б) противовключение;
в) динамическое торможение.
а) Торможение с рекуперацией энергии в сеть.
При отсутствии внешнего статического момента на валу двигатель, подключенный к сети будет вращаться со скоростью, близкой к синхронной. При этом из сети потребляется энергия, необходимая для покрытия потерь. Если за счет внешней силы ротор вращается с синхронной скоростью, то сеть будет покрывать только потери в статоре, а потери в роторе (механические и в стали) будут покрываться внешней силой.
В двигательном режиме, когда вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмоток статора и ротора в одинаковом направлении, ЭДС статора Е 1 и ротора Е 2 совпадают по фазе. При = 0 ЭДС в роторе не наводится, т.е. равна 0. При > 0 проводники обмотки статора пересекаются вращающимся полем в прежнем направлении, а проводники ротора – в противоположном.
ЭДС ротора Е 2 меняет свой знак на обратный; машина переходит в генераторный режим с рекуперацией энергии. Что касается тока, то изменяет свое направление только его активная составляющая. Реактивная составляющая при отрицательном скольжении сохраняет свое направление. Это видно и из выражения для тока ротора (при S<0 S 2 >0).
Такие же выводы
можно сделать и на основе анализа
активной (электромагнитной) и реактивной
мощностей. Действительно, из выражения
для Р ЭМ
следует, что при S<0
P ЭМ >0
Т.е.
активная мощность меняет направление
(передается в сеть), а из выражения для
Q 2
следует, что при S<0
реактивная мощность вторичного контура
Q 2
сохраняет свой знак независимо от режима
работы машины.
Это значит, что асинхронная машина как в двигательном, так и в генераторном режиме потребляет реактивную мощность, необходимую для создания магнитного поля.
Т
орможение
с отдачей энергии в сеть используется
в подъемно-транспортных установках,
при спуске тяжелых грузов. Под действием
груза ротор машины будет вращаться со
скоростью> 0 ,
машина переходит в генераторный режим
и начинает создавать тормозной момент.
При равенстве
M=M c
груз будет опускаться с установившейся
скоростью
c ,
как показано на рисунке. Необходимо
иметь в виду, что для обеспечения
нормального спуска груза M c
не должен
превышать критический момент в
генераторном режиме. При реактивном
моменте сопротивления кратковременно
режим с рекуперацией энергии в сеть
можно получить, если АД допускает
переключение обмотки статора с одной
пары полюсов на другую, как показано на
приведенном графике.
Режим с рекуперацией имеет место на участке ВС после переключения обмотки статора с числа пар полюсов П =1 на П =2 .
б) торможение противовключением.
В режиме
противовключения ротор двигателя
вращается в направлении, противоположном
действию момента двигателя. Его скольжение
S>1,
а частота тока в роторе больше частоты
питающей сети (
).
Поэтому несмотря на то, что ток ротора
больше номинального в 7 –9 раз, т.е. больше
пускового тока, момент в следствие
большой частоты тока, следовательно
большого индуктивного сопротивления
роторной цепи (
),
будет невелик. Поэтому для увеличения
момента и одновременного уменьшения
тока в цепь ротора включают большое
добавочное сопротивление, величину
которого можно подсчитать по выражению
Где Е 20 - номинальная ЭДС ротора при S=1
S н – номинальное скольжение
S н и – скольжение при номинальной нагрузке на искусственной характеристике.
П
ри
спуске груза в режиме противовключения
торможение протекает на прямолинейном
участке механической характеристики,
жесткость которой определяется активным
сопротивлением в цепи ротора. Механическая
характеристика АД при тормозном спуске
груза в режиме противовключения
изображена на рисунке. Для торможения
противовключением при реактивном
моменте сопротивления необходимо на
ходу двигателя изменить порядок
следования фаз питающего напряжения и
одновременно ввести в цепь ротора
добавочное сопротивление с целью
ограничения первоначального броска
тока и одновременного увеличения
тормозного момента. Механическая
характеристика в этом случае выглядит
так, как показано на рисунке.
Торможение противовключением КЗАД
при
реактивном моменте сопротивления не
эффективно, так как начальный тормозной
момент при скольжении, близком к 2, из-за
большого реактивного сопротивления,
равного
,
будет незначительным (см. рис. отрезок
).
в) динамическое торможение с независимым возбуждением постоянным током
При отключении обмотки статора АД от сети, сохраняется лишь незначительный магнитный поток от остаточного намагничивания стали статора. ЭДС наводимая во вращающемся роторе и ток в роторе будут весьма малыми. Взаимодействие тока ротора с потоком от остаточного намагничивания не может создать сколько-нибудь значительного электромагнитного момента. Поэтому для получения должного тормозного момента необходимо искусственно создать надлежащий магнитный поток статора. Это может быть достигнуто подачей в обмотки статора постоянного тока или подключением к ним конденсаторов или тиристорного преобразователя частоты, обеспечивающего протекание по обмоткам статора емкостного тока, т.е. опережающего тока, создающего эффект емкости. В 1-м случае будет иметь место режим динамического торможения с независимым возбуждением, во 2-м – с самовозбуждением.
