ГЛАВА
1
ЦЕПИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
ГЛАВА
2
ЕМКОСТЬ И ИЗОЛЯЦИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ^^
УСТРОЙСТВ J А
ГЛАВА
3
ГЛАВА
4
ГЛАВА
5
ГЛАВА
6
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ
ИНДУКЦИЯ
44
ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
68
ТРЕХФАЗНАЯ СИСТЕМА ^-^^
ПЕРЕМЕННЫХ ТОКОВ 1 U4
ТРАНСФОРМАТОРЫ
118
ГЛАВА
7
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ .^^
ПРИБОРЫ 14U

ГЛАВА
8
ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ
ПРИБОРЫ
158
ГЛАВА
9
ЭЛЕКТРОННЫЕ
ВЫПРЯМИТЕЛИ, УСИЛИТЕЛИ
И ГЕНЕРАТОРЫ
184
ГЛАВА
10
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
И ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
200
ГЛАВА
11
АСИНХРОННЫЕ
И СИНХРОННЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
236
ГЛАВА
12
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО
ТОКА
258
ГЛАВА
13
ПРОИЗВОДСТВО, ПЕРЕДАЧА
И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ «^q^
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ^ОХ
ГЛАВА
14
РЕЛЕ И РЕЛЕЙНАЯ
ЗАЩИТА
298

't
С.КАСАТКИН
ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Одобрено Ученым советом
Государственного комитета
Совета Министров СССР
по профессионально-техническому
образованию
в качестве учебного пособия
для технических учебных
заведений
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1975

6П2.1 Александр
К28 Сергеевич
Касаткин
Основы
электротехники
Редактор
П А. Сильвестрович
Оформление и художественное редактирование
С. Г. Абелина
Макет и техническое редактирование
Т. Д. Гариной
Графика
И. Н. Веселова-Новицкого
Цветное фото
Э. А. Туницкого
Т-13777 Бумага офсетная № ^ Изд. № ЭГ-2и
Сдано в набор 29/XI —1974 г. Объем 19 печ. л. Заказ 819
Подл, к печати 9/IX—1975 г. 22,23 усл. п. л. Тираж 100.000 экз.
Формат 70x901/16 22,83 уч.-изд. л. Цена 1 руб.
БЗ—26—5 от 2/IV-75 г.
Москва, К-51, ул. Неглинная, 29/14, издательство «Высшая школа»
Ярославский полиграфкомбинат «Союзполиграфпрома»
при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.
Касаткин А. С.
К28 Основы электротехники. Учебное пособие для техн.
. учебн. заведений. М., «Высшая школа», 1975
304 с. с ил.
В книге даны теоретические сведения о постоянном и
переменном токе, о явлениях магнетизма й электромагнитной
индукции. Рассмотрены принцип действия, устройство и виды
трансформаторов, машин постоянного тока,
полупроводниковых, электронных и ионных приборов, а также источников
электрического освещения.
Отдельные главы посвящены вопросам, связанным с
производством, передачей и распределением электрической
энергии, а также с электрическими измерениями.
Все замечания и предложения просим направлять по адресу:
Москва^ К'51, Неглинная ул., 29(14, издательство «Высшая
школа».
30306—428
К БЗ—26—5—75 6П2.1
052(01)—75
Издательство «Высшая школа», 1975 г.

ВВЕДЕНИЕ
Электротехникой принято называть науку, изучающую вопросы технического
использования электрических явлений для нужд промышленного производства и быта.
Исключительное значение электротехники в наши дни объясняется тем, что
средствами электротехники относительно просто решаются важнейшие проблемы во всех
областях современной жизни (промышленности, быта, транспорта, передачи информации,
медицины и т. д.), например, передача на дальние расстояния и преобразование больших
количеств энергии и передача сигналов на практически неограниченные расстояния.
Возникновению электротехники как прикладной науки предшествовал довольно
длительный период (начиная примерно с XVI в.) накопления знаний об электричестве
и магнетизме. В середине XVIII в. М. В. Ломоносов опубликовал ряд работ,
посвященных изучению электричества, в частности атмосферного.
Однако практический интерес к электрической энергии — этому новому особому
виду энергии — возникает лишь с появлением источников непрерывного электрического
тока — гальванических элементов, открытых итальянским физиком Вольта в 1799 г.
Среди множества изобретений, создавших условия для развития электротехники,
значительное число принадлежит русским ученым и инже11ерам. Работы наших
соотечественников послужили базой для развития важнейших отраслей теоретической и
прикладной электротехники. Исследуя гальванические элементы, В. В. Петров открыл
электрическую дугу (1802 г.) и обратил внимание на возможности ее использования для плавки
металлов и для освещения. Русский академик Э. X. Ленц в 1833 г., обобщив открытия
Эрстеда и Фарадея (1831 г.), теоретически обосновал обратимость электрических машин;
в соответствии с принципом электромагнитной индукции установил правило
определения направления индуктированного тока; в 1838 г. изобрел, а затем широко применил
гальванотехнику; в 1844 г. им был установлен закон теплового действия тока
(независимо от английского ученого Джоуля), получивший название закона Ленца — Джоуля.
В 1833 г. П. Л. Шиллингом был построен первый в мире электромагнитный телеграф.
Первые опыты по передаче электрической энергии на значительные расстояния были
проведены в России в 1874 г, Ф. А. Пироцким, а позднее повторены в 1882—1883 гг. во
Франции Депре. Большое социальное значение последствий этих открытий предвидели
Маркс и Энгельс. В письме Энгельса к Бернштейну (1883 г.) сказано: «Совершенно ясно,
однако, что благодаря этому (открытию) производительные силы настолько вырастут,.
что управление ими будет все более и более не под силу буржуазии»*.
К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч., изд. 2-е, т. 35, стр. 374.

Начало практическому применению электрического освещения положило
изобретение в 1876 г. П. Н. Яблочковым электрической свечи. А. Н. Лодыгиным были созданы
лa^/^пы накаливания с угольным стержнем (1873 г.), лампы с вольфрамовой нитью
(1890 г,).
Работы М. О. Доливо-Добровольского, изобретшего трехфазный трансформатор
и асинхронный двигатель (1889—1891 гг.) и детально разработавшего технику noci
роения трехфазной системы передачи и распределения электрической энергии, обеспечили
создание системы, которая по сегодняшний день остается основным способом передачи
и распределения электроэнергии на всем земном шаре.
Открытие электромагнитных волн немецким ученым Г. Герцем было практически
использовано А. С. Поповым в его изобретении — радиопередаче (1895 г.).
Славные традиции русских электриков XVI—XIX вв. продолжают ученые и
инженеры нашей страны в годы расцвета электротехники при Советской власти. В каждом
перечне работ, удостоенных Ленинской и Государственной премий, можно найти работы
из области электротехники, в большинстве случаев целых коллективов, так как
коллективный труд необходим для решения сложных проблем.
Широкое, разностороннее применение электрической энергии в народном хозяйстве
и быту, вырабатываемой централизованно на мощных электростанциях, объединенных
высоковольтными сетями в энергетические системы, называется электрификацией страны.
«Электрификация, являющаяся стержнем строительства экономики
коммунистического общества, играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства,
в осуществлении всего современного технического прогресса»*.
Гениальный основатель Советского государства В. И. Ленин предвидел
исключительное значение электрификации для развития производительных сил при социализме.
Еще в 1913 г. он писал: «При социализме... «электрификация» всех фабрик и железных
дорог сделает условия труда более гигиеничными, избавит миллионы рабочих от дыма,
пыли и грязи, ускорит превращение грязных отвратительных мастерских в чистые,
светлые, достойные человека лаборатории»**.
На VIII Всероссийском съезде Советов 22 декабря 1920 г. В. И. Ленин, докладывая
план Государственной комиссии по Электрификации России (ГОЭЛРО)), сказал:
«Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны». По мысли
Ленина передовой общественный строй должен быть связан с самой прогрессивной
техникой. По современным масштабам советской электрификации план ГОЭЛРО
кажется весьма скромным. Однако он был мировой сенсацией — это был первый в мире
план хозяйственного развития всего государства. План ГОЭЛРО был выполнен до-
срочно (в 1931 г.) в период осуществления первого плана индустриализации (1928—
1932 гг,), В результате выполнения второго и части третьего плана индустриализации
годовая выработка электроэнергии в 1940 г. достигла 40 млрд. кВтч. Нападение
фашистской Германии прервало мирный труд советского народа; но даже во время войны
на востоке страны велось большое энергетическое строительство.
К 1970 г. годовая выработка электроэнергии достигла 740 млрд. кВтч. Выработка
электроэнергии за 1973 г. составила 915 млрд. кВт • ч. Она превышает годовую выработку
электроэнергии вместе взятых Англии, Италии, Франции и ФРГ. Установленная мощ-
* Программа Коммунистической партии Советского Союза. М., Политиздат, 1974, стр. 69.
** В. И. Ленин. Поли. собр. соч., изд. 5-е, т. 23, стр. 93—95.

ность электростанций Советского Союза значительно выше 200 млн. кВт. Большинство
электростанций в Советском Союзе тепловые (свыше 83%) — это государственные
районные электрические станции (ГРЭС), тепловые конденсационные станции (КЭС),
построенные вблизи природных запасов топлива. Из них более 30 имеют мощность от
1 до 3,6 млн. кВт.
Кроме того, к числу тепловых относятся теплофикационные электростанции (ТЭЦ).
Они снабжают население и промышленность одновременно теплом и электроэнергией.
По развитию системы ТЭЦ первое место в мире принадлежит нашей стране.
Гидроэлектрические станции (ГЭС), построенные на больших реках, по мощности
своей составляют около 16% от общей мощности.
Мощность атомных электростанций (АЭС) пока относительно мала, но ее значение
в энергетическом балансе СССР быстро возрастает. В Советском Союзе была построена
первая в мире атомная электростанция. По мере совершенствования рабочего процесса
и оборудования стоимость энергии атомных электростанций приближается к стоимости
энергии ГРЭС. Особенно АЭС выгодны там, куда горючее нужно завозить издалека.
В настоящее время 1 кг атомного горючего (урана или тория) по теплотворной
способности эквивалентен примерно 2700 т каменного угля.
В СССР работают и строятся крупнейшие в мире гидроэлектрические станции:
установленная мощность Красноярской ГЭС 6 млн. кВт и строятся ГЭС еще большей
мощности.
Развитие электроэнергетики в течение девятой пятилетки определено Директивами
XXIV съезда КПСС, в которых сказано: «В электроэнергетике довести производство
электроэнергии до 1030—1070 млрд. кВт-ч. Ввести в действие на электростанциях
мощности в размере 65—67 млн. кВт, главным образом, за счет строительства тепловых
электростанций, с установкой на них крупных энергетических блоков»*.
Девять десятых энергетических ресурсов СССР — горючих ископаемых и мощных
многоводных рек — находятся за Уральским хребтом. -
Для увеличения энергетических ресурсов европейской части Союза уже построены
многие тысячи километров газопроводов — самого экономичного способа передачи
энергии. В Директивах XXIV съезда КПСС сказано: «Построить не менее 30 тыс. кило*
метров магистральных газопроводов». Для передачи энергии необходимы сверхдальние
линии длиной 2000 км и более. Для экономичной передачи на такие расстояния
требуются сверхвысокие напряжения. В Директивах предусмотрено построение линий
переменного тока напряжением 750 и 1150 кВ и линий постоянного тока напряжением 1500 кВ.
Применение таких напряжений создаст возможность передачи электроэнергии из Сибири
и Казахстана в центральные районы страны и позволит объединить все крупные
электростанции Союза в Единую энергетическую систему, управляемую из одного центрального
пункта.
Так неуклонно осуществляются ленинские идеи электрификации всей страны.
* Директивы XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства
СССР на 1971—1975 годы. М., Политиздат, 1971, стр. 18.

