И проблема тут не только в мощности, потребной для разгона и торможения всех этих масс. Проблема еще и в тепле. Температурные ограничения на работу двигателя накладывает прежде всего изоляция проводов. Так, хлопок, шелк, бумага, пропитанные маслом, относятся к изоляции класса А и обеспечивают работу двигателя до температуры в 65 градусов по цельсию. Если же эти материалы применяются без пропитки — то лишь до 50. Слюда, асбест на вяжущих веществах обеспечивают уже 85 градусов. Слюда, асбест и стеклянная пряжа на теплостойких лаках — 100 градусов, ну и они же, но без лаков, то есть намотанных на провода всухую, а также фарфор, кварц — вообще не накладывают ограничений по температуре. Нам пока были доступны только изоляторы класса А.
Причем мы находились в худших условиях еще и по проводникам — у нас почти что не было электролитической меди, так что мы были вынуждены использовать другие цветные металлы. Так, расчеты показывали, что вполне можно применить дюралюминий — его удельное сопротивление всего в два-три раза выше, чем у меди и на тридцать процентов выше, чем у алюминия. А ведь в обмотках применяли и латунь, а ее сопротивление в пять-семь раз выше, чем у меди. Но у нас ведь есть еще и паровозы с их медными топками — и пусть эта медь не электролитическая, ее сопротивление выше чем у чистой меди — но все-равно ее сопротивление меньше, чем у алюминия и тем более у дюралюминия. Но медь нужна и для других целей — например, для ведущих поясков снарядов, хотя мы и начали делать попытки использовать там мягкое железо. В любом случае — как минимум пару десятков тонн на двигатели выделить сможем, хотя бы на самые ответственные. А уж остальную проводку откатаем из дюралюминия — битых самолетов у нас хватало, и этого металла скопилось несколько десятков тонн. Так что маневр по материалам-то у нас был, но вот двигатели приходилось рассчитывать на повышенные тепловые режимы — наши проводники будут выделять больше тепла. Так что приходилось либо делать более массивные двигатели, с большим количеством полюсов, чтобы уменьшить токи обмоток, либо увеличивать вентиляцию, ну либо выдерживать такие режимы работы оборудования, при которых двигатель успевал бы подостыть между сеансами работы.
Причем тепло выделяется не только при работе, но и, например, при торможении. Затормозить двигатель можно несколькими способами — переключить его в режим генератора, когда он остановится за счет потерь набранной механической энергии на генерацию тока, динамическим торможением — почти то же самое, только генерируемый при торможении ток идет на отдельное сопротивление, на которое переключается генерирующая обмотка двигателя, третий способ торможения — противовключением, когда полюса меняются местами и двигатель по сути начинает крутиться в обратную сторону, то есть в первые мгновения после такого переключения он сначала тормозит набранную самим двигателем и приводимыми им частями станка механическую энергию, и только потом начинает на самом деле вращаться в обратную сторону — именно этот метод чаще всего применяется на реверсивных станах — им ведь все-равно надо вращаться в обратную сторону, так что для двигателя создают схемы реверса — так почему бы их же не использовать и для торможения ? Вот и используют.
Причем асинхронные короткозамкнутые двигатели, которые я и предполагал использовать по незнанию всех тонкостей, хотя и были самыми простыми по конструкции, не подходили еще из-за характера работы прокатного стана — он часто запускался и останавливался, соответственно, часто возникал режим генерации электричества — и, так как обмотка ротора была короткозамкнутой, все это сгенерированное электричество и оставалось внутри ротора, превращаясь в тепло. В отличие от короткозамкнутых, двигатели с кольцами — асинхронные, синхронные или двигатели постоянного тока — позволяли выводить генерируемый при торможении ток из ротора наружу — и отводить его на внешнее сопротивление, где и выделялось тепло. Разве что вводить механические тормоза, которые и будут останавливать двигатель — но это все-равно требует контроля со стороны управляющих схем — перед нажатием тормоза двигатель надо отключить.
Вот, кстати, возникает новая точка управления — при торможении надо не просто отрубить двигатель и ждать, когда он остановится за счет генерируемой ЭДС, и, в меньшей степени, за счет трения, а переключить его обмотки на это внешнее сопротивление — ведь надо затормозить не только сам двигатель, но и те массы, что до этого он вращал. И таких точек контроля в двигателях оказалось немало — а не так что одна кнопка включил-выключил.