При динамическом торможении с независимым возбуждением обмотки статора отключаются от сети трехфазного тока и подключаются к источнику постоянного тока. Этот ток создает неподвижный в пространстве магнитный поток, который при вращении ротора наведет в последнем ЭДС. Под действием ЭДС в обмотках ротора потечет ток, от взаимодействия которого с неподвижным потоком возникает тормозной момент. Двигатель превращается в синхронный генератор с неявновыраженными полюсами, работающий при переменной скорости.
Симметричное включение 3-х обмоток статора в сеть постоянного тока невозможно без их переключений. Обычно используется одна из схем, приведенных на рис.
Поскольку при питании постоянным током обмотки обладают только омическим сопротивлением, для получения нужного значения тока достаточно небольшого по величине напряжения. В качестве источника постоянного тока для двигателей небольшой и средней мощности используются полупроводниковые выпрямители, а для крупных двигателей могут использоваться специальные генераторы постоянного тока низкого напряжения.
Д
ля
вывода уравнения механической
характеристики АД в режиме динамического
торможения режим синхронного генератора,
в который превращается АД после
подключения к источнику постоянного
тока, целесообразно заменить эквивалентным
режимом АД, полагая, что его статор
вместо постоянного питается переменным
током. При такой замене МДС создается
совместно обмотками статора и ротора
и должно быть соблюдено равенство МДС
для обоих случаев, т.е.F ПОСТ =F ПЕР. Определение МДС,
создаваемой постоянным током I ПОСТ
для схемы “а”,
поясняет рис. и векторная диаграмма,
изображенные рядом.
Амплитуда МДС, создаваемой переменным
током I 1
при протекании его по обмоткам статора:
.
Исходя из условия
.
Отсюда значение переменного тока,
эквивалентного постоянному:
, а
.
Необходимые напряжения и мощность
постоянного тока
:
.
О
пределив
токI 1 ,
машину в тормозном режиме можно
представить как нормальный АД. Однако,
работа АМ в режиме динамического
торможения существенно отличается от
работы в нормальном двигательном режиме.
В двигательном режиме намагничивающий
ток и магнитный поток при изменении
скольжения практически не изменяются.
При динамическом торможении магнитный
поток при изменении скольжения меняется
вследствие непрерывного изменения
результирующей МДС, складывающейся из
неизменной МДС статора (постоянного
тока) и меняющейся МДС ротора (переменного
тока переменной частоты).
Результирующий
намагничивающий ток, приведенный к
числу витков обмотки статора
.
Из векторной диаграммы токов следует:
Возведя
в квадрат Эти выражения и почленно
складывая, получим:
.Намагничивающий
ток равен
.
В
приведенной машине
,
гдеE 2 ’
– ЭДС ротора при синхронной скорости
0 ,
соответствующей частоте сети. При
отличной от 0 ,
ЭДС ротора будет равна:
,
где
- относительная скорость или иначе –
скольжение в режиме динамического
торможения. При этом уравнение равновесия
ЭДС для роторной цепи имеет вид:
,
а намагничивающий ток, выраженный черезE 2 ’:
.
Полное
сопротивление ротора с учетом того, что
его индуктивное сопротивление изменяется
с изменением скорости вращения ротора:
.
Учитывая,
что
и подставляя значенияI ,
sin 2
и Z 2 ’
в уравнение для I 1 2 ,
из полученного соотношения находится
ток I 2 ’,
который будет равен:
.
Электромагнитный
момент, развиваемый двигателем, выраженный
через электромагнитную мощность:
,
гдеm 1
– число фаз обмотки статора.
Из выражения для М видно, что момент при динамическом торможении определяется переменным током I 1 , эквивалентным постоянному, протекающему по обмоткам статора.
Взяв
производную
и приравняв ее к 0, найдем, что момент
будет максимален при относительной
скорости:
,
а значение этого момента, также называемого
критическим, равно:
.
М
еханические
характеристики при различном значении
постоянного тока и различном сопротивлении
роторной цепи изображены на рисунке.
Кривые 1 и 2 соответствуют одинаковому
значению сопротивления цепи ротора и
различным значениям постоянного тока
в статоре, а кривые 3 и4 – тем же значениям
постоянного тока, но большему сопротивлению
цепи ротора.
Из выражения для М К следует, что критический момент двигателя в режиме динамического торможения не зависит от активного сопротивления цепи ротора.
Разделив
значение М на значение М К,
уравнению механической характеристики
можно придать вид:
.
Частота – одна из основных характеристик переменного тока, который производится генераторами. Ее можно измерить при помощи обычного тестера, с соответствующими настройками. Изменить частоту можно, регулируя настройки генератора или индуктивность и емкость в цепи.
Вам понадобится
- Генератор переменного тока, конденсатор, катушка индуктивности, тестер
Инструкция
- Переменный ток появляется в рамке из проводника, вращающейся в постоянном магнитном поле с некоторой угловой скоростью. Поскольку угловая скорость прямо пропорционально зависит от частоты вращения, увеличьте или уменьшите частоту переменного тока, уменьшая или увеличивая частоту вращения обмоток генератора. Например, увеличив частоту вращения обмоток генератора в 2 раза, получим увеличение частоты переменного тока во столько же раз.
- Если переменное напряжение подается в сети, то его частоту можно изменить, используя в цепи катушку индуктивности и конденсатор. Установите в сеть катушку индуктивности и конденсатор, соединив их параллельно. Такой колебательный контур будет создавать свою частоту колебаний. Для того чтобы ее рассчитать с помощью тестера, настроенного на измерение индуктивности, найдите эту величину для данной конкретной катушки. После этого, определите емкость конденсатора в контуре, используя тот же тестер, только с настройками для измерения электроемкости.
- Подключите систему к источнику переменного тока, при этом ее активное сопротивление должно быть незначительным. Этот колебательный контур создаст в цепи собственную частоту, которая будет причиной появления емкостного и индуктивного сопротивления.
Чтобы найти ее значение:
1. Найдите произведение значений индуктивности и электроемкости, измеренных с помощью тестера.2. Из значения, получившегося в пункте 1, извлеките квадратный корень.3. Полученный результат умножьте на число 6,28.4. Число 1 поделите на значение, полученное в пункте 3. - При изменении частоты тока нужно учитывать тот факт, что если частота сети и частота контура совпадут, наступит явление резонанса, при котором максимальные значения силы тока и ЭДС значительно увеличатся и цепь может перегореть.
По утверждению Теслы, год, проведенный им в Питсбурге, был потерян для исследовательских работ в области многофазных токов. Возможно, что это утверждение близко к истине, но возможно и то, что именно этот год стал началом дальнейших творческих успехов изобретателя. Дискуссия с инженерами завода Вестингауза не прошла бесследно. Обоснование предложенной им частоты переменного тока в 60 периодов требовало более тщательного анализа экономической эффективности применения как меньших, так и более высоких частот. Научная добросовестность Теслы не позволяла ему оставить этот вопрос без тщательной проверки.
Возвратившись в 1889 году из Европы, он принялся за конструирование генератора переменного тока большой частоты и вскоре создал машину, статор которой состоял из 348 магнитных полюсов. Этот генератор давал возможность получать переменный ток с частотой в 10 тысяч периодов в секунду (10 кГц). Вскоре ему удалось создать и еще более высокочастотный генератор и начать изучение различных явлений при частоте 20 тысяч периодов в секунду.
Исследования показали, что по мере увеличения частоты переменного тока можно значительно уменьшить объем железа в электромагнитных электродвигателях, а начиная с определенной частоты, можно создавать электромагниты, состоящие из одних только обмоток, вообще без железа в катушках. Двигатели, созданные из таких электромагнитов без железа, были бы чрезвычайно легкими, но во многих других отношениях неэкономичны, и уменьшение затрат металла не окупалось бы из-за значительного увеличения потребления электроэнергии.
Исследуя широкий диапазон частот переменного тока первоначально в пределах, которые могли бы быть применены в многофазной системе (25-200 периодов в секунду), Тесла вскоре перешел к изучению свойств и возможностей практического использования токов повышенных (10-20 тысяч периодов в секунду) и высоких (20-100 тысяч периодов в секунду) частот. Для получения значительно большего числа периодов и значительно более высоких напряжений, чем это могло быть достигнуто созданными им генераторами токов высокой частоты, необходимо было найти и опереться на иные принципы. Хорошо знакомый с мировой литературой по электрофизике и электротехнике, Тесла изучил работу знаменитого американского физика Джозефа Генри, высказавшего еще в 1842 году предположение, что при некоторых электрических разрядах (в том числе и разряде лейденской банки) имеются не только "главные разряды", но и встречные, причем каждый последующий несколько слабее предыдущего. Так было впервые замечено существование затухающего двухстороннего электрического разряда.
Тесла знал и о том, что спустя одиннадцать лет после Генри английский физик лорд Кельвин экспериментально доказал, что электрический разряд конденсатора есть процесс двухсторонний, продолжающийся до тех пор, пока энергия его не будет израсходована на преодоление сопротивления среды. Частота этого двухстороннего процесса достигает 100 миллионов колебаний в секунду. Искра между шариками разрядника, кажущаяся однородной, в действительности состоит из нескольких миллионов искр, проходящих в короткий промежуток времени в обе стороны.
Кельвин дал математическое выражение процесса двухстороннего разряда конденсатора. Позднее Феддерсон, Шиллер, Кирхгоф, Гельмгольц и другие исследователи не только проверили правильность этого математического выражения, но и значительно дополнили теорию электрического разряда. Знаком был Тесла и с работами Антона Обербанка, наблюдавшего явление электрического резонанса, то есть процесс резкого возрастания амплитуды (размаха) колебаний при приближении частоты внешнего колебания к частоте собственные внутренних колебаний системы.
Хорошо известны были ему и опыты Герца и Лоджа, занимавшихся изучением электромагнитных волн. Особенно большое впечатление на Теслу произвели эксперименты Генриха Герца, подтвердившие теоретические предположения Джемса К. Максвелла о волновой природе электромагнитных явлений. Надо заметить, что в работах Герца Тесла впервые нашел указание на явление так называемых "стоячих электромагнитных волн", то есть волн, накладывающихся одна на другую так, что они в одних местах усиливают друг друга, создавая "пучности", а в других уменьшают до нуля, создавая "узлы".
Зная все это, Никола Тесла в 1891 году закончил конструирование прибора, сыгравшего исключительную роль в дальнейшем развитии самых различных отраслей электротехники и особенно радиотехники. Для создания токов высокой частоты и высокого напряжения он решил воспользоваться известным свойством резонанса, то есть явлением резкого возрастания амплитуды собственных колебаний какой-либо системы (механической или электрической) при наложении на них внешних колебаний с той же частотой. На основании этого известного явления Тесла создал свой резонансный трансформатор.
Действие резонансного трансформатора основано на настройке в резонанс его первичного и вторичного контуров. Первичный контур, содержащий как конденсатор, так и индукционную катушку, позволяет получить переменные токи весьма высокого напряжения с частотами в несколько миллионов периодов в секунду. Искра между шариками разрядника вызывает быстрые изменения магнитного поля вокруг первичной катушки вибратора. Эти изменения магнитного поля вызывают возникновение соответствующего высокого напряжения в обмотке вторичной катушки, состоящей из большого числа витков тонкой проволоки, причем частота переменного тока в ней соответственно количеству искровых разрядов достигает нескольких миллионов перемен в секунду.
Наибольшей величины частота достигает в момент, когда периоды первичной и вторичной цепи совпадают, то есть когда наблюдается явление резонанса в этих цепях.
Тесла разработал очень простые методы автоматической зарядки конденсатора от источника тока низкого напряжения и разрядки его через трансформатор с воздушным сердечником. Теоретические расчеты изобретателя показали, что даже при самых незначительных величинах емкости и индукции в созданном им резонансном трансформаторе при соответствующей настройке можно получить путем резонанса весьма высокие напряжения и частоты.
Открытые им в 1890 году принципы электрической настройки резонансного трансформатора и возможность изменять емкость для изменения длины волны электромагнитных колебаний, создаваемых трансформатором, стали одним из наиболее важных оснований радиотехники, а мысли Теслы об огромной роли конденсатора и вообще емкости и самоиндукции в развитии электротехники оправдались.
При создании резонансного трансформатора пришлось решить еще одну практическую задачу: найти изоляцию для катушек сверхвысокого напряжения. Тесла занялся вопросами теории пробоя изоляции и на основании этой теории нашел лучший способ изолировать витки катушек - погружать их в парафиновое, льняное или минеральное масло, называемое теперь трансформаторным. Позднее Тесла еще раз возвратился к разработке вопросов электрической изоляции и сделал весьма важные выводы из своей теории.
Едва начав опыты с токами высокой частоты, Никола Тесла ясно представил себе огромные перспективы, открывавшиеся перед человечеством при широком использовании токов высокой частоты. Направление работ Теслы свидетельствует о необычайно разносторонних выводах, которые он сделал из своего открытия.
Прежде всего, он пришел к убеждению, что электромагнитные волны играют исключительно важную роль в большинстве явлений природы. Взаимодействуя друг с другом, они либо усиливаются, либо ослабляются, либо вызывают новые явления, происхождение которых мы иногда приписываем совершенно другим причинам. Но не только электромагнитные излучения играют огромную роль в самых различных явлениях природы. Тесла интуицией большого ученого понял значение различных излучений еще до замечательных открытий радиоактивных элементов. Когда позднее, в 1896 году, Анри Беккерель, а затем Пьер и Мария Кюри открыли это явление, Тесла нашел в этом подтверждение своих предвидений, высказанных им еще в 1890 году.
Огромное значение переменных токов в развитии промышленности, получившей, наконец, необходимый ей электродвигатель, стало ясно Николе Тесле при первом же знакомстве с преимуществами трехфазного тока, требующего для его передачи всего лишь три провода. Для Теслы уже в то время было несомненно, что должен быть открыт способ передачи электроэнергии и вовсе без проводов, с помощью электромагнитных волн. Эта проблема привлекла внимание Теслы, стала предметом его занятий еще в конце 1889 года.
Однако практическое применение токов высокой частоты для самых разнообразных целей требовало изучения на первый взгляд самых различных, не связанных между собой вопросов. Эти-то эксперименты в широком масштабе и начал проводить в своей лаборатории Никола Тесла.
Начав систематические опыты с токами высокой частоты и высокого напряжения, Тесла должен был прежде всего разработать меры защиты от опасности поражения электрическим током. Эта частная, вспомогательная, но весьма важная задача привела его к открытиям, заложившим основу электротерапии - обширной области современной медицины.
Ход мыслей Николы Теслы был чрезвычайно оригинален. Известно, рассуждал он, что постоянный ток низкого напряжения (до 36 вольт) не оказывает вредных действий на человека. По мере повышения напряжения возможность поражения быстро возрастает.
С увеличением напряжения, поскольку сопротивление тела человека практически неизменно, сила тока так же увеличивается и достигает при 120 вольтах угрожающей величины. Более высокое напряжение становится опасным для здоровья и жизни людей.
Иное дело ток переменный. Для него предел опасного напряжения значительно выше, чем для постоянного, и этот предел отодвигается с повышением частоты. Известно, что электромагнитные волны очень высокой частоты не оказывают никакого болезненного действия на человека 10 . Пример тому свет, воспринимаемый при нормальной яркости здоровым глазом без всяких болезненных ощущений. В пределах каких же частот и напряжений переменный ток опасен? Где начинается зона безопасного тока?
Шаг за шагом исследовал Тесла действие переменного электрического тока на человека при разных частотах и напряжениях. Опыты он проводил на самом себе. Сначала через пальцы одной руки, затем через обе руки, наконец, через все тело пропускал он токи высокого напряжения и высокой частоты. Исследования показали, что действие электрического тока на человеческий организм складывается из двух составляющих: воздействия тока на ткани и клетки нагревом и непосредственного воздействия тока на нервные клетки.
Оказалось, что нагревание далеко не всегда вызывает разрушительные и болезненные последствия, а воздействие тока на нервные клетки прекращается при частоте свыше 700 периодов, аналогично тому, как слух человека не реагирует на колебания свыше 2 тысяч в секунду, а глаз - на колебания за пределами видимых цветов спектра.
Так была установлена безопасность токов высоких частот даже при высоких напряжениях. Более того, тепловые действия этих токов могли быть использованы в медицине, и это открытие Николы Теслы нашло широкое применение; диатермия, лечение УВЧ и другие методы электротерапии есть прямое следствие его исследований. Тесла сам разработал ряд электротермических аппаратов и приборов для медицины, получивших большое распространение как в США, так и в Европе. Его открытие было затем развито другими выдающимися электриками и врачами.
Однажды, занимаясь опытами с токами высокой частоты и доведя напряжение их до 2 миллионов вольт, Тесла случайно приблизил к аппаратуре медный диск, окрашенный черной краской. В то же мгновение густое черное облако окутало диск и тотчас поднялось вверх, а сам диск заблестел, словно чья-то невидимая рука соскоблила всю краску и отполировала его.
Удивленный Тесла повторил опыт, и снова краска исчезла, а диск сиял, поддразнивая ученого. Повторив десятки раз опыты с разными металлами, Тесла понял, что он открыл способ их очистки токами высокой частоты.
"Любопытно, - подумал он, - а не подействуют ли эти токи и на кожу человека, не удастся ли с их помощью снимать с нее различные, трудно поддающиеся удалению краски".
И этот опыт удался. Кожа руки, окрашенная краской, мгновенно стала чистой, как только Тесла внес ее в поле токов высокой частоты. Оказалось, что этими токами можно удалять с кожи лица мелкую сыпь, очищать поры, убивать микробы, всегда в изобилии покрывающие поверхность тела человека. Тесла считал, что его лампы оказывают особое благотворное действие не только на сетчатку глаза, но и на всю нервную систему человека. К тому же лампы Теслы вызывают озонирование воздуха, что также может быть использовано в лечении многих болезней. Продолжая заниматься электротерапией, Тесла в 1898 году сделал обстоятельное сообщение о своих работах в этой области на очередном конгрессе Американской электротерапевтической ассоциации в Буффало.
В лаборатории Тесла пропускал через свое тело токи напряжением в 1 миллион вольт при частоте 100 тысяч периодов в секунду (ток достигал при этом величины в 0,8 ампера). Но, оперируя с токами высокой частоты и высокого напряжения, Тесла был очень осторожен и требовал от своих помощников соблюдения всех им самим выработанных правил безопасности. Так, при работе с напряжением в 110- 50 тысяч вольт при частоте в 60-200 периодов он приучил их работать одной рукой, чтобы предотвратить возможность протекания тока через сердце. Многие другие правила, впервые установленные Теслой, прочно вошли в современную технику безопасности при работе с высоким напряжением.
Создав разнообразную аппаратуру для производства опытов, Тесла в своей лаборатории начал исследование огромного круга вопросов, относящихся к совершенно новой области науки, в которой его больше всего интересовали возможности практического использования токов высокой частоты и высокого напряжения. Работы его охватывали все многообразие явлений, начиная от вопросов генерирования (создания) токов высокой частоты и кончая детальным изучением различных возможностей их практического использования. С каждым новым открытием возникали все новые и новые проблемы.
Как одна из частных задач Теслу заинтересовала возможность использовать открытие Максвеллом и Герцем электромагнитной природы света. У него возникла мысль: если свет представляет собой электромагнитные колебания с определенной длиной волны, нельзя ли искусственно получить его не путем нагрева нити электрической лампы накаливания (что дает возможность использовать лишь 5 процентов энергии, превращающейся в световой поток), а путем создания таких колебаний, которые вызвали бы появление световых волн? Эта задача и стала предметом исследований в лаборатории Теслы в начале 1890 года.
Вскоре он накопил огромное количество фактов, позволивших перейти к обобщениям. Однако осторожность Теслы заставила его проверять десятки и сотни раз каждое свое утверждение. Он повторял сотни раз каждый опыт, прежде чем делал из него какие-либо выводы. Необычайность всех открытий Николы Теслы и огромный авторитет его привлекли внимание руководителей Американского института электроинженеров, вновь, как и три года назад, пригласивших Теслу прочесть лекцию о своих работах. Тесла избрал тему: "Опыты с переменными токами весьма высокой частоты и их использование для искусственного освещения".
По традиции, установившейся с первых лет существования института, было разослано ограниченное число приглашений лишь самым выдающимся электротехникам. Перед такой избранной аудиторией 20 мая 1892 года Тесла и прочел одну из своих самых вдохновенных лекций и продемонстрировал опыты, уже осуществленные им в своей лаборатории.
Нет ничего, что в большей степени могло бы привлечь внимание человека и заслужило бы быть предметом изучения, чем природа. Понять ее огромный механизм, открыть ее созидательные силы и познать законы, управляющие ею, - величайшая цель человеческого разума, - этими словами начал Тесла свое выступление.
И вот он уже демонстрирует перед слушателями результаты своих исследований в новой, еще никем не изученной области токов высокой частоты.
Рассеяние электромагнитной энергии в пространстве, окружающем источник токов высокой частоты, позволяет использовать эту энергию для самых различных целей, - убежденно говорит ученый и тут же показывает замечательный опыт. Он выдвигает гениальное положение о возможности передачи электроэнергии без проводов и в доказательство заставляет как обычные лампы накаливания, так и специально им созданные лампы без нитей внутри светиться, внося их в переменное электромагнитное поле высокой частоты. - Освещение лампами подобного рода, - говорит Тесла, - где свет возникает не под действием нагрева нитей протекающим током, а вследствие особых колебаний молекул и атомов газа, будет проще, чем освещение современными лампами накаливания. Освещение будущего, - подчеркивал ученый, - это освещение токами высокой частоты.
Особенно подробно остановился Тесла на описании своего резонансного трансформатора как источника волн весьма высокой частоты и снова подчеркнул значение разряда конденсатора в создании таких колебаний. Тесла правильно оценил большое будущее этой важнейшей детали современных радиотехнических средств. Он выразил эту мысль следующими словами:
Я думаю, что разряд конденсатора будет в будущем играть важную роль, так как он не только предоставит возможность получать свет более простым способом в том смысле, какой указывает изложенная мною теория, но окажется важным и во многих других отношениях.
Подробно изложив результаты экспериментов с токами высокой частоты, получаемыми с помощью резонансного трансформатора, Тесла завершил лекцию словами, свидетельствующими о его ясном представлении значения дальнейшего изучения явлений, над которыми его работы едва приоткрыли завесу тайны:
Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство; все окружающее нас находится в движении, и энергия есть повсюду. Должен найтись более прямой способ утилизировать эту энергию, чем известные в настоящее время. И когда свет получится из окружающей нас среды и когда таким же образом без усилий будут получаться все формы энергии из своего неисчерпаемого источника, человечество пойдет вперед гигантскими шагами.
Одно созерцание этой великолепной перспективы подымает наш дух, укрепляет нашу надежду и наполняет наши сердца величайшей радостью.
Под бурные аплодисменты Тесла закончил свое замечательное выступление. Необычайность всего показанного и особенно смелые выводы ученого, видевшего революционные последствия своих открытий, поразили слушателей, хотя далеко не все поняли содержание лекции так глубоко, как того хотелось бы Николе Тесле.
Ко всем, кого это может коснуться:
Да будет всем известно, что я, Никола Тесла, гражданин Америки, проживающий в Манхеттене, изобрел новые и полезные улучшение в средствах увеличения интенсивности электрических колебаний, которые описаны ниже.
Во многих научных и практичных случаях использования электрических импульсов или колебаний - как, например, в системах передачи данных на расстояния - очень важно увеличить как можно больше импульсы или колебания тока, которые генерируются в схемах передатчика и приемника, особенно в последнем.
Известно, что когда электрические импульсы поданные в схему совпадают со свободными колебаниями, интенсивность колебаний созданных в ней зависит от величины физической константы и соотношения периодов поданных и свободных колебаний. Для получения наилучших результатов необходимо, чтобы периоды вынужденных и свободных колебаний совпадали, в случае чего интенсивность последних будет наибольшей и зависит в основном от индуктивности и сопротивления цепи, их величина будет прямо пропорциональна индуктивности и обратно пропорциональна сопротивлению.
Таким образом, для того, чтобы увеличить колебания в цепи, иными словами увеличить ток или напряжение, нужно делать индуктивность как можно больше и сопротивления как можно меньше. Помня об этом, я изобрел и использовал провода специальной формы и очень большого поперечного сечения; Но я нашел, что возможность увеличивать индуктивность и уменьшать сопротивления ограничено. Это понятно, если принять во внимание, что резонансное увеличение тока или напряжения в цепи пропорционально частоте импульсов и что большая индуктивность в общем вызывает колебания малой частоты.
С другой стороны, увеличение сечения проводника с целью уменьшения сопротивления, после какой-то границы, уменьшает сопротивление мало или не уменьшает, поскольку электрические колебания, особенно высокой частоты, текут в приповерхностном слое, и что эту помеху можно обойти используя многожильные, скрученные провода, но на практике при этом возникают другие преграды, которые часто больше чем польза от их использования.
Хорошо известный факт, что если температура проводника увеличивается, увеличивается и его сопротивление, поэтому конструкторы размещают катушки так, чтобы избежать их нагрева в процессе использования.
Я открыл, что чтобы колебания в цепи были свободными цепь должна работать при низкой температуре при этом колебания возбуждения также должны в большой степени увеличиватся.
Если коротко, то моё изобретение заключается в создании большой интенсивности и длительности колебаний в свободно колеблющейся или резонирующей цепи посредством проведения этого процесса при низкой температуре.
Обычно в коммерческих аппаратах это достигается когда объект изолируется от бесполезного нагревания, что сводит потери к минимуму.
Моё изобретение не только предусматривает экономию энергии, но имеет совершенно новое и ценное свойство увеличивать степень интенсивности и длительности свободных колебаний. Это может быть полезно всегда, когда необходимио накапливать свободно колеблющиеся разряды.
Наилучшим способом реализации изобретения является окружение свободноколеблющейся цепи или проводника, содержашегося при низкой температуре, с помощью подходящей среды (холодный воздух, охлаждающий агент), что приведёт к получению наибольшей самоиндукции и наименьшему сопротивлению. Например, если в системе передчи энергии через окружающую среду передатчик и приёмник подключены к земле и к изолированным терминалам посредством проводников, то длина этих проводников должна быть равна одной-четвёртой длины волны проходяшей через них.
На приложенном рисунке представлена схема аппарата используемого в моём изобретении.
Схема представляет два устройства одно из которых может быть приёмником, а другое передатчиком. Каждыое содержит катушку из нескольких витков имеющих низкое сопротивлеие (обозначено как А и А"). Первичная катушка, предназначенная быть частью передатчика подключена к источнику тока. В каждом приборе имеются плоские спирально намотанные индуктивные катушки В и B", один конец которых подключен к заземлению С, а другой, идущий из центра, к изолированному терминалу выведенному в воздух. Катушки В помещены в ёмкость содержащую охлаждающий агент вокруг которой намотаны катушки А. Катушки в форме спирали предназначены для создания свободных колебаний. Конечно, форма их может быт любой.
Теперь предположим, в простейшем случае, что на катушку А передатчика действуют импульсы произвольной частоты. Аналогичные импульсы будут индуктироваться и в катушках В, но с большей частотой. И это увеличение будет прямо пропоцианально их индуктивности и обратно пропоцианально их сопротивлению. А раз остальные условия остануться прежними, то интенсивность колебаний в резонирующей цепи В возрастёт в той-же пропорции в которой сопротивление уменьшится.
Однако зачастую условия могут быть таковы, что достижение цели заключается не только за счёт уменьшения сопротивления цепи, но и за счёт манипуляций длиной проводников и соответственно индуктивностью и сопротвлением, что определяет интенсивность свободных колебаний.
Колебания в катушке В, значительно усиленные, распространяются и достигают настроенной на приём катушки В" воозбуждая соответственные колебания в ней и которые по аналогичной причине усиливаются, что ведёт к увеличению токов или колебаний в цепях А" приёмного устройства. Кода цепь А периодически открывается и закрывается эффект в приёмнике повышается описанным способом, не только из-за усиления импульсов в катушах В, но и из-за их способности существовать в больших интервалах времени.
Изобретение наиболее эффективно, когда импульсы в цепи А передатчика вместо произвольных частот имеют частоту собственных колебаний, иначе говоря были возбуждены свободными колебаниями высокочастотных разрядов конденсатора. В таком случае охлаждение проводника А ведёт к значительному увеличению колебаний в резонирующей цепи В. Прёмные катушки B" возбуждаются сильнее пропорционально и индуцируют токи высокой интенсивности в цепи А". Очевидно, что чем больше число свободно вибрирующих цепей поочерёдно передают и принимают энергию, тем относительно больше будет эффект посредством применения моего изобретения.
Частотное регулирование на основе тиристорных преобразователей частоты все ши
ре применяется на судах мирового флота, особенно на специализированных – контейнеро-
возах, судах для транспортировки тяжеловесных грузов и т.п..
Этот вид регулирования – наиболее плавный и экономичный, с диапазоном регули-
рования до 12:1 и выше.
Изменение частоты тока питающей сети влияет на два важных параметра асинхрон
ного двигателя:
1. угловую скорость ω = 2πf (1 – s) / р;
2. критический (максимальный) момент двигателя М = с .
Как следует из приведенных соотношений, при увеличении частоты тока угловая
скорость увеличивается прямо пропорционально частоте, а критический момент уменьша-
ется обратно пропорционально квадрату частоты, что может привести к опрокидыванию
асинхронного двигателя (см. ниже).
Рис. 245. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении частоты тока питающей сети: искусственная (ИМХ) при частоте f = 25 Гц;
естественная (ЕМХ) при частоте f = 50 Гц
Рассмотрим регулирование скорости изменением частоты тока питающей сети от
значения f = 25 Гц до значения f = 50 Гц (рис. 245).
Пусть двигатель работает в точке «С» на искусственной механической характери-
стике при частоте f = 25 Гц. Этой характеристике соответствует критический момент
М и угловая скорость идеального холостого хода ω .
При скачкообразном увеличении частоты тока в 2 раза, т.е. до значения f = 50 Гц,
критический момент уменьшится в 4 раза (М = 0,25 М ), а угловая скорость иде-
ального холостого хода увеличится в 2 раза, до значения ω .
При этом двигатель при постоянстве скорости перейдет из точки «С» в точку «D».
Этой точке соответствует электромагнитный момент, меньший тормозного статического М . Поэтому двигатель станет тормозиться по участку «DE» характеристики, и в точке
«Е» остановится.
При реактивном статическом моменте (насосы, вентиляторы и т.п.) переходный процесс в точке «Е» закончится, т.е. двигатель после остановки ротора в точке «Е» оста
нется стоять под током.
При активном статическом моменте (грузовые лебедки и краны, брашпиль) пере-
ходный процесс в точке «Е» не закончится, двигатель после кратковременной остановки ротора в точке «Е» реверсирует и под действием статического момента М , созданного подвешенным грузом (или судовым якорем), станет разгоняться в обратном направле-
Привод перейдет в режим тормозного спуска, при котором электромагнитный мо-
мент двигателя направлен на подъем, а фактически происходит спуск груза (якоря).
При этом скорость спуска будет непрерывно увеличиваться, т.к. по мере разгона
привода значение тормозного электромагнитного момента двигателя непрерывно умень-
шается (М < М ). Если привод своевременно не остановить, произойдет авария.
Поэтому для электроприводов грузоподъемных и якорно-швартовных механизмов
при регулировании скорости одновременно, в равной степени, изменяют как частоту тока, так и напряжения питающей сети.
Рис. 246. Механические характеристики асинхронного двигателя при одновременном изменении частоты тока и напряжения питающей сети: естественная при частоте f = 50 Гц; искусственные при частотах f = 10, 20, 30 и 40 Гц
Тогда критический момент двигателя М = с = const (cм. рис. 246), поэтому