Глава щ ЦЕПИ
ПОСТОЯННОГО
ТОКА

1.1
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК,
КОЛИЧЕСТВО
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
И СИЛА ТОКА
Современное учение об электрическом токе тесно связано с учением о строении
вещества. Вещество состоит из молекул, которые, в свою очередь, складываются из атомов,
а последние в основном состоят из электронов, протонов и нейтронов.
Только электроны — носители отрицательных зарядов — могут перемещаться
внутри вещества, а протоны и нейтроны прочно удерживаются на своих местах в ядре атома.
Из числа электронов свободными могут быть только те, которые находятся на внешних
орбитах атома; следовательно, от строения атома зависит количество свободных
электронов. Последние могут создавать электрический ток и, если их относительно много,
вещество является проводником, т. е. хорошо пропускает движущиеся заряды. К
проводникам относятся все металлы.
Диэлекприками (или изоляторами) называются вещества, в которых почти все
электроны прочно удерживаются на орбитах вокруг положительных ядер атомов.
Воздействие внешних электрических цепей вызывает в диэлектриках только сдвиг элек! ронов
по отношению к ядрам (поляризацию). Электрический ток диэлектрики не пропускают.
Они необходимы для того, чтобы направить должным образом движение электрических
зарядов по проводникам.
Электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов в
определенном направлении в пространстве. Носителями зарядов, движение которых создает
электрический ток, в большинстве случаев служат свободные электроны (в частности,
в металлах), а значительно реже (в жидкостях и газах) — ионы. В металлах длительное
перемещение свободных электронов в одном направлении v, (рис. 1) накладывается на
их беспорядочное тепловое движение v. Такое перемещение называется дрейфом;
следовательно, электрический ток в металлах создается дрейфом электронов. Но при
электротехнических расчетах почти всегда можно заменять дрейф множества электронов
эквивалентным прямолинейным движением положительных электрических зарядов по
направлению действия электрических сил.
Скорость упорядоченного (поступательного) движения свободных электронов в
металле относительно мала, обычно она не превышает 1 мм в секунду. Однако скорость
распространения электрической энергии весьма велика — в воздушных линиях она
практически равна скорости света. Поэтому при замыкании электрической цепи ток в ней
практически устанавливается почти мгновенно. В этом нет противоречия —
электрическое поле, создаваемое источником электроэнергии и воздействующее на заряды,
распространяется вдоль линии со скоростью света, а электрические заряды под его действием
перемещаются относительно медленно. Можно прибегнуть к такому сравнению: при
открывании водопроводного крана из него сразу под напором начинаел течь вода, хотя

1.
Возникновение
дрейфа электронов под
действием
электрического поля
2.
Условные графические обозначения различных видов источников электроэнергии:
а ~ ■}. л. с, о — гальваиических элементов или аккумуляюрон. « —Oaiapen 1альваиичсских элементов или
аккумуляторов, г — 1ер'ио>лемснгов, ^) — фоюмлемеиза, <'— злек1ромашимного генератора постоянного
гока, ж ~ злек1ромаи1инио10 roiepaiopa переменного гока
частицы воды, посылаемые водонапорной станцией, движутся в трубах довольно
медленно.
Для возникновения электрического тока должна быть создана электрическая цепь,
состоящая из проводников.
Для поддержания тока необходим источник электрической энергии, который
преобразует другие формы энергии в электрическую. Так, первичные двигатели (паровые,
газовые или гидравлические турбины и т. д.), мощные электромашинные генераторы
преобразуют механическую энергию, гальванические элементы и аккумуляторы — энергию
химических процессов, маломощные термоэлементы и магнитогидродинамические
генераторы— теплоту, наконец, различные фотоэлементы (широко применяемые на
искусственных спутниках земли и в космических межпланетных станциях) — лучистую
энергию. На рис. 2 показаны условные графические обозначения различных видов
источников электроэнергии.
Однако электричество служит лишь для передачи энергии, так как в различных
приемниках электроэнергия всегда преобразуется в другие виды энергии: в
электродвигателях — в механическую энергию, в осветительных устройствах — в лучистую, в
электропечах — в теплоту и т. д.
Следовательно, основными частями простой электрической цепи являются источник
электроэнергии Е (рис. 3), приемник электроэнергии г, провода, соединяющие их между
собой, и выключатель К для* размыкания и замыкания цепи.
Непосредственно наблюдать электрический ток человек не может, а о наличии тока
он судит по сопровождающим этот ток явлениям. Подобные явления можно наблюдать
с помощью различных приемников электроэнергии. На рис. 4 показано несколько
простейших приемников электроэнергии, соединенных между собой последовательно, т. е.
через них проходит один и тот же ток, поддерживаемый источником электроэнергии
(батарея из аккумуляторов или гальванических элементов, соединенных последовательно).

3.
Простейшая
электрическая цепь и ее ус-,
ловное графическое
изображение
Для измерения силы тока последовательно со всеми приемниками в цепь включен
амперметр А.
Спустя некоторое время после того как цепь была замкнута выключателем, тонкая
металлическая нить, нагревшись, начнет светиться и удлинится, вследствие чего
провиснет. Следовательно, в данном приемнике электрическая энергия преобразуется в тепло
и лучистую энергию.
Электролитическая ванна на пути тока — это стеклянный сосуд, в котором на
некотором расстоянии одна от другой установлены две медные пластины и налит
электролит— раствор медного купороса. В ней можно наблюдать химическое действие тока.
Электрический ток проходит через медные пластины и электролит, вследствие чего
происходит электролиз — одна пластина уменьшается, а другая увеличивается. Ток
переносит металл через электролит. На основании наблюдений такого переноса металла
в XIX в. ученые решили, что в электрической цепи ток проходит в направлении переноса
металла. Зажим источника электроэнергии, из которого-направленный ток выходит во
внешнюю цепь, был назван поломсительным полюсом и обозначен (f), соответственно
второй зажим получил название отрицательного полюса и был обозначен (—).
Впоследствии было установлено, что в электролите заряженные положительно и отрицательно
носители зарядов — ионы — движутся в двух противоположных направлениях, а в
металлах носители зарядов — свободные электроны — движутся в направлении,
противоположном принятому направлению тока. Из-за этого ошибочного предположения
пришлось считать заряд электронов отрицательным, т. е. принять, что дрейф электронов
направлен в сторону, противоположную электрическому току.
Для наблюдения электродинамического действия тока служит приемник, в котором
гибкий провод закреплен в зажимах так, что образует узкую петлю. Вследствие
электродинамического отталкивания сторон петли, обтекаемой током, петля расширяется.
Электромагнит и магнитная стрелка показывают электромагнитное действие тока.
Когда по обмотке электромагнита проходит ток, стальные опилки притягиваются к
концам сердечника. В то же время магнитная стрелка становится перпендикулярно
направлению провода, по которому проходит ток.
На основании подобных простых явлений можно судить не только о наличии тока,
но и о его количестве. Для количественной характеристики электрического тока служил

4.
Некоторые явления, сопровождающие электрический ток
понятие силы тока I или /*. Она определяется величиной электрического заряда q,
протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Если движение заря-
* дов равномерно и за время t через поперечное сечение проводника переместилось
количество электричества q, то постоянная сила тока в проводнике /=- q/t. При
неравномерном движении зарядов ' = ^, здесь Аг—малый промежуток времени, за который
через сечение проводника проходит количество электричества Aq.
Несмотря на то что сила тока определяется через количество электричества, основной
электрической единицей в Международной системе мер (СИ), принятой в СССР, является
единица с большей точностью, чем измерение количества электричества.
Единица силы тока — ампер (А) — определяется на основании
электродинамического взаимодействия проводников, обтекаемых током. Согласно ГОСТу это сила
неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным
проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на
расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками
силу 2 • 10"^ Н (ньютон) на каждый метр длины.
Практически же ампер точно определяется в метрологических лабораториях при
помощи прибора (ампер-весов), в котором электродинамические силы взаимодействия
между катушками можно точно рассчитать. В системе единиц МКСА (метр, килограмм,
секунда, ампер), являющейся частью системы СИ, единственной основной электрической
единицей служит ампер. Все остальные единицы электрических и магнитных величин
являются производными, т. е. определяются через четыре основные единицы.
Для измерения большой силы тока применяют кратную единицу — килоампер (кА),
равный 1000 А, а для измерения малых токов — миллиампер (мА), равный одной ты-
лл * Изменяющиеся электрические величины принято обозначать малыми (строчными) бук-
'^ вами, а неизменяющиеся, относительно постоянные, — большими (прописными) буквами.

сячной ампера (110 ^ А) и микроампер (мкА), равный одной миллионной ампера
(МО ^ А).
Приведем несколько примеров силы тока, дающие более конкретное представление об
ампере. Человек начинает ощущать проходящий через его тело ток, когда сила тока достигает
примерно 5 мА, но когда этот ток возрастает ориентировочно до 50 мА, он становигся onacFibiM
для жизни человека. Сила тока наиболее распространенных ламп накаливания 0,1 — 1 А, а бытовой
люминесцентной лампы—0,15 А. Для электрической плитки нужна сила тока 1,5—5 А. Сила
тока электродвигателей средней мощности ориентировочно 5—25 А. В электрометаллур! ичсских
установках сила тока достигает 50 кА и более.
Единица количества электричества кулон (Кл) определяется как заряд, переносимый
через поперечное сечение проводника в 1 с при неизменной силе тока, равной 1А:
1Кл«1 Ас.
Электрон, наименьшая неделимая частица электричества, обладает отрицательным
зарядом с 36 10"^^ Кл.
1.2
НАПРЯЖЕННОСТЬ,
РАБОТА И НАПРЯЖЕНИЕ
В проводнике, по которому проходит ток, существует электрическое nojw, воздейст-
^вующее на электрические заряды и вынуждающее их перемещаться по направлению сил
поля. Основной количественной характеристикой электрического поля служит его
напряженность Е. Она определяется как сила, действующая на единицу положительного
электричества в рассматриваемой точке поля. Если на положительный заряд q действует
сила F (рис. 5), то напряженность в данной точке
E-F/^. (1)
Напряженность и сила обозначены жирным шрифтом, так как это физические векторы,
т. е. величины, имеющие определенное направление в пространстве. В дальнейшем, когда
нужно учитывать только значение напряженности, она обозначается Е„.
Если напряженность во всех точках поля одинакова, то это поле равномерное.
Работа, совершаемая силами поля при движении заряда по направлению такого
равномерного поля, равна произведению силы на путь /:
AbFl^qEnL (2)
Одной из основных величин, характеризующих
электрическую установку, является напряжение. Оно численно равно
работе, выполняемой при перемещении единицы
положительного электричества (одного кулона) между двумя точками
(например, между двумя зажимами источника электроэнергии):
U = A!q.
Единицей измерения напряжения служит вольт (В) — в си-
5
п
в
точками цепи равно одному вольту, если при перемещении трическом поле
^тл ,, Перемещение заряда
стеме СИ производная единица. Напряжение между двумя g равномерном элек-
11

6.
Измерение
напряжений вольтметрами
между ними единицы положительного электричества производится работа, равная
одному джоулю*. Следовательно, Дж - В • Кл.
Для измерения высоких напряжений применяется кратная единица — киловольт (кВ),
равный 1000 В, а для малых напряжений — милливольт (мВ), равный 0,001 В, и
микровольт (мкВ), равный 0,000001 - 1 • 10"^ В.
Приведем некоторые примеры напряжений в различных электротехнических устройствах.
В настоящее время в СССР проектируются линии для сверхдальней передачи электроэнергии
при напряжении 1,5 млн. В (1500 кВ), напряжения в действующих линиях электропередач 750, 500,
330, 220 и 110 кВ, напряжения городских кабельных (подземных) сетей обычно 6 или 11 кВ,
напряжение между контактным проводом и рельсом городского трамвая 600 В (в метрополитене 825 В).
Низким напряжением с точки зрения безопасности для человека принято считать напряжение,
не превышающее 250 В. В наиболее опасных для человека условиях напряжение
электротехнических устройств по отношению к земле не должно превышать 12 В (в сырых и жарких
помещениях 36 В). Один гальванический элемент дает напряжение немногим более 1 В; напряжение
термоэлементов — величина порядка десятков милливольт.
На основании формул (I) и (2) работа, совершаемая при перемещении заряда q между
точками а и Ьв равномерном поле по направлению поля (рис. 5), будет: А ^ Е„1аьс1 или,
если ее выразить через напряжение между точками а и Ь:
А = Uabq, (3)
следовательно, в равномерном поле
Uab ~ Enlab,
Так как в системе СИ расстояние \аь должно измеряться в м, то, следовательно,
напряженность электрического поля должна измеряться в вольтах на метр (В/м), чаще, однако,
применяется кратная единица В/см ^ 100 В/м.
Само определение понятия «напряжение» показывает, что оно должно относиться
к двум точкам электротехнического устройства: например, напряжение между проводами
электрической линии, напряжение между проводом и землей, но неправильно выражение
«напряжение провода». Однако напряженность имеет определенное значение в любой
точке электрического поля.
Прибор для измерения напряжений — вольтметр подключают к тем двум точкам,
напряжение между которыми нужно измерить, например, к зажимам а]\Ь генератора Г
(рис. 6) и к зажимам end нагрузки Н. Как уже отмечалось, ампермеп р включается
последовательно с объектом измерения, а вольтметр — параллельно этому объекту.
* Джоуль (Дж) равен работе, производимой силой в один ньютон при перемещении точки
ее приложения на один метр по направлению этой силы.

1.3
СОПРОТИВЛЕНИЕ
И ПРОВОДИМОСТЬ
Поступательное движение электронов, перемещающихся (дрейфующих) под
действием сил электрического Поля, тормозится вследствие столкновений с атомами или
молекулами проводника. Частота столкновений зависит от формы проводника и
структуры его материала. Противодействие проводника направленному движению зарядов,
т. е. электрическому току, называется сопротивлением проводника, В металлических
проводниках свободные электроны перемещаются через кристаллическую рещетку
(рис. 7), которую образуют положительные ионы металла, связанные между собой
отрицательно заряженным электронным газом (совокупность свободных электронов,
способных участвовать в переносе тока).
Ток в твердых проводниках создается только движением электронов. Это
проводники первого рода, обладающие электронной проводимостью. В жидкостях и газах
носителями зарядов являются положительные и отрицательные ионы. Их движение —
положительных ионов по направлению поля и отрицательных против этого направления —
создает электрический ток. Такие проводники обладают ионной проводимостью и
называются проводниками второго рода. Сопротивление обозначается буквой г или R.
Закон Ома выражает количественную зависимость между силой тока, напряжением
и сопротивлением. Согласно этому закону сопротивление цепи (не содержащей источника
энергии) прямо пропорционально напряжению V между ее концами и обратно
пропорционально силе тока /, hq нему проходящей:
r^U/L (4)
Сопротивление измеряется в омах (Ом). Единица сопротивления 1 Ом равен
сопротивлению проводника, по которому течет ток в 1 А при напряжении на концах
проводника 1 В. Для измерения больших сопротивлений применяются кратные единицы: кило-
ом (кОм) и мегом (МОм).
Прибор, включаемый в электрическую цепь для ограничения силы тока или ее
регулирования, называется резистором (от англ, ел. resistance — сопротивление). В табл. 1
показаны условные графические обозначения резисторов.
В замкнутой электрической цепи э. д. с.
равна сумме напряжений на отдельных
участках цепи, следовательно, на основании закона
Ома сопротивление этой цепи
r^E/L
Такое сопротивление складывается из
сопротивлений отдельных участков цепи и в него i
входит и внутреннее сопротивление источника
электроэнергии. Внутреннее сопротивление
должно преодолевать э. д. с, перемещая заряды 7.
внутри источника от отрицательного зажима Кристаллическая решетка металла 13

Таблица 1
Условные трофические обозначения резисторов
Виды ^еаисторов
Резистор нерегулируемый
Резистор нерегулируемый с отводами
Резистор регулируемый (реостат):
а) общее обозначение
б) с разрывом цепи
в) без разрыва цепи
Резистор регулируемый (потенциометр)
общее обозначение
Резистор регулируемый (реостат) с плавным
регулированием
Резистор регулируемый (потенциометр) со
ступенчатым регулированием
Условное обозначение
-сЗ-
4ZZi-
dSL
-CZD- -СП
■"^r
к положительному, например, сопротивление обмотки электромашинкою генератора,
сопротивление электролита между пластинами гальванического элемента и т. п. Обычно
сопротивление электрической цепи складывается из относительно малого внутреннего
сопротивления Гв„ и относительно большого сопротивления г^,^, — всей внешней цепи.
Таким образом, согласно закону Ома в замкнутой цепи сила тока
7-
Ш

и следовательно, э. д. с. Е = 1г^^ Л /Гвш, а так как /гвш U — напряжению на зажимах
источника, то
■■у::;;.::£/*-1?-м„> (5)
Напряжение на зажимах источника энергии (на выходе) меньше его э. д. с. из-за
внутреннею падения напряжения.
Когда электрический ток проходит по прямолинейному проводнику (проводу)
постоянного сечения, то электрическое поле в нем равномерно. В таких условиях
напряжение и между концами проводника равно произведению напряженности поля £п в
проводнике на его длину /, т. е. V ^ Enl. Постоянный ток распределяется равномерно
по сечению проводника, поэтому плотность тока, обозначаемая буквой 5, будет:
Таким образом, на основании закона Ома сопротивление провода
Напряженность поля En создает в проводнике определенную плотность тока Ь\, и чем
больше свободных электронов содержится в единице объема проводника, тем больше
эта плотность. Для данного проводникового материала отношение Enjb—величина
достаточно постоянная. Она называется удельным сопротивлением и обозначается г ре-
ческой буквой р(ро). Следовательно, р^ Eu/S. Подставив последнее выражение в
формулу (6), получим, что сопротивление прямолинейного проводника
Эта формула часто используется при расчетах сопротивления проводов или их
сечения.
Значение р берется для соответствующего материала (алюминия или меди) из
таблиц. В системе СИ удельное сопротивление, называемое объемным, является
сопротивлением между противолежащими сторонами куба с ребрами 1 м. Оно должно измеряться
в —^j^^ = Ом • м. Но в электротехнических расчетах проводов длина I обычно
измеряется в м, а сечение S — в мм^. По этой причине в электротехнических таблицах под
удельным сопротивлением обычно подразумевается сопротивление проводника из
указанного материала, имеющего длину 1 м и поперечное сечение 1 мм^. Такое удельное
сопротивление измеряется в ^^м'^'^- ^"^ "^ миллион раз (10^) больше удельного
сопротивления, измеренного в Ом • м.
В таблицах удельное сопротивление указывается при определенной температуре
(обычно 20"^^ С или 0°С), так как с ее изменениями оно меняется, причем зависимость 15

удельного сопротивления от температуры достаточно сложна. Но при изменениях тем
ратуры в относительно узких пределах (порядка 200° С) можно эту зависимость выразить|
приближенно формулой: при температуре t удельное сопротивление
Р/= Ро^Н- а/Л (8)
где Ро — удельное сопротивление при начальной температуре; t — изменение темпера-!
туры; а— температурный коэффициент сопротивления, приближенно равный для чистых
металлов 1/273 »=5 0,004 — это изменение сопротивлений 1 Ом при изменении темпера-!
туры на 1 ° С. У чистых металлов коэффициент а положителен. У сплавов он может быть
как положительным, так и отрицательным. В частности, а — для сплавов, применяемых
при изготовлении реостатов, измерительных сопротивлений и т. п., относительно весьма!
мал. К таким сплавам принадлежат манганин (84% меди, 12% марганца, 3% никеля),!
константан и др. Температурный коэффициент электролитов и изделий из графита отри-'
цателен, т. е. с повышением температуры их удельное сопротивление уменьшается.
Сопротивление проводника пропорционально его удельному сопротивлению, поэтому
зависимость сопротивления резистора от температуры такая же, как и зависимость
удельного сопротивления его материала. Зависимость сопротивления от температуры широко
используется для измерения температуры в электрических термометрах сопротивления..
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью:
В системе СИ единицей проводимости служит сименс (См):
ICm--^--
Ом
Соответственно удельная проводимость
Понятие проводимости используется преимущественно при расчетах параллельного
соединения приемников электроэнергии.
1.4
ПОТЕНЦИАЛ
И ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ
СИЛА
Потенциал (от лат. слова potentia — возможность) есть вспомогательная величина,
характеризующая способность физического тела, находящегося в силовом поле (в
частности, в электрическом), произвести работу (потенциальную энергию).
Положительный электрический заряд, когда он находится у положительно! о гюлюса
источника электроэнергии, обладает некоторой потенциальной энергией. При перемете-

НИИ его в равномерном поле по направлению поля под
действием напряженности £п на расстояние / производится работа
А = qEtil.
На эту же величину уменьшается потенциальная энергия
заряда q. Такое уменьшение потенциальной энергии происходит
вследствие перехода заряда из точки, обладающей более
высоким потенциалом (у положительного полюса), в точку с бол^е
низким потенциалом (которая в цепи находится на
расстоянии / от положительного полюса). Термины «высокий» и
«низкий» вместо «большой» и «малый» употребляются по
отношению к потенциалу на основании аналогии с механической
системой. В такой системе высота h, на которой находится
груз G, определяет потенциальную энергию груза Gh (можно
считать, что груз 5 кг на высоте 20 м обладает потенциальной
энергией 50 кГм). Буквенное обозначение потенциала ф или v.
При переходе заряда q из точки т в точку п совершается
работа, равная произведению заряда на разность потенциалов
этих точек:
8.
Объемная модель
изменения потенциала
вдоль замкнутой
электрической цепи
Атп = ^ Г фт ~" ^п)-
Эту же работу можно определить через напряжение между точками тип через заряд:
Атп ^ QUmn*
Сопоставив две последние формулы, можно написать:
фт ~ фя = Umn*
Следовательно, разность потенциалов двух точек цепи постоянного тока (двух точек
потенциального электростатического поля) равна напряжению между этими точками.
Последнее выражение показывает, что потенциал должен измеряться в тех же единицах,
что и напряжение, т. е. в вольтах.
Численно потенциал определяется работой (с обратным знаком), которая
совершается силами поля при перемещении единицы положительного электричества из
рассматриваемой точки в точку, потенциал которой принят равным нулю. В электротехнике
нулевым потенциалом считают потенциал земли, т. е. земного шара, являющегося
громадным проводником. Практическое значение в большинстве случаев имеет не
потенциал, а разность потенциалов, не зависящая от выбора нуля.
В электрической цепи электрический ток создается преимущественно движением
свободных электронов, несущих отрицательные заряды в направлении,
противоположном условному направлению электрического поля. Но движение электронов эквивалентно
движению положительных зарядов по направлению поля. Такое движение
положительных зарядов подразумевается обычно при изучении теории электрических цепей. Во
2—819

внешней цепи источника электроэнергии — цепи нагрузки — положительные заряды
движутся от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом.
Внутри источника электроэнергии условия иные. Здесь эти заряды должн^>1 перемещаться
от точки низшего потенциала — отрицательного зажима источника энергии — к точке
высшего потенциала — положительному зажиму того же источника. Такое перемещение
зарядов к точкам высшего потенциала совершается под воздействием сторонних (по
отношению к замкнутой цепи) сил, например, электромагнитной индукции в машинных
генераторах, лучистой энергии в фотоэлементах, химического процесса в гальванических
элементах. Эти сторонние силы создают внутри источника электроэнергии
электродвижущую силу (э. д. с), являющуюся в цепи причиной перемещения положительных
зарядов от точек низшего потенциала. Она обозначается Е или е. Э. д. с. как бы
поднимает электрические заряды на высший электрический уровень. Объемная диаграмма рис. 8
изображает круговое движение зарядов в электрической цепи.
Работа, выполняемая сторонними силами А, отнесенная к единице положительного
электричества, равна э. д. с. источника электроэнергии:
Но во внешней цепи эта работа расходуется при перемещении заряда q от положитель-
ного к отрицательному зажиму источника электроэнергии. Следовательно, А - ijl. I4,
п
где I Uk— сумма частичных напряжений в замкнутой цепи, равная э. д. с, действующей
в цепи:
Е-' ijJk. (9)
1.5
МОЩНОСТЬ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Для характеристик энергетических условий важно сколь быстро совершается работа.
Работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью: Р Alt.
Если движение зарядов создавало постоянный по силе ток, то
где t — время, за которое был перенесен заряд. Следовательно, работа, произведенная
за время г, была А -= Ult. В электрической цепи при постоянном токе и напряжении
мощность
Заменив в последнем выражении на основании закона Ома U ^ 1г или же / Ug,
получим три выражения мощности постоянного тока:
18
P-J/I^fr-'lfg. (10)

9.
Схема включения ваттметра
10.
Смешанное соединение резисторов
То или другое выражение мощности используется в зависимости от условий расчеюв.
Единицей измерения мощности служит ватт. (Вт) В-А- с Дж/с или Дж Bi с.
Ватт — это мощность, при которой за 1 с совершаел ся работа, равная 1 Дж. В
электрической цепи это мощность, затрачиваемая в проводнике при напряжении 1 В между
его концами и силе тока 1 А. Для измерения больших мощностей применяют крагные
единицы: киловатт (кВт) 1000 Вт и мегаватт (МгВт) 1 000 000 Вт - 1 • 10^ Вт; а для
малых мощностей — милливатт (мВт) = 1- Ю"^Вт и микроватт - 1 • 10"^ Вт.
Прибор, измеряющий мощность, — ваттметр — имеет две измерительные цепи
(две катушки), из которых одна (цепь тока) включается как амперметр последовательно
с объектом измерения Я (рис. 9), а вторая цепь напряжения подключается к этому объекту
параллельно как вольтметр.
Так как основная единица работы и энергии джоуль мала, то для измерений в
электроэнергетических установках практической единицей для измерения работы обычно
служит более крупная, чем джоуль, единица — киловатт-час (кВт • ч). Это работа,
совершаемая в течение одного часа при неизменной мощности в 1 кВт. Следовательно,
1 кВт • ч - 3 600 000 Дж.
1.6
ЗАКОНЫ КИРХГОФА.
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ
И СМЕШАННОЕ
СОЕДИНЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ
Два закона Кирхгофа, называемые также правилами Кирхгофа, служат для
расчетов сложных электрических цепей и полностью определяют их электрическое
состояние. Для сложных цепей применяют понятия ветви, узла и контура. Ветвь электрической
цепи — это участок цепи, который состоит из последовательно соединенных элементов —
резисторов, источников электроэнергии и т. п. Узел электрической цепи — это место
соединения трех и более ветвей. Контур цепи — это любой замкнутый путь, который
можно обойтиу перемещаясь по нескольким ее ветвям. На рис. 10 цепь состоит из трех
ветвей, из которых одна содержит источник электроэнергии £, двух узлов и трех
контуров.
Первый закон Кирхгофа (закон дчя токов) относится к узлам электрической цепи.
Согласно этому закону в любом узле электрической цепи сумма притекающих токов
7*

равна сумме утекающих токов. На рис, 10 / = /i + /г- Иными словами, алгебраическая
сумма токов в любом узле цепи равна нулю:
l/^ft (И)
считая положительными токи, притекающие к узлу, и отрицательными^— утекающие.
На рис. 10 /—/i—/2 = О или /i + h — /= 0. Первый закон Кирхгофа является
следствием принципа сохранения заряда и замкнутости токов: в узлах цепи заряды не могут
возникать или длительно накапливаться, так как это привело бы к изменению
потенциалов узлов и токов ^ цепи.
На основании первого закона Кирхгофа и закона Ома определяются общая
проводимость и сопротивление разветвления, т. е. параллельного соединения резисторов.
Резисторы соединены параллельно, если они подключены к одной и той же паре узлов
(узлы а и Ь на рис. 10) и, следовательно, находятся под одним и тем же напряжением.
При параллельном соединении двух резисторов г^ и Гз токи в отдельных ветвях
согласно закону Ома будут:
/-/l-/2=0 ИЛИ /i +/2-7 = 0.
Следовательно, Ujli =Г21гх ^ g\lg2^ т. е. токи при параллельном соединении
распределяются обратно пропорционально сопротивлениям и прямо пропорционально проводи-
мостям ветвей. На основании первого закона Кирхгофа сила тока источника энергии
I = 1\ ^r h ^Vi (\lr^-\- I/г 2). Отношение напряжения U к общему току / разветвления
определяет сопротивление разветвления, т. е. то сопротивление эквивалентного ре*
зистора, при включении которого на место двух параллельно соединенных резисторов
электрические условия во всей остальной цепи не изменятся. Эквивалентное
сопротивление разветвления будет:
''^ / 1/Г| + 1/г2 /-i+ra*
В общем случае при соединении нескольких резисторов параллельно общий ток
и, следовательно,
^ 1
В частности, при параллельном соединении трех резисторов a-j, г2, г^ эквивалентное
сопротивление
J г^г^гг
^^ 1 / Г1 И- 1 / /-2 + 1 / Гз А*1 Г2 + Г2/'з + /"зЛ '

Выражение закона Ома для разветвления существенно упрощается, если заменить
сопротивления соответствующими проводимостями:
После такой замены закон Ома для параллельного соединения двух резисторов примет
форму:
а в общем виде
Применяя первый закон Кирхгофа и закон Ома, можно рассчитать смешанное
соединение резисторов. Когда цепь содержит только один источник электроэнергии, ее
часто можно рассматривать как смешанное соединение, т. е. несколько резисторов,
подключенных параллельно, соединены последовательно с другими резисторами. На
рис. 10 резисторы г, и г2 соединены параллельно и включены последовательно с
резистором г. Для расчета подобной цепи нужно сначала заменить разветвление
эквивалентным сопротивлением, а затем рассчитывать цепь как последовательное соединение двух
резисторов. Эквивалентное сопротивление разветвления
Г2 + Ы
Теперь цепь можно рассматривать как последовательное соединение г и г^. Общий ток
/--
/•вн-|-/' + -
Напряжение между узлами разветвления будет:
/"1 + /-г
и на основании закона Ома токи в двух ветвях
»
Можно считать, что на рис. 10 изображена схема передачи энергии некоторого источника
по проводам к двум приемникам (г^ и Гг), здесь /г — падение напряжения в проводах
линии, С/р—напряжение у приемников энергии (например, у электрических ламп).
Второй закон Кирхгофа (закон для напряжений) относится к замкнутым контурам
электрической цепи. Согласно этому закону в любом замкнутом электрическом контуре
алгебраическая сумма э. д. с. равна алгебраической сумме напряжений на резисторах, 21

входящих в этот контур, иными словами, алгебраическая сумма э. д. с. равна
алгебраической сумме произведений токов на сопротивления соответствующих участков контура
!£:= I/r.
в этом выражении положительными следует считать э. д. с. и токи, направления
которых совпадают с произвольно выбранным наь лaвлeн^^eм обхода рассматриваемого
контура.
Второй закон Кирхгофа является следствием того, что потенциал любой точки
цепи однозначно определяется ее положением в цепи. Это наглядно показывает
следующая форма записи второго закона Кирхгофа: Z£— ZIt - О, т. е. алгебраическая сумма
изменений потенциала при обходе замкнутого контура равна нулю, так как после обхода
любого замкнутого контура мы возвращаемся в исходную точку, следовательно, к
исходному потенциалу.
Применение второго закона Кирхгофа необходимо при расчетах большинства
электрических цепей, содержащих два и более источников электроэнергии. Для
составления уравнений двух законов Кирхгофа при расчете токов в подобной цепи (рис. 11)
следует сначала произвольно разметить направление токов в ней. Затем при составлении
уравнений для узлов следует иметь в виду, что число независимых уравнений будет на
единицу меньше числа узлов w, т. е. число этих уравнений будет w— 1; это условие
является следствием того, что ток каждой ветви входит дважды в уравнение узлов, так как
каждая ветвь соединяется с двумя узлами. Таким образом, в уравнение токов последнего
узла будут входить лишь токи, уже вошедшие в уравнения остальных узлов. Для
расчета цепи это уравнение будет бесполезным. Например, простая цепь (рис. И) содержит
два узла аи Ь(т - 2) и, следовательно, для нее можно составить только одно
независимое уравнение первого закона Кирхгофа для узла а:
I^+h-h-O, ^ (12)
а уравнение для узла b будет:
т. е. оно содержит те же токи, что и первое уравнение.
При составлении уравнений на основании второго закона Кирхгофа нужно так
выбирать контуры обхода, чтобы в каждый последующий контур входило не менее одной
ветви, не включенной в ранее обойденные контуры. Число ветвей п равно числу
неизвестных токов. Для определения этих п токов уже составлено на основании первого
закона Кирхгофа (т— 1) уравнений. Следовательно, для расчета токов согласно второму
закону Кирхгофа нужно составить еще л-т-М уравнений. Для схемы рис. И, где
л = 3,a/w = 2, число уравнений второго закона Кирхгофа будет: л —W 4 1 - 3 — 2 + 1 - 2.
Эти уравнения будут:
22 -^^ik/a+^i^^

^^- 12
Цепь с двумя ис- ^'
гочниками элек- Схема линии передачи
электроэнергии троэнергии
Третий контур в этой схеме содержит ветви, уже вошедшие в первые два контура, поэтому
уравнение £,—£2 " Л'*!—^i^i будет для расчета ненужным.
Таким образом, чтобы определить п неизвестных токов, составляют п уравнений,
которые нужно решить совместно. Если после подстановки определенных чисел
окажется, что значение какого-либо тока отрицательно, то из этого следует, что действительное
направление тока противоположно предположенному в начале расчета направлению.
Подобный расчет, связанный с совместным решением системы уравнений, требует
значительной затраты времени, поэтому существует ряд специальных методов расчетов
сложных электрических цепей, но все они теоретически обосновываются двумя
законами Кирхгофа.
1.7
РАСЧЕТ ПРОВОДОВ
НА ПОТЕРК> И ОТКЛОНЕНИЕ
НАПРЯЖЕНИЯ
При передаче электроэнергии нужно выбрать так сечение проводов линии передачи,
чтобы обеспечить нормальное рабочее напряжение Un (номинальное напряжение) на
зажимах приемников электроэнергии. В особенности это важно для осветительных
установок, так как при повышении напряжения только на 5% по отношению к
номинальному длительность горения нормальной лампы уменьшается на 50%; при понижении
напряжения на те же 5% световой поток этой лампы уменьшается на 18%.
При расчете сечения проводов обычно известны: напряжение (Уг источника
электроэнергии (генератора), расстояние / от него до нагрузки, напряжение (Ун на зажимах
нагрузки, необходимое для нормальной работы приемников электроэнергии, и сила
тока / или мощность Л. нагрузки. Согласно закону Ома в соответствии со схемой такой
цепи (рис. 12) напряжение
сопротивление проводов линии
t.""v^^;t
Ж:!:
i/y-^i- '^ -
'В
где f)—удельное сопротивление материала проводов (обычно алюминия); 2/ — общая
длина линии; S— искомое сечение проводов. Разность (Уг — С/н - AL^ является потерей 23

напряжения в линии; при постоянном токе она равна падению напряжения. Преобразуя
соответственно формулу, получим:
на основании чего определим сечение
S-^PII. (14)
Найденное тяким путем значение сечения обычно приходится округлять до ближайшею
стандартного сечения проводов.
Если задана не сила тока, а мощность нагрузки Р» , то метод расчета не изменяется,
только нужно сначала определить силу тока I = Рн I Uh-
В большинстве случаев сила тока нагрузки непостоянна, а ее изменения вызывают
соответствующие изменения потери напряжения AU; по этой причине необходимо
рассчитывать отклонения напряжения на зажимах приемника энергии от номинального
значения при наибольшей и наименьшей нагрузках.
Согласно «Правилам устройства электроустановок» (сокращенно ПУЭ) в силовых
сетях (в том числе в cei>ix переменного тока) допустимая потеря напряжения от источника
питания до наиболее удаленной точки сети при нормальном режиме не должна
превышать 5%.
Напряжение у наиболее удаленных ламп освещения жилых зданий не должно
снижаться более 5%, а в промышленных предприятиях и общественных зданиях — не
более 2,5% от номинального напряжения ламп.
Большое практическое значение имеет то, что одну и ту же мощность можно
передать при низком напряжении и большой силе тока или при высоком напряжении и малой
силе тока.
Возвратимся к простейшей схеме передачи энергии, показанной на рис. 11. Умножим
уравнение 1/г = /гл + (Ун на силу тока, преобразовав его таким путем в уравнение
распределения мощности в цепи:
где Ur I — мощность, отдаваемая генератором; /^ Гл — потеря мощности в проводах
линии (на нагревание); UhI = Рн — мощность, потребляемая нагрузкой. Если повысить
в два раза напряжение на зажимах нагрузки, то, чтобы получить ту же мощность, нужно
уменьщить в два раза силу тока нагрузки, т. е. до значения /' = ^. Тогда потери в
проводах линии (при неизменном г„) уменьшаются в четыре раза, так как
^'2rл-^^rл/4.
Следовательно, при повышении напряжения в два раза, если сохранить процент потерь
мощности при передаче неизменными, то можно уменьшить сечение проводов линии
в четыре раза или же можно удлинить линию передачи в четыре раза.

НАГРЕВАНИЕ ПРОВОДНИКОВ
ТОКОМ И РАСЧЕТ ПРОВОДОВ
НА НАГРЕВАНИЕ
Роль сопротивления в электрической цепи подобна роли трения в механической
системе. В резисторах происходит необратимое преобразование электрической энергии
во внутреннюю энергию — в теплоту. Такое преобразование связано с дополнительными
столкновениями свободных электронов с атомами при их поступательном движении,
создающем электрический ток. При таких столкновениях электроны сообщают атомам
проводника (положительным ионам в металлах) дополнительную энергию. Последняя
усиливает колебания положительных ионов в узлах кристаллических решеток.
Количество теплоты Q, выделяемой током в проводнике, равно работе у4,
совершаемой электрическим полем при перемещении заряда q: Q= А = Ug= Ult или, заменив
и = Ir, а затем / =^ Ug, получим:
Q-//-/-t/V Дж. (15)
Если выражать теплоту не в джоулях, а в калориях, то Q= 0,24/'^ П = 0,24 U^gt калорий*.
Это закон Джоуля—Ленца, определяющий количество теплоты, выделяющейся
в проводнике при протекании электрического тока. Этот закон был установлен
английским ученым Дж. Джоулем и независимо от него русским академиком Э. X. Ленцем.
Тепловое действие тока, с одной стороны, представляет собой вредное побочное
явление.
Нагревание током проводов, соединяющих источник электроэнергии с ее
приемниками, является не только потерей энергии, но также ограничивает нагрузку проводов
током, так как сильное повышение температуры вызывает разрушение изоляции. По
этой причине в большинстве случаев недостаточно расчета проводов на потерю
напряжения, необходим еще дополнительный расчет их на нагревание.
С одной стороны, нагревание проводов обмоток является нежелательным, но
неизбежным явлением в электрических машинах и аппаратах. Электрические машины,
изготовленные в начале XX в., мало нагревались, так как их размеры и, в частности, сечение
проводов выбирались с большим запасом. Но в дальнейшем конструкторы, стремясь
уменьшить массу и размеры машин, а также сэкономить ценные цветные металлы, довели
нагрев современных электромашин и аппаратов при их номинальной нагрузке до
предельных значений, допускаемых для изолирующих материалов. Увеличение тепловых
потерь в электрических машинах вызвало соответствующее понижение их к. п. д. и
сделало необходимым принимать специальные меры для отвода выделяющейся теплоты
(вентиляцию и т. д.); кроме того, уменьшился срок службы машин, так как предельно
нагретая изоляция быстрее стареет, т. е, ухудшает свои качества. Но зато благодаря
такому полному использованию материалов достигнуто уменьшение массы и размеров
электрических машин, аппаратов и приборов примерно в 2—3 раза и более.
С другой стороны, нагревание электрическим током полезно применяется в лампах
накаливания, в электрических печах, в бытовых электронагревательных приборах, а
также в приборах защиты электроустановок от коротких замыканий и перегрузок.
* Калория — внесистемная единица количества теплоты — это теплота, необходимая для
нагревания одного грамма воды от 19,5 до 20,5 "С (при нормальном давлении); 1 кал = 4,1868 Дж.

На практике приходится учитывать, что температура электротехнического
устройства не сразу достигает своего предельного значения, соответствующего данной силе
тока. Сначала в проводнике часть теплоты ^пов идет на повышение температуры
проводника, а часть ^отл отдается через поверхность проводника в окружающую среду: '
Но по мере того как повышается температура проводника, возрастает отдача теплоты
им в окружающую среду. Наконец, наступает равновесие, когда отдача теплоты
становится равной ее притоку вследствие нагревания током: I^rt = Qora '^-Кота Sora ^»U где
Котд —удельная теплоотдача проводника; Sora—поверхность теплоотдачи; 5м —
максимальное превышение температуры проводника над температурой окружающей среды.
На основании этого выражения можно определить ту максимальную температуру, до
которой в данных условиях нагреется проводник по отношению к окружающей среде:
■■"'.-■'■■■ ■■'■ ••• ^/-^r^^••■^- i
Лртдоотд
Отметим, что не должно превышаться допустимое значение температуры
проводника Эпр, равное сумме превьшгения температуры Ум и температуры окружающей среды
»9ср, т. е. ^„p=i^cp дм или Ум Упр—Уср. Например, обмотки машин переменного тока
НС должны нагреваться вьпие 90 С. При расчете Эм в качестве температуры окружаюн1ей
среды берут наиболее нeблaгoпpият^юe возможное значение этой температуры + 40 С.
С'лслоиагельно. для ')той обмотки
Температура нагреваемого током устройства повышается постепенно тем
медленнее, чем больше теплоемкость тела (теплота, необходимая для повышения температуры
тела на 1°С) и тем быстрее, чем больше его теплоотдача /Сотд^отд- Следовательно, на
короткий, но определенный срок допустима существенная перегрузка, например,
электродвигателя.
Выполнять тепловой расчет для каждого сечения проводов электрических ceien на
основании формулы (16) слишком трудно из-за зависимости коэффициента удельной
теплоотдачи А"отд от условий изоляции, внешних условий и непостоянства А'отд вдоль
провода. По этой причине для расчета проводов линий на нагревание применяют
таблицы длительно допустимых токовых нагрузок на провода и кабели. Они приводятся в ПУЭ
и справочниках. Согласно этим таблицам допустимая плотность тока IjS уменьшается
с увеличением сечения проводника, что является следствием уменьшения удельной
поверхности теплоотдачи с увеличением сечения проводника.
Таким образом, порядок расчета сечения проводов следующий: сначала
определяется сечение на основании допустимой потери напряжения и результат округляется до
ближайшего стандартного значения; затем для проверки по условиям нагревания нужно
в соответствующей, таблице токовых нагрузок найти силу тока для сечения, выбранного
по допустимой потере напряжения. Если сила тока в этой таблице больше той, для кото-

рой произведен расчет по потере напряжения, то можно выбрать сечение, полученное
при расчете потери напряжения. Если же в таблице указана сила тока, меньшая
расчетной, то необходимо увеличить сечение настолько, чтобы оно соответствовало
требованиям таблицы.
1.9
КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ
И ПЕРЕГРУЗКИ.
ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА
Коротким замыканием называется всякое ненормальное соединение через малое
сопротивление пр1>ьодов электроснабжения или других токонесущих частей
электрических цепей, например, соединение между собой двух голых проводов воздушной линии
или повреждение изоляции в обмотке электродвигателя вследствие старения, износа,
пробоя и т. д. Короткое замыкание сопровождается резким увеличением силы тока,
при этом в проводах выделяется большое количество теплоты, так как тепловое
действие пропорционально квадрату силы тока. Этот перегрев может вызвать пожар. В
городах большая часть пожаров происходит из-за коротких замыканий в электрических
распределительных сетях. Кроме того, короткое замыкание вызывает сильное
увеличение потери напряжения в сети, что влечет за собой уменьшение силы света ламп
электрического освещения, понижение скорости и даже остановку электродвигателей. Чем
ближе короткое замыкание к источнику электроэнергии, тем оно опаснее. При коротком
замыкании на зажимах источника электроэнергии силу тока короткого замыкания /к
ограничивает только внутреннее сопротивление Гв» источника: h ^ £/гвн. Токи
короткого замыкания в электроэнергетических системах достигают сотен тысяч ампер и для
отключения таких токов применяется специальная аппаратура большой мощности. Но
13.
Устройство пробочного
плавкого предохранителя:
/ — керамическое основание, 2 —
керамическая часть вставки, 3 —
плавкая проволока, '/—нижний
контакт
14.
Трубчатый предохранитель
15.
Защитная
характеристика плавкой

в осветительных сетях жилых зданий при значительном сопротивлении проводов сетей
сила тока короткого замыкания обычно не превышает 30—100 А. Тем не менее, из-за
пожарной опасности очень важно быстрое отключение этих токов. Простейшим
способом прерывания токов короткого замыкания является использование теплового
действия этих токов. На указанном принципе основаны плавкие предохранители и
тепловые реле.
Основным отключающим элементом в плавком предохранителе (рис. 13) служит
плавкая часть — проволока или пластинка из материала с повышенным удельным
сопротивлением и относительно низкой температурой плавления (свинца, цинка, сплава
свинца и олова), а для больших токов — из хорошо проводящего материала с высокой
температурой плавления (серебра, меди, алюминия) при относительно малом сечении.
Но плавление не должно сопровождаться возникновением дуги внутри предохранителя,
следовательно, воздушный промежуток внутри предохранителя, возникающий при
плавлении вставки, должен иметь длину, соответствующую выключаемому напряжению.
По этой причине на предохранителях, кроме номинального тока, указывается также
номинальное напряжение.
В пробочном предохранителе, широко применяемом для напряжений до 250 В и
токов примерно до 60 А, плавкая часть помещена в сменяемой вставке 2 («пробка»).
Последняя изготовляется из керамического материала и имеет два металлических контакта,
причем нижний контакт снабжается резьбой, с помощью которой вставка ввертывается
в основание. Внутри вставки между металлическими контактами припаяна плавкая нить.
Она совершенно закрыта.
Внутри зданий, в отдельных квартирах и других помещениях все провода каждой
линии должны быть защищены предохранителями. Они сосредоточиваются на
групповых щитках, откуда линии расходятся в отдельные части здания. Это облегчает надзор
за предохранителями и быструю смену перегоревших вставок.
Нельзя нарушать правила эксплуатации электроустановок, заменяя в основании
предохранителя плавкую вставку несколькими металлическими проволочками, что
создает опасность пожара при коротком замыкании. Широко применяют различные виды
трубчатых плавких предохранителей (рис. 14). На вставке этого предохранителя указана
номинальная сила тока — это наибольшая сила тока, которую вставка предохранителя
может выдерживать неопределенно длительное время не разрушаясь.
Но ток плавления вставки точно указать нельзя, так как он зависит от многих
причин, в частности от длительности нагрузки током. Зависимость времени плавления
вставки от кратности тока перегрузки, т. е. от отношения силы тока плавления к номинальной
силе тока вставки называется защитной характеристикой плавкой вставки (рис. 15).
Плавкие предохранители являются в основном защитой от токов коротких
замыканий. Применение их для защиты от длительных перегрузок не всегда дает
удовлетворительные результаты. Плавкие вставки для защиты отдельных участков сети выбираются
по возможности наименьшими по расчетным токам соответствующих участков сети.
Но при этом необходимо учитывать, что вставки не должны плавиться при
кратковременных пусковых токах электродвигателей. В ряде случаев последнее условие
несовместимо с требованием защиты линии от длительных перегрузок. Если защищаемая линия
питает электродвигатель, то выбирать силу тока предохранителя нужно на основании
среднего значения пускового тока /пуск электродвигателя. Оно ориентировочно в 5^—7 раз
больше силы тока двигателя при номинальной нагрузке. Но длительность пускового
процесса обычно не превышает 5—10 с, а согласно защитной характеристике плавких

16.
Схема устройства теплового максимального
реле:
/ — наг рсвагель, 2 — бимегалличсский элсменг, i — зашел ка.
4 — пружина. 5 — ось, 6 — 1яга. 7 — контакты
вставок они должны выдерживать в течение этого краткого срока силу тока,
превышающую примерно в 2,5 раза их номинальную силу тока. Следовательно, номинальный ток
плавкого предохранителя должен быть
/ном **/пуск/2,5 '^ 0,4/пуск .
Однако выбранный таким путем предохранитель в ряде случаев будет срабатывать
при силе тока, значительно превышающей допустимую длительную токовую нагрузку
защищаемых проводов и устройств. Следовательно, такой плавкий предохранитель
защищает от коротких замыканий, но не защищает от перегрузок.
Более совершенными приборами тепловой защиты являются тепловые
максимальные реле. В них для срабатывания устройства обычно используется биметаллический
элемент. Он состоит в основном из двух механически скрепленных пластин,
изготовленных из металлов с различными температурными коэффициентами расширения (рис. 16).
Нагреватель У, включенный последовательно в защищаемую цепь, своим теплом
воздействует на биметаллический элемент 2. Нагреваясь, одна из пластин элемента удлиняется
больше, чем другая, вследствие чего пластина изгибается вверх и освобождает защелку 3.
Под действием пружины 4 подвижная часть поворачивается вокруг оси 5 по часовой
стрелке и отключает защищаемую цепь, размыкая посредством тяги 6 контакты 7. Так как
тепловое реле из-за биметаллической пластины обладает значительной тепловой инерцией,
то оно плохо защищает от токов коротких замыканий и плавкий предохранитель является
его необходимым дополнением.
1.10
ЭЛЕКТРОЛИЗ
Элекгрический ток проходит через жидкость, когда в растворе возникают носители
зарядов — ионы: нейтральные молекулы растворяемого вещества (все или часть их)
диссоциируют (распадаются) на две заряженные частицы. Одна часть молекулы при
этом получает положительный заряд и становится положительным ионом (катионом),
вторая же часть молекулы становится отрицательным иочом (анионом) и приобретает
отрицательный заряд. Например, в водном растворе молекула медного купороса CuS04
в растворе диссоциирует, образуя катион Си^ и анион SOJ — кислотный остаток.
Раствор, в котором в результате электролитической диссоциации возникли носители
зарядов — ионы, называется электролитом.
На рис. 17 показана электрическая цепь, в которой часть своего пути ток проходи г
через электролит. Электролит — раствор медного купороса CuS04 — налит в сосуд и
в него опущены две медные пластины (электроды). Источник электрической энергии 11

30
Т7.
Схема движения ионов при
электролизе меди
18.
Гальваническая ванна:
а — матрица в гальванической ванис.
б — гальванопластическая копия
создает в электролите между пластинами элекгрическое иоле. Плас1ииа, сослииеииая
с положительным полюсом источника электроэнергии, называечся аиодом, а соединенная
с отрицательным полюсом — катодом. Под действием сил поля ионы, на которые
диссоциировал медный купорос, приходят в движение: катионы (Си^) движутся к катоду,
анионы (SO4) — к аноду. Катионы, достигнув катода, нейтрализуют свои
положительные заряды, отбирая свободные электроны у пластины катода. Таким путем эти ионы
превращаются в незаряженные атомы меди и откладываются на катоде.
В то же время анионы SO4, достигнув анода, отдают ему избыточные электроны и
химически соединяются с атомами меди пластины, образуя нейтральные молекулы
медного купороса CUSO4. Последние, переходя в раствор, распадаются на
положительные и отрицательные ионы. Таким путем поддерживается концентрация ионов в
электролите.
В итоге движения ионов в двух противоположных направлениях постепенно
растворяется медная пластина анода, а на катоде откладывается чистая медь. Металл как бы
переносится с анода на катод. Процесс по описанной схеме используется практически для
очистки (рафинирования) меди.
В электролизере (электролитической ванне), заполненном раствором CUSO4,
устанавливаются плиты, отлитые из неочищенной меди. Они служат анодами. Между ними
помещаются катоды — тонкие листы чистой меди. При пропускании тока медь анодов
переходит в раствор, а затем осаждается на катодах; при этом примеси, имеющиеся в
отливках, выпадают на дно ванны в виде осадка (шлама). Медь, отлагающаяся на
катодах, содержит менее 0,1% примесей, благодаря чему существенно возрастает ее
удельная проводимость. Важным преимуществом электролитического способа получения
металлов является их высокая чистота.
В общем при электролизе из водных растворов или расплавов солей на катоде
откладываются металлы, а при электролизе кислот и щелочей на катоде освобождается
водород.

Электролиз применяется для электрополировки металлов, электролиз при этом
сначала растворяет мельчайшие выступы поверхности анода, а это сглаживает ее неровности.
, Математическим выражением, описывающим основные процессы электролиза,
служит закон Фарадея, согласно которому, при неизменной силе тока / за время t
выделенное из раствора количество вещества
M-'JK^t^K^^. (17)
где Кт, — электрохимический эквивалент выделяемого вещества; q — количество
электричества, прошедшего через электролит. Следовательно, количество вещества,
выделяющегося из раствора электрическим током, пропорционально количеству
электричества, прошедшему через электролит.
Процесс применения электролиза дня осаждения металлов на металлических и
неметаллических поверхностях называется гальванотехникой, которую часто
подразделяют на гальванопластику и гальваностегию.
Задачей гальванопластики является получение точных металлических копий с
различных рельефных предметов. Она была разработана русским ученым Б. С. Якоби.
Катодом при гальванопластике служит матрица (рис. 18). Матрица представляет собой
оттиск воспроизводимого предмета, выполненный из свинца или легкоплавких сплавов
или же из непроводящих материалов (воска, гипса, пластмассы, дерева и т. д.).
Поверхность матрицы из непроводящего материала в той ее части, на которой должен
откладываться металл, покрыта проводящим слоем (порошком графита или металлизируется
химическим путем). Электролитическая ванна наполняется раствором соли того металла,
из которого должна быть изготовлена копия; пластина этого же металла служит анодом.
Процесс электролитического покрытия готовых изделий или полуфабрикатов
(листов, проволоки, лент) тонким слоем другого металла называется га.шваиоапегисй. Он
применяется для защиты от коррозии (лат. слово соггоsio — разъедание) стали и чугуна
посредством покрытий из цинка, свинца, олова и стали, для повышения
износоустойчивости покрытиями из хрома и железа, для декоративных целей покрытиями из никеля,
хрома, серебра и золота.
Контрольные вопросы
1. Почему при возникновении электрического тока электроны в проводах движутся
непрямолинейно ?
2. Что такое замкнутая электрическая цепь и из каких элементов она состоит?
3. Как движутся носители зарядов в электролите при возникновении тока?
4. Как включается вольтметр по отношению к приемнику электроэнергии?
5. Почему электрический ток считается направленным против дрейфа электронов?
6. Что такое дрейф электронов?
7. Каково происхождение выражений «высокое напряжение» и «низкое напряжение»?
8. Какое правило применяется при составлении уравнений согласно двум законам Кирхгофа?
9. Что такое «ветвь» и «узел» в электрической схеме?
10. Что такое резистор?
11. Как включается ваттметр по отношению к контролируемому приемнику электроэнергии?
12. Почему нельзя заменять плавкую вставку предохранителя медными жилами из шнура?
13. Почему плавкие предохранители плохо защищают электродвигатели от длительных
перегрузок?
14. В каком направлении по отношению к полюсам источника постоянного тока происходит
перенос металла при электролизе?
15. Что такое «эквивалентное сопротивление» разветвления?

Глава
ЕМКОСТЬ И ИЗОЛЯЦИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ
УСТРОЙСТВ

2.1
НАПРЯЖЕННОСТЬ
И СМЕЩЕНИЕ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Под действием напряжения в пространстве между проводниками возникает
электрическое поле. В нем на электрические заряды действуют определенные по величине и
направлению механические силы — силы поля. Само электрическое поле является лишь
частным случаем электромагнитного поля, когда электрические заряды, возбуждающие
поле, неподвижны; такое поле называется электростатическим (греч. ел. «статос» —
стоящим). Часто можно также рассматривать условия электрического поля независимо
от магнитного поля (если последнее постоянно), в частности, в линии, по которой
протекает постоянный ток.
Основной величиной, характеризующей силовые условия электрического поля,
является его напряженность.
Как уже было отмечено, в проводниках напряженность поля создает плотность
тока S, пропорциональную удельной проводимости данного проводника, и так как эта
проводимость довольно велика, то при больших значениях напряженности в
проводниках £п должны возникать токи, их разрушающие. По этой причине напряженность поля
в проводниках относительно мала. Сильные электрические поля существуют длительно
лишь в диэлектриках, где заряды молекул связаны молекулярными силами и очень мало
свободных электронов. Сильное электрическое поле может создаваться и в вакууме.
Одним из физических свойств вакуума является возможность существования в нем
электромагнитного поля.
Под действием напряженности в среде, где создалось электрическое поле, возникает
электрическое смещение D. В молекулах одних диэлектриков положительные ядра
атомов смещаются в одном направлении, а орбиты электронов — в противоположном
направлении. В других диэлектриках молекулы содержат пространственно удаленные друг
от друга положительный и отрицательный заряды (диполи); в этих диэлектриках под
действием электрического поля происходит поворот частиц носителей разделенных
зарядов. Как смещение зарядов, так и поворот диполей представляют собой поляризацию
диэлектриков.
Если поместить пластину диэлектрика между двумя пластинами проводника (рис. 19),
между которыми приложено напряжение I/, то в результате поляризации на поверхности
диэлектрика, обращенной к положительно заряженному проводнику (соединенному с
положительным полюсом источника напряжения), обнаруживается отрицательный
связанный заряд, а на его противоположной поверхности — положительный связанный
заряд. Связанными эти заряды называются потому, что они не могут свободно
перемещаться. Они входят как часть в состав нейтральных молекул диэлектрика. С устранением
3-819

19.
Схема образования связанных
зарядов
20.
Притяжение частиц твердого
диэлектрика заряженным
телом
34
внешнего электрического поля связанные заряды исчезают — исчезает смещение в
диэлектрике.
В качестве примера практического использования явления связанных зарядов можно
привести электроочистку газов от твердых частиц посредством воздействия
электрического поля высокого напряжения. Если поднести к положительно заряженному
проводнику частицу диэлектрического вещества, например бумажку, то она прилипнет к
проводнику (рис. 20). так как к нему притянулся образовавшийся на поверхности частицы
связанный отрицательный заряд, блйз&айший к проводнику. Одновременно появившийся
на противоположной поверхности частицы положительный заряд отталкивается слабее,
чем притягивается отрицательный, так как он находится дальше от проводника.
Смещение D — величина векторная, имеющая во всех изотропных (греч. ел. «изос» —
одинаковый и «тропос» — характер), т. е. одинаковых во всех направлениях
диэлектриках то же направление, что и напряженность.
Если рассматривается только значение смещения (модуль), то оно обозначается
обычным шрифтом (D),
Отношение DIEn ^ Са (эпсилон) называется абсолютной диэлектрической
проницаемостью. Она зависит от свойств среды, в которой возбуждается электрическое
поле.
Явление смещения не исчерпывается смещением зарядов в молекулах диэлектрика.
Оно имеет место и в вакууме. Его абсолютная диэлектрическая проницаемость
обозначается еь и называется электрической постоянной. Таким образом, смещение принято
рассматривать как состояние, складывающееся из смещения в вакууме и смещения в
диэлектрике:
D-" €oE+P, (18)
где Р — поляризованность диэлектрика.
Не следует смешивать поляризацию и связанный заряд диэлектрика с поверхностным
зарядом диэлектрика. Поверхностный заряд диэлектрика представляет собой некоторое
количество свободного электричества и может существовать длительно независимо от
электрического поля. В большинстве случаев он возникает в результате трения двух
любых тел друг о друга, причем положительно электризуется то тело, диэлектрическая
проницаемость которого больше. Статическая электризация в условиях промышленного
производства — часто весьма вредное явление, так как при разрядах таких
поверхностных зарядов могут возникать искры, что создает угрозу пожаров или взрывов.

2.2
поток СМЕЩЕНИЯ
Принято сопоставлять диэлектрические свойства различных веществ с постоянными
свойствами вакуума — с электрической постоянной во. Отношение абсолютной
диэлектрической проницаемости вещества £ а к электрической постоянной — это
диэлектрическая проницаемость (часто ее называют относительной диэлектрической
проницаемостью):
(19)
У большинства диэлектриков она лежит в пределах I —10 (табл. 2) и относительно
мало зависит от электрических условий и температуры среды.
Электрическое поле графически принято изображать силовыми линиями. Эти линии
представляют собой оси воображаемых упругих трубок, заполняющих без просветов
электрическое поле. Следует различать силовые линии — воображаемые кривые, по
которым стремится перемещаться положительный заряд в злек! рическом поле, и линии
смещения, определяемые направлением вектора смещения. Силовые линии частично
заканчиваются в связанных зарядах при переходе из среды с одной диэлектрической
проницаемостью в среду с другой диэлектрической проницаемостью. Ли}1ии смещения
начинаются только в положительных свободных зарядах и заканчиваются в
отрицательных свободных зарядах. Совокупность линий смещения образует поток вектора
смещения или, короче, поток смещения Np. Если электрическое поле равномерно, ;. е.
если во всех точках его поперечного сечения S смещение D одинаково, то Nd DS.
Согласно теореме Гаусса—Остроградского поток смещения через любую замк |утую
Таблица 2
Диэлектрическая проницаемость & (относитель юя),
электрическая прочность £пр и удельное объе жое
сопротивление ру некоторых материалов
Наименование
Воздух
Трансформаторное масло
Совол
Вазелин
Полиэтилен
Лавсан
Полихлорвинил (пластикаты)
Парафин
Эбонит
Гетинакс
Слюда (мусковит)
Мрамор
Шифер
Асбестоцемент
* Электрическая прочность л.1я вс
чсння при переменном напряжении (см
8
1
2,1—2,4
4,8—5
2,2—2,6
2,2-2,4
3,0-3,5
6-8
2,0—2,2
3,0-3,5
6—8
6,5—7,2
8-9
6-8
6-8
2\ магсриалов, кроме
гл. 4).
Епр, к В/мм*
3
15—20
14—18
20—25
35—60
80—120
6—15
22—32
15—20
20-40
98—175
1,0-^,0
0,5—1,5
2,0 3,0
воздуха, ука'^ана д
Рр, Ом.м
10»^ _1013
10"-10'^
5- 10'^ 10'-^
ПУ'-W
108 „_И)'6
10"^-10'2
10'^—10'^
10'^- 10'^
I0^ -10^'
10''—10'^
10'' -10^
10^ -ИГ
10^ -ИГ
ля дейс1вук)1ие1 о та-
3»

поверхность равен алгебраической сумме зарядов (так как они могут быть
положительными и отрицательными), находящихся внутри поверхности:
^D = ^1 + ^2 + ..♦ + ^« = I Cjk'
/:— 1
На основании последнего выражения поток смещения должен измеряться в един»|цах
количества электричества — кулонах (Кл), в соответствии с чем смещение D Np S
должно измеряться в кулонах на м^ (Кл/м^), чаще применяется кратная единица
Кл/см^ = \0^ Кл1м\
Абсолютная диэлектрическая проницаемость и электрическая посгоянная г,а DjEn
должны измеряться в
Кл/м^ К л Ф
В/м В • м м
Как будет показано в дальнейщем, Ф — фарада — есть единица емкости.
Значение электрической постоянной в системе единиц СИ будел : ^;о 8,86 • 10" ' ^ Ф/м
- 8,86- 10"'^ Ф/см.
Существует небольшая, но обладающая некоторыми весьма ценными свойствами
группа диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками (по имени первого открытого
вещества этой группы), у которых проницаемость 8 достигает значений порядка многих
тысяч и весьма непостоянна, в частности, сильно зависит от температуры. К сегнето-
элекгрикам относятся, например, титанат бария и титанат свинца.
2.3
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
ПРОСТЕЙШИХ СИСТЕМ
При графическом изображении картины потока смещения его линии в
электрическом поле тем гуще, чем больше смещение D. Удобно считать, что смещение D равно
(или кратно) числу линий, проходящих через квадратный метр (или см-) поверхности,
расположенной перпендикулярно направлению действия сил поля. При таком
изображении поток смещения через поверхность равен числу линий, пронизывающих ее. На oc^ю-
вании этого положения и теоремы Гаусса — Остроградского легко определить смещение
и напряженность поля в простейших системах. ^
Электрическое поле может быть неравномерным (например, поле точечных зарядов)
и равномерным. В неравномерном поле напряженность изменяется от точки к точке.
Равномерное поле возбуждается между двух параллельных разноименно
заряженных проводящих плоскостей (между двух пластин). Здесь поток смещения No можно
считать сосредоточенным между двумя пластинами. Следовательно, заряд на единице
площади положительно заряженной пластины с ее внутренней стороны будет q^ -|-;
он численно равен смещению D в поле между пластинами D N^iS -|-. Смещение
одинаково во всех точках поля, если диэлектрик однороден. Следовательрю,
напряженность в таком поле тоже постоянна: £„ = Di ел - ^о'^а.

2.4
ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ
ПОВЕРХНОСТИ
Для описания электрических полей часто используется понятие потенциал^а.
Определим связь между напряженностью поля и потенциалом.
При.перемещении заряда q по направлению поля из точки w в точку п в пределах
участка Д/, достаточно малого для того, чтобы считать в пределах его напряженность £п
постоянной, силы поля производят работу А А - Еп Д/. Но такая работа производится
за счет изменения потенциальной энергии заряда Д Ни. В точке т заряд обладал
энергией q(fmy а в точке п — ^<р„, потеря потенциальной энергии AWn =^ qi^m— ?«)" «^Д?
произошла вследствие выполненной работы; следовательно, согласно закону
сохранения энергии АА Ч- Д Wn = 0. На основании чего
Знак минус указывает на уменьшение потенциала. Следовательно, напряженность
поля определяется уменьшением потенциала, взятого по направлению наибольшего его
убывания. На основании сказанного можно сделать вывод, что эквипотенциальные
поверхности должны быть перпендикулярны к линиям поля. Картину электрического поля
изолирующего устройства дают силовые линии и эквипотенциальные поверхности,
т. е. поверхности равного потенциала. При плоскостном изображении электрического
поля линии, получающиеся при сечении эквипотенциальных поверхностей плоскостью
рисунка, называются эквипотенциальными линиями. На чертеже можно провести
бесконечно большое число эквипотенциальных линий. Но для наглядности линии строятся
так, чтобы разность потенциалов двух соседних поверхностей (линий) была всюду одна
и та же. При приближении к заряженному телу эквипотенциальные линии становятся
гуще, указывая тем самым, что здесь напряженность поля больше — от диэлектрика
требуется большая электрическая прочность. На рис. 21 показаны силовые и
эквипотенциальные линии поля заряженного шара,
В равномерном поле (поле между двух заряженных плоскостей) эквипотенциальные
поверхности изображаются системой равностоящих друг от друга плоскостей,
перпендикулярных к направлению поля.
21.
Картина линий
силового поля и

эквипотенциальных поверхностей
вокруг
заряженного шара
22.
Плоскостное
графическое
изображение поля
двухпроводной линии
высокогЬ
напряжения

при построении плоскостного графического изображения поля сначала строят
силовые линии, имеющие своим началом положительные заряды первого проводника,
а концами — отрицательные заряды второго проводника. Эти линии направлены
перпендикулярно к поверхности проводника. Картину дополняют эквипотенциальные
линии, которые должны быть перпендикулярны к силовым линиям. На рис. 22 показано
плоскостное графическое изображение поля двухпроводной линии высокого
напряжения 180 кВ, причем расстоянию между соседними эквипотенциальными линиями
соответствует разность потенциалов 10 кВ.
2.5
ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ПОЛЯ
Рассмотрим условия в равномерном электрическом поле между двумя
параллельными пластинами (рис. 23), которое возбуждается одинаковыми, но разноименными
зарядами. Пластины заряжены некоторым источником электроэнергии, а затем от него
отделены. Механическая сила, воздействующая на каждую из пластин, создается полем
другой пластины. Напряженность общего поля системы можно определить на основании
того, что поток смещения в равномерном поле No DS - q или смещение D qjS,
а напряженность общего поля Ли ^/ €а ^Y' ^^ "** каждую из пластин воздействует
напряженность в два раза меньшая, так как эго поле создается только одним зарядом.
Таким образом, сила, воздействующая на одну пластину,
/="
УНЕСЛИ под действием этой силы одна из пластин переместится на Л/, то силами поля будет
совершена работа
Так как пластины изолированы и отделены от источника
электроэнергии, то их заряды при перемещении не могут
измениться, следовательно, при сближении пластин
напряженность поля остается постоянной, но объем его
уменьшается. Вместе с тем уменьшается напряжение между
пластинами, так как в равномерном поле С/ = £п/. Когда
расстояние между пластинами станет равным нулю, то
произойдет взаимная нейтрализация зарядов, поле исчезнет, и вся
его энергия перейдет в механическую работу А, совершенную
при перемещении пластины:
25еа^
38
23.
Схема перемещения
заряженной
пластины в равномерном
поле
A-fl
^_^!L.
25ег
Согласно закону сохранения энергии она должна быть равна
энергии, первоначально сосредоточенной в электрическом
поле, т. е.

а так как q = Np DS EnS^S,
то
W>-^SI'^V. (20)
здесь У= SI — объем, занимаемый полем. Энергия в единице объема поля равна
половине произведения напряженности на смещение:
2.6
f-^f- (21)
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ
Емкость есть мера способности проводника удерживать заряд. Емкость С
уединенного проводника определяется как отношение его заряда q к его потенциалу f.
Но для технических расчетов эта величина недостаточно определенная, так как значение
потенциала зависит от выбора условного нулевого потенциала. Поэтому в
электротехнике обычно рассматривается емкость системы из двух проводников, разделенных
диэлектриком, т. е. емкость, которую можно называть взаимной емкостью. Специальное
устройство, емкость которого используется для технических целей, называется
конденсатором. Последний в большинстве случаев представляет собой систему из двух (или
более) проводников (обкладок), разделенных диэлектриком; толщина диэлектрика
мала по сравнению с линейными размерами обкладок. Емкость такой системы
^ = ip^~ц^^ = яШу т. е. отношение заряда к разности потенциалов или к напряжению.
Термин «емкость» появился еще в то время, когда электричество мыслилось в виде
жидкости, протекающей по проводнику. Термин неудачен, так как создает
представление, что конденсатор может вместить определенное количество электричества. В
действительности величина емкости определяет лишь, какой заряд она получает при данном
напряжении.
Электрическую емкость можно сравнить с емкостью сосуда при заполнении его
газом. При постоянном объеме количество газа в сосуде будет пропорционально
давлению. Чем оно выше, тем большее количество газа вместит сосуд. В этой аналогии
давление играет роль напряжения, количество газа соответствует электрическому
заряду, постоянное отношение между кбличеством газа и давлением соответствует емкости.
Это сопоставление можно продолжить: механическая прочность стенок сосуда является-
пределом заполнения его газом — при превышении ее сосуд разорвется. Электрическая
прочность диэлектрика между обкладками конденсатора ограничивает напряжение,
а следовательно, и величину заряда, которым можно зарядить конденсатор; при слишком
высоком напряжении диэлектрик конденсатора пробьется.

24.
Схема заряженной
емкости
Явление накопления заряда в конденсаторе определяется в основном процессом
смещения в его электрическом поле. Когда к двум проводникам, изолированным друг
от друга, приложено напряжение, в диэлектрике, их разделяющем, возникает
электрическое поле, которое создает связанные заряды на поверхностях диэлектрика,
прилегающих к обкладкам. Связанные заряды отталкивают одноименные заряды в
проводниках и притягивают разноименные, а так как в проводниках заряды перемещаются
свободно, то на поверхностях проводников, прилегающих к диэлектрику,
сосредоточиваются на одной — положительный заряд, а на другой — отрицательный заряд (рис. 24),
Эти заряды различны по знаку, но одинаковы по величине — все линии потока смещения,
исходящие из положительного заряда одной обкладки, должны заканчиваться в
отрицательном заряде второй обкладки. Обычно в качестве заряда емкости указывают один
заряд q, но при этом подразумевают обязательное наличие двух одинаковых по величине
зарядов +^ и —q.
Так как емкость создается условиями электрического поля в диэлектрике между
обкладками, то она зависит от свойств диэлектрика, в котором возбуждается поле, и не
зависит от свойств проводящего материала обкладок. Чем больше смещение в
диэлектрике, тем больше связанных зарядов на его поверхностях и тем больше удерживаемых
ими свободных зарядов на обкладках.
Емкостью в той или иной мере обладает любое электрическое устройство, так как
при наличии напряжения между двумя точками возникает электрическое поле, а
следовательно, создается емкость, например, емкость между жилами кабеля, между
проводами воздушной линии, емкость электротехнического устройства по отношению к земле
и т. п. Однако в ряде случаев влияние емкости на условия в электротехническом
устройстве настолько мало, что им можно пренебречь.
Единица емкости — фарада (Ф) — есть емкость такого устройства, которое
заряжается одним кулоном электричества, когда на него воздействует напряжение в один
вольт: 1 Ф - 1 Кл/1 В.
Емкость в одну фараду относительно весьма велика, но практически вполне
осуществима. В электротехнических установках обычно встречаются емкости порядка одной
миллионной доли фарады — микрофарады (мкФ): 1 мкФ ^ 1 • 10"^ Ф, sTb электронных
устройствах — емкости порядка триллионных долей фарады — пикофарады (пФ):
1 пФ-МО"^^ Ф.
Иногда применяют промежуточную единицу емкости — нанофараду (нФ) — это
одна биллионная (одна миллиардная) доля фарады: 1 нФ - 1000 пФ -- 1 -10"^ мкФ =
- 1 •10-^ Ф;

«) б)
2.7
КОНДЕНСАТОРЫ
25.
Соединение
конденсаторов:
а - параллельное, б —
последовательное
Плоский конденсатор (см. рис. 24) является простейшим по устройству и расчет его
емкости весьма прост. Поле между двумя параллельными пластинами,
представляющими собой обкладки конденсатора, равномерно. Поток смещения Nd в нем можно
считать сосредоточенным в промежутке d между пластинами. Согласно теореме
Гаусса—Остроградского этот поток Nd= Я,ъ то же время Nd= DS, где S— площадь одной
пластины. Так как поле равномерно, то напряжение между обкладками U--^End. На
основании этих соотношений емкость плоского конденсатора
и End d d ^ ^
Следовательно, емкость конденсатора тем больше, чем больше диэлектрическая
проницаемость диэлектрита и чем меньше промежуток d между обкладками.
Конденсаторы соединяются между собой параллельно для увеличения общей
емкости (рис. 25, а). При таком соединении их заряжает одно и то же напряжение С/, и общий
заряд их равен сумме зарядов отдельных конденсаторов:
Следовательно, общая емкость такой батареи соединенных параллельно конденсаторов
будет:
т. е. емкость С равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.
Последовательное соединение конденсаторов (рис. 25, 6) применяется в тех случаях,
когда изоляция (диэлектрик) одного конденсатора не может выдержать рабочее
напряжение установки. При таком соединении заряды +<? и —q получают лишь две внешние
обкладки системы, а все внутренние обкладки заряжаются путем разделения зарядов.
Можно считать, что систему последовательно соединенных конденсаторов пронизывает
поток смещения ND=q — общему заряду, одинаковому у всех конденсаторов. Общее
напряжение U равно сумме напряжений на обкладках отдельных конденсаторов:
U^^'t^Uti, а каждое из частичных напряжений 1/к-=^/Ск, следовательно.

На основании этой формулы общая емкость системы соединенных последовательно
конденсаторов будет:
в частности, если последовательно соединены п одинаковых конденсаторов Сг, то
с- % • (23)
2.8
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Учение об электрическом поле в большей своей части используется для расчетов
изоляции токоведущих частей электротехнических установок. Важное значение при этом
имеет выбор электроизоляционных материалов, называемых также диэлектриками.
Для всех практически применяемых диэлектриков характерно очень большое объемное
удельное сопротивление: Ру==10®—10^^ Омм.
В зависимости от своего физического состояния (агрегатного состояния)
диэлектрики делятся на твердые, жидкие и газообразные. Далее принято различать естественные
и искусственные диэлектрики; неорганические и органические диэлектрики. Твердыми
неорганическими диэлектриками являются различные керамики, стекла, слюды, кварц,
асбест. К твердым органическим диэлектрикам принадлежат смолы, лаки, пластмассы,
каучуки, волокна. К жидким диэлектрикам относятся нефтяные масла, кремнийоргани-
ческие и фторорганические жидкости, хлорированные углеводороды (совол и совтол).
Из газообразных диэлектриков чаще всего используется воздух.
Электрическая прочность Епр диэлектрика — это та наименьшая напряженность
электрического поля, при которой начинается пробой данного диэлектрика (см. табл. 2).
Значения электрической прочности являются ориентировочными, так как она зависит
от температуры и влажности диэлектрика, от длительности воздействия напряжения,
от толщины слоя диэлектрика и при переменном напряжении она меньше, чем при
постоянном.
Пробой диэлектрика может протекать в форме теплового или чисто электрического
процесса.
Тепловой пробой развивается, главным образом, в тонких каналах, проходящих
через всю толщу диэлектрика. Наличие каналов обусловливается неоднородностью
состава диэлектрика. Они обладают повышенной проводимостью и в них создается
большая плотность тока. Нагревание диэлектрика током вызывает уменьшение его
сопротивления, так как температурный коэффициент у твердых диэлектриков
отрицателен. Это вызывает дальнейшее наростание тока в канале. Процесс возрастания тока

утечки, повышения температуры и дальнейшего возрастания силы тока утечки может
продолжаться до чеплового разрушения ослабленного места диэлектрика —
обугливания, растрескивания, расплавления с возникновением электрической дуги.
Электрический пробой создается прямым действием сильною электрического поля
на ионы, содержащиеся в диэлектрике. Под действием сил поля эти ионы приобретают
настолько большие скорости, что, сталкиваясь с молекулами диэлектрика, ионизируют
их. В результате имеет место лавинное возрастание электрического тока, разрушающее
изоляцию. Часто при пробое диэлектрика сначала возникает электрический пробой,
а затем вследствие нагревания диэлектрика тепловой пробой. Хорошее охлаждение
изолятора существенно повышает его электрическую прочность.
Пробой жидких диэлектриков является очень сложным процессом. Наличие влаги
и твердых примесей существенно снижает электрическую прочность жидкостей. По этой
причине необходима периодическая сушка минерального масла, которым заполняются
банки трансформаторов и масляных выключателей.
Электрическая прочность газов зависит от длины свободного пробега ионов в них,
а эта длина изменяется с изменением температуры и давления.
При неравномерном поле в изолирующем промежутке напряженность
распределяется в нем также неравномерно и в одной части она может превысить электрическую
прочность диэлектрика в то время как в остальной части промежутка прочность
диэлектрика будет прежней. Возникает частичный пробой диэлектрика, что повышает
напряженность в остальной части промежутка и обычно приводит к пробою всего промежутка.
Контрольные вопросы
1. Какая величина определяет состояние среды в электрическом поле?
2. Если известна напряженность в электрическом поле, то какую величину нужно знать, чтобы
. определить электрическое смещение?
3. В чем различие между диэлектрической проницаемостью и абсолютной диэлектрической
проницаемостью?
4. При каких условиях поток смещения равен произведен'ию смешения на площадь
поперечного сечения потока?
5. Как направлены силовые линии электрического поля по отношению к эквипотенциальным
поверхностям?
6. Где начинаются и где кончаются линии потока смешения?
7. Чем отличаются связанные заряды от свободных зарядов?
8. Какой величине равна разность потенциалов двух точек в электрическом поле постоянного
тока?
9. Почему обычно говорят о разности потенциалов в электрических устройствах, а не о
потенциалах?
10. Какова должна быть площадь обкладок воздушного конденсатора емкостью в 0,1 мкФ, если
расстояние между его обкладками равно 0,5 мм?
11. Какое количество энергии будет накоплено в конденсаторе емкостью в 0,1 мкФ при
напряжении 1 кВ?
12. В чем различие между напряженностью и смещением?

3
Глова ^% ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ
ИНДУКЦИЯ

3.1
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Электрический ток возбуждает магнитное поле вокруг обтекаемых им проводников.
Сам электрический ток создается движением зарядов под действием электрического
поля, поэтому всегда существует единое электромагнитное поле. Но в ряде случаев
электрическое поле по своим проявлениям может быть относительно очень слабым
и можно рассматривать независимо одно магнитное поле. Его существование
обнаруживается по ряду явлений.
Магнитное поле воздействует на магнитную стрелку, которая стремится стать
перпендикулярно несущему ток проводнику (рис. 26, а). Стальные опилки, насыпанные на
лист картона, через который пропущен провод, несущий ток, располагаются вокруг
провода по концентрическим окружностям (рис. 26, 6). Проводники с токами
отталкиваются друг от друга или взаимно притягиваются. На основании подобных явлений
принято считать, что электрический ток возбуждает магнитное поле под действием своей
намагничивающей силы, часто называемой магнитодвижущей.
В отсутствие других токов или намагниченных тел намагничивающая сила всегда
прямо пропорциональна току и зависит только от пространственного расположения
проводника с током. Она возбуждает вокруг проводника с током магнитный поток Ф.
Свойства электрической цепи, обтекаемой током, возбуждать магнитный поток
определяются ее индуктивностью L. От последней зависит возникновение э. д. с. самоиндукции
в самой цепи, возбуждающей поток. Эта э. д. с. вызывает образование электрической
дуги при выключении цепи между размыкаемыми контактами (рис. 26, в). Она же
заставляет при выключении вспыхнуть лампу, включенную параллельно катушке, хотя
напряжение горения лампы значительно больше напряжения источника электроэнергии.
Наконец, при включении и выключении цепи отклоняется стрелка гальванометра, замкнутого
на катушку, изолированную от цепи тока, но находящуюся в магнитном поле тока —
это следствие явления взаимоиндукции.
Основной величиной, характеризующей состояние магнитного поля в любой его
точке, является магнитная индукция В. Магнитная индукция зависит от магнитных
свойств среды, в которой возникло магнитное поле. Намагничивающая сила создает
в каждой точке поля пропорциональную ей определенную напряженность магнитного
поля Я, которая, воздействуя на среду, изменяет ее состояние, возбуждая в ней
некоторую магнитную индукцию В. Величина магнитной индукции зависит от строения и
магнитного состояния вещества.
Магнитная индукция и напряженность поля обозначаются жирным шрифтом, чтобы
показать, что это физические векторы, т. е. они определяются не только численным зна-

•)
б)
в)
26.
Явления
электромагнетизма:
а - iipoHo.tMtiK с кжом но $-
.icnciHvci на маг ми тую
cipi-' ii^N- f'> ~ с la.ibHbic ОПИ.1-
ки 1ругтирук)1ся вокру!
пронолиика с кжом. л —
).1скгрнчоская .lyia нопж-
кас1 при ра)М1>1кании исии
ижа и ). л. с и {аимоим-
ЛУ к 1111 и
чением, но и определенным направлением в пространстве; в тех же случаях, когда
рассматриваются только значения этих величин (их модули), их обозначают обычным
шрифтом.
Отношение магнитной индукции к напряженности поля, ее возбуждающей,
называется абсолютной магнитной проницаемостью |га(мю):
Но в большинстве случаев указывается не абсолютная магнитная проницаемость
вещества //а» а ее отношение к абсолютной магнитной проницаемости вакуума, величина
которого называется магнитной постоянной и обозначается fiQ. Отношение fijfio ^ fi
называется магнитной проницаемостью данного вещества (иногда относительной
магнитной проницаемостью).
3^ СИСТЕМЫ
• А МАГНИТНЫХ ЕДИНИЦ
Современная система магнитных единиц (СИ) определяет единицы магни1ных
величин на основании законов электромагнетизма через соответствующие электрические
и механические единицы. Напряженность магнитного поля Н измеряется в амперах
на метр (А/м). Один ампер на метр —рто напряженность магнитного поля,
возбуждаемого током силой 12,566 А (4я А), проходящим по прямому, бесконечно длинному про-

воднику, на расстоянии 2 м от его оси. Размерность единицы (А/м) и определение ее даны
на основании закона полного тока.
Магнитный поток Ф измеряется в веберах (Вб). Одному веберу равен магнитный
поток, при убывании которого до нуля за одну секунду в контуре, сцепленном с этим
потоком, возникает э. д. с. индукции, равная одному вольту: следовательно, Вб - В с.
Размерность единицы и определение ее даны на основании закона электромагнитной
индукции.
Магнитная индукция измеряется в теслах (Т). 1 тесла — это индукция такого
равномерного магнитного поля, в котором магнитный поток через площадь в 1 м^,
перпендикулярную направлению поля, равен одному веберу. Следовательно, Т = Вб/м^.
Намагничивающая сила (н. с.) измеряется в амперах (на основании закона полного
тока).
Абсолютная магнитная проницаемость Цл и магнитная постоянная fiQ измеряются
в ом • секундах на метр. Так так /Ха -= В/Н, следовательно, единица абсолютной
магнитной проницаемости должна измеряться в
Т Вб ' м _ В ' с _ Ом • с V
А/м м^•A А-м м
Индуктивность измеряется в генри (Гн). Индуктивностью в один генри обладает
такой контур, в котором ток силой 1 А создает сцепленный с этим контуром поток в 1 ве-
бер. Так как Г - ^ - -5^^ = Ом с, то единица /Ха будет Гн/м.
В системе СИ благодаря соответствующему выбору единицы формулы законов
электромагнетизма не содержат каких-либо постоянных коэффициентов. Это система
рационализированная. Но наряду с ней допускается применение магнитных единиц нерационализированной
электромагнитной системы СГС Цо — основными единицами которой являются сантиметр,
грамм, секунда и, принимаемая равной единице и безразмерная абсолютная магнитная
проницаемость пустоты Но— магнитная постоянная.
В этой системе напряженность Н измеряется в эрстедах (Э).
1 А/м=47Г- 10-^Э.
Магнитный поток Ф измеряется в максвеллах (Мкс) • 1 Вб =^ 10^ Мкс.
Магнитная индукция В измеряется в гауссах (Гс). 1 Т ^ 10* Гс.
Намагничивающая сила F измеряется в гильбертах (Гб). 1 А ^ 0,4 л Гб.
Индуктивность измеряется в сантиметрах (см). 1 Гн ^ 10^ см.
При пользовании единицами СГС Цо следует иметь в виду, что формулы электромагнетизма
в этой системе нерационализированные; они содержат коэффициент 4к.
Д И AM АГН ИТНЫЕ,
ПАРАМ АГН ИТНЫЕ
3^ И ФЕРРОМАГНИТНЫЕ
• Л ВЕЩЕСТВА
Электрон, движущийся по круговой орбите вокруг ядра атома, равноценен
круговому току; поэтому вследствие движения заряженных частиц внутри атомов и молекул
все вещества обладают магнитными свойствами. Внутри атомов и молекул веществ как бы
протекают круговые токи («молекулярные токи ампера»). Каждый такой ток возбуждает
некоторое магнитное поле. Но у большинства веществ направление этих внутренних
токов беспорядочно, вследствие чего у них отсутствует внешнее магнитное поле.

в зависимости от поведения веществ во внешних магнитных полях (например, в поле,
возбужденном внутри проволочной катушки, обтекаемой током) они делятся на
парамагнитные и диамагнитные*. Первые под воздействием внешнего магнитного поля
создают собственное магнитное поле, направленное согласно по отношению к внешнему
полю и, следовательно, последнее усиливается. Во-вторых, при внешнем намагничивании
возникает собственное магнитное поле, направленное встречно по отношению к
внешнему полю и, следовательно, несколько ослабляющее это основное поле. Магнитная
проницаемость ^>\ у парамагнитных тел и |i< 1 у диамагнитных тел.
Однако у большинства парамагнитных и диамагнитных тел магнитная
проницаемость мало отличается от единицы, в результате чего при практических
электротехнических расчетах этим отличием можно пренебречь и считать магнитную про1шцаемость
всех тел равной единице. Например: у парамагнитного алюминия jj. = 1,000023, а у
диамагнитной меди ju ^0,99991.
Особую, немногочисленную, но практически очень важную группу парамагнетиков
составляют ферромагнетики (от лат. слова «феррум» — железо) — это железо, кобальт,
никель, некоторые редкоземельные элементы (гадолиний и др.) и феррома! luti ные
сплавы из неферромагнитных элементов**. У ферромагнетиков магнитная проницаемость
велика и непостоянна.
Ферромагнитные материалы широко применяют при построении электрических
машин, трансформаторов и всевозможных электромагнитных аппаратов и приборов. Они
служат для усиления магнитного потока и придания ему нужной конфигурации. В
магнитном поле эти материалы намагничиваются. Например, стальной стержень,
помешенный в катушку, обтекаемую током (рис. 27), намагничивается. На одном его конце
возникает северный полнэс N (в чем можно убедиться с помощью магнитной стрелки),
а на другом — южный S. После того как ток выключен или стержень удален из катушки,
стержень в некоторой степени сохраняет свои магнитные свойства под влиянием
остаточного намагничивания. Последнее незначительно у электротехнической стали,
применяемой для построения трансформаторов и большей части электрических машин и
аппаратов; эта сталь — магнитномягкий материал. Но у магнитнотвердых материалов,
применяемых для изготовления постоянных магнитов (например, кобальтовая сталь —
сплав железа с 30% кобальта), остаточный магнет11зм весьма значителен.
Отметим, что когда в магнитном поле отсутствуют ферромагнетики, можно
считать магнитную постоянную fXo постоянным коэффициентом пропорциональности
между магнитной напряженностью и индукцией, т. е. 5 =- juqH.
В системе СИ единицы В и И определены независимо на основании двух различных
законов электромагнетизма, поэтому магнитной постоянной приписывается точное
числовое значение //о ^ 47С • 10"*^ Г/м,
Чтобы сделать картину магнитного поля электрических устройств более наглядной,
широко применяется рабочая гипотеза магнитных линий. На рис. 28 показана картина
поля катушки, обрисованного стальными опилками. Условились считать направлением
магнитных линий направление, которое указывает северный конец стрелки компаса —
магнитной стрелки, внесенной в магнитное поле. Магнитное поле изображается
заполненным без промежутков упругими натянутыми трубками; направление их совпадает
* От греч. слов «пара» —- около и «дна» — врозь.
** Например, сплав сильманал, состоящий и j 8,8% марганца, 86,8%серебра и 4,4",, а.моминия.

27.
Стальной стержень в
катушке, обтекаемой
током
28.
Стальные опилки в магнитном поле катушкА, обтекаемой током
с направлением магнитных сил. Магнитные линии рассматриваются как оси этих трубок
и только эти оси изображаются на картинах магнитного поля магнитными линиями.
Пользуясь этой картиной, можно наглядно определять магнитную индукцию как
плотность магнитных линий, т. е. как число магнитных линий, проходящих через единицу
поверхности (1 м^ или 1 см^), перпендикулярной направлению магнитного поля,
следовательно, перпендикулярной направлению магнитных линий.
Индукция и напряженность определяют условия в отдельных точках магнитного
поля. Основной величиной магнитного поля является магнитный поток Ф (поток вектора
магнитной индукции). В равномерном поле, где индукция одинакова во всех точках тела,
Ф = BS, здесь S — площадь поверхности, пронизываемой потоком и перпендикулярной
его направлению. Если же магнитное поле неравномерно, то поток Ф, его образующий,
определяется как сумма магнитных потоков АФк, пронизывающих малые площади ASk,
в пределах которых можно считать индукцию постоянной: Ф-=^f АФк -^^2 ^бк А^к.
Магнитный поток можно рассматривать как сумму всех магнитных линий,
пронизывающих определенную поверхность. Важное свойство магнитных линий — их замкнутость,
т. е. они охватывают путь электрического тока, их возбуждающего, и образуют с этим
током магнитное сцепление.
Для электротехнических расчетов важна зависимость магнитной индукции В от
напряженности Н магнитного поля в ферромагнетике. Эта зависимость относительно
сложна и не может быть выражена какой-либо простой формулой. Поэтому при расчетах
пользуются таблицами зависимости В от Я, составленными для стандартных ферромаг-
4^819 .

30.
29. Кривая первоначального на-
Кривые намагничивания различных ферро- магничивания и гистерезис-
магнитных материалов ный цикл
нитных материадов, или же графическим изображением этой зависимости — кривой
намагничивания. На рис. 29 показаны кривые нескольких широко применяемых
ферромагнитных материалов. Вид такой кривой определяется магнитными свойс!вами Maie-
риала. Ее нижняя ветвь соответствует ненасыщенному состоянию, а перегиб (так
называемое «колено») — переходу в насыщенное состояние. Этот перегиб особенно резко
выражен у пермаллоя — сплава, состоящего из никеля (78,5%) и железа, применяемою
для измерительных приборов, магнитных экранов, реле и т. д.
Во многих случаях необходимо учитывать влияние магнитного гистерезиса, из-за
которого магнитная индукция в ферромагнетике определяется не только данной
напряженностью поля, но и предыдупщм магнигным состоянием тела. Гистерезис (ог грсч.
слова, обозначающего запаздывание) - явление, тесно связанное с остаточным
намагничиванием; магнитные смещения и (|>срромагнегике, созданные внешним полем, в
некоторой мере не обратимы. Силы ниугреннего сцепления недостаточны, чгобы
восстановить исходное ненамагниченное состояние ферромагнетика. При ослаблении внепь
него поля, при одних и тех же значениях напряженности, индукция будет 6ojibnje, чем
она была при возрастании силы поля. Из-за гистерезиса при уменьшении
намагничивающего тока и создаваемой им напряженности Н магнитная индукция убываел не по кривой
первоначального намагничивания, исходящей из начала координат, пояучсшюи для
предварительно размагниченною образца, а гю кривой, лежащей несколько выпю
(рис. 30). Когда же внешнее поле исчезло (отключен намагничивающий гок). юма в
ферромагнетике сохранится некоторая остаточ}[ая индук1щя B^). Чтобы умсньнпггь
индукцию до нуля, т. е. полностью размагнитить ферромагнетик, необходимо возбудить
размагничивающее внешнее поле (изменить направление тока в катуплке), напряженное! ь
которого, чтобы уничтожить остаточное намагничивание, должна дости! ну гь
значения /Ус. называемого коэрцитивной силой.
При дальнейшем усилении поля обра гного направления в феррома! нетике возникнет
индукция обратного направления. Постепенно усиливая обратное поле (yвeJЩЧивaя силу
намагничивающего тока), можно создать опять условия магнитного насыщения,
которому будет соответствовать максимальное значение индукции ^м Затем посгепенно
уменьшая Н, мржно получить осгаточную индукцию обратного направления /io Вновь
изменив направление намагничивающего поля (переключив направление нама! иичиваю-

щего тока), можно довести индукцию до первонач«и1ь-
ного максимального значения Вм. Таким путем может
быть получена замкнутая кривая, называемая пепыей
гистерезиса. Ее площадь пропорциональна затрате
энергии на один цикл перемагничивания единицы объема
ферромагнитного материала. Если при построении петли
гистерезиса магнитная индукция выражалась в Т
- Вс/м^, а напряженность в А/м, то единица площади
кривой будет соответствовать
В • с/м^ • А/м-В • А • с/м^"Дж/м^
В условиях циклического перемагничивания
работают сердечники трансформаторов, машин и аппаратов
переменного тока. Чтобы потери в них от гистерезиса
были по возможности малы, желательно применять
ферромагнитные материалы с относительно очень узкой
петлей гистерезиса (рис. 31, кривая У). К таким
материалам относится листовая электротехническая сталь. Но для
31.
Гистерезисный цикл магнитно-
мягкого (I) и магнитнотвсрдо-
го Г^/материалов
постоянных магнитов желателен магнитотвердый материал с большими коэрцитивной
силой и остаточной индукцией, следовательно, с широкой петлей гистерезиса (рйс. 31,
кривая 2).
3.4
ЗАКОН ПОЛНОГО ТОКА
Закон полного тока определяет зависимость напряженности магнитного поля от
токов, ее возбуждающих. В простейшем случае напряженность И магнитного поля
прямолинейного длинного провода на расстоянии х от его оси (рис. 32) будет:
(24)
здесь / ^ 2пх представляет собой длину окружности, описанной вокруг провода
радиусом X. