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.