Ведь в двигателе может быть несколько обмоток — якоря, статора, возбуждения, противокомпаундная, независимая, самовозбуждения и что там еще — за прошедшие сто лет инженеры-электрики придумали множество схем, и всеми ими надо управлять — вовремя подключать и отключать, причем для разных режимов работы порядок включения будет различаться, нужно в четкой последовательности подавать нужные токи, регулируя их либо сопротивлениями — переменными или выбирая переключателем один из набора постоянных — либо подключать к разным питающим цепям — например, от понижающего или обычного трансформатора — схем управления и работы были десятки. Так что процесс управления двигателем представляет собой сложную задачу — в зависимости от требующегося в данный момент режима — пуск, останов, длительная работа, включение реверса — а также нагрузки порой требуется согласованно и в нужной последовательности перещелкнуть и передвинуть до десятка регуляторов и выключателей, чтобы поменять токи, протекающие через обмотки, и тем самым получить нужную механическую характеристику, которая и вытекает из схемы включения и проходящих по ней токов.
Человеку такое сделать довольно сложно, поэтому для управления двигателями создают контроллерные устройства, которые сдвигом или поворотом одной-двух рукояток позволяют переключить несколько регуляторов — усилия, прикладываемые человеком к рукоятке управления, через кулачки и тяги идут к переключателям, а то, как эти усилия пойдут, закладывается в механической и электрической схеме контролера. Например, синхронный двигатель переменного тока сначала запускается как асинхронный, для чего в нем делают короткозамкнутую обмотку по типу беличьего колеса — и только после запуска подключаются рабочие обмотки — причем на асинхронном режиме двигатель должен набрать как минимум 95% оборотов — и только тогда он входит в синхронный режим. То есть короткозамкнутая обмотка должна обеспечить разгон до таких скоростей при расчетной механической нагрузке. А для мощных двигателей — более 200 кВт — экономичнее именно синхронные, чем асинхронные.
Важны и пусковые характеристики разных двигателей, ведь при пуске двигатель потребляет больший ток — причем чем выше номинальная скорость вращения двигателя, тем будет выше и превышение пускового тока над номинальным — вплоть до семи крат. И не всякая сеть может выдержать такие токи, поэтому может потребоваться запуск двигателей от меньшего напряжения, чтобы снизить и пусковой ток — например, подключая двигатель через понижающий трансформатор, а после запуска — переключая на нормальное напряжение. Ну или перекоммутировать обмотки статора — при пуске включать их по схеме треугольника, а потом переключать на звезду. Снова появляются дополнительные управляющие цепи.
Управление скоростью вращения двигателя также делается на разных схемах. Могут включить в цепь обмоток сопротивление — оно уменьшает ток через обмотки, соответственно, меняется магнитный поток обмотки статора, либо якоря, либо и то и другое. Причем дополнительным сопротивлением, шунтирующим якорь, могут сделать более пологие характеристики двигателя на малых оборотах — то есть уменьшить падение оборотов в зависимости от нагрузки.
Наиболее мягко позволяют регулировать обороты двигатели постоянного тока, вот только получить его — проблема, так как в основном промышленные сети несут переменный ток. Чтобы из переменного получить постоянный, применяют несколько схем. Во-первых, это выпрямители — механические или электрические. В первых электромагнит колеблется с частотой электросети, и с той же частотой перекидывает контакт с одного полюса на другой, так что он всегда передает напряжение только в одном направлении. Электрические выпрямители обычно строятся на ртутных выпрямителях — в парах ртути зажигается электрическая дуга, и так как она зажигается от тока только прямого направления, то и ток проходит через нее только в один из полупериодов. Соответственно, мостовая схема включения, когда две пары ртутных ламп пропускают ток либо в положительном, либо в отрицательном полупериодах, и дает на выходе ток только одного направления. Применяют мостовые схемы и на полупроводниках — как правило, это купроксные элементы — закись меди на меди — в их контакте и возникают полупроводниковые эффекты. Их обычно соединяют в пакетные схемы, так как один элемент держит напряжение не более пяти вольт. Самая суровая схема — это когда от сети переменного тока работает мотор, который вращает генератор постоянного тока, и уже от него запитываются приводы станков — так называемая система Леонарда. Ну и если на предприятии есть собственный генератор, он может быть сразу генератором постоянного тока — небольшие расстояния позволяют не беспокоиться и потерях при передаче такого тока к исполнительным устройствам.
Схема двигателя важна и с точки зрения пусковых моментов. Так, в сериесных двигателях обмотка возбуждения и обмотка якоря включены последовательно — потому они так и называются — series, то есть последовательные, соответственно, ток обмотки и ток якоря практически одинаковы. Такое включение дает большой начальный вращающий момент — как раз самое то для крановых двигателей, двигателей прокатных станов и прочих механизмов, в которых возникают высокие начальные усилия. Разве что такие двигатели нельзя включать на холостом ходу — число оборотов без нагрузки нарастает очень быстро и двигатель разносит. Чтобы этого избежать, используют несколько схем с шунтирующими сопротивлениями. У синхронных лучше перегрузочная способность — то есть способность выдержать перегрузку относительно номинальных значений — у них она доходит до 2,5 и даже до 4 раз, тогда как в двигателях постоянного тока — до 2, максимум до 3, в асинхронных с кольцами — 2-2,5, а в короткозамкнутых — всего 1,8-2. А чем выше перегрузочная способность, тем меньше потребная мощность и, соответственно, размеры двигателя.
Но для прокатного стана нужен двигатель с длинным якорем и небольшим диаметром, чтобы уменьшить маховые моменты и, соответственно, время пуска и останова, но при этом за счет увеличенной длины обеспечить достаточную мощность. И чем выше скорость вращения, тем выше мощность двигателя. Но скорость вращения ограничена количеством полюсов — чем их больше, тем меньше скорость вращения. Полюсное деление мощных двигателей — то есть часть дуги, приходящейся на обмотку одного полюса — обычно не менее десяти сантиметров, в крайних случаях — шесть сантиметров. Соответственно, при частоте сети 50 герц и двух полюсах скорость вращения будет 1500 оборотов в минуту, а диаметр ротора — всего 13 сантиметров. Но количество полюсов приходится увеличивать, иначе необходимый ток, протекающий через обмотки, будет очень сильно их нагревать — поэтому, чтобы снизить ток через обмотку и вместе с тем увеличить мощность двигателя, и приходится увеличивать количество полюсов, а вместе с тем и диаметр двигателя. Как вариант — наращивать длину, тогда частоту вращения можно оставить высокой — но это уже потребует более сложных передаточных механизмов — редукторов, которые снизят скорость вращения до необходимой для обработки и вместе с тем должны будут выдерживать высокие нагрузки, передаваемые от мощного двигателя. И тут уже приходится сопоставлять разные варианты — что проще — увеличить габариты двигателя и уменьшить затраты на механическую обработку шестерен, корпуса и прочих деталей редуктора, или же редуктор можно будет сделать достаточно просто, и тогда можно уменьшить диаметр двигателя. При этом надо учитывать, что более массивный редуктор добавляет свои массы к массам, которые двигателю надо разогнать или остановить — и снова расчеты, уже с этих позиций — возможно, массивный редуктор съест все выгоды от уменьшения диаметра двигателя и вместе с тем потребует много механической обработки, так что может быть выгоднее сделать малооборотный двигатель большего диаметра, зато существенно упростить редуктор, вплоть до того, что он вообще не понадобится.
В общем, тонкостей и нюансов с электродвигателями было более чем достаточно — я лишь немного нахватался по верхам, пробежавшись по диагонали по пятку учебников и справочников, когда готовился к первому совещанию по электродвигателям и электроснабжению, которое прошло в начале сентября. И началось это совещание с сакраментальной фразы:
— Так электродвигатели нужны ...
— Как у нас с электродвигателями ? — я посмотрел на начальника комитета по электрификации.
— Всего свободны, то есть доступны к установке — пятьсот двадцать единиц.
— Ого ! Откуда это ?
— С оборудования — разрушенного, или с временно оккупированных территорий. Вы же говорили снимать двигатели, чтобы враг не мог воспользоваться временно оставленной техникой.
— Да, все правильно. Только эти двигатели пока придержите — возможно, скоро будем ставить обратно.
— Ну тогда двести тридцать пять единиц. И еще около трех сотен на восстановлении — в основном — перемотка сгоревших обмоток.
— С какой скоростью они восстанавливаются ?
— Пока по два-три двигателя в день. Размотать, очистить проволоку, заизолировать, снова намотать ...
— Ну, нормально. Людей не требуется ?
— Пока нет — не хватает оборудования, так что работают три десятка — и ладно. Со следующей недели приступают к обучению тридцать человек, что сейчас занимаются подключением и контролем эксплуатации — они уже подготовили учеников, так что сами постепенно высвобождаются.
— Хорошо. А для станов есть что-то подходящее ?
— Мощных — по тридцать-пятьдесят-семьдесят киловатт — шесть штук. Ну и один в семьсот пятьдесят.
— Не хватит ? — я повернулся к главному металлургу.
— Не хватит.
— Тогда надо организовать их производство. — я снова обратил взгляд на электрика.
— Так роторы-статоры ... проволока ...
— Прокатать и вытянуть проволоку сможем на кроватной фабрике — у них есть и станы для прокатки прутка, и волочильные станки, и даже станок для плетения панцирной сетки, правда, пока он нам без надобности, так как кровати пока будем делать с дощатым настилом на местных деревообрабатывающих предприятиях и столярных мастерских — разве что делать сетку-рабицу, но и на нам пока не нужна. — оказывается, эту сетку тут уже изобрели — и — кто бы мог подумать ? — Карл Рабиц, откуда и пошло название сетки — еще в 1878 году.
— В обмотку — дюралюминий ? Один бомбардировщик даст дюраля на сотню, а то и тысячу моторов. Вопрос — в изоляции.
— Изоляцию — из бумаги в масле — нормально будет.
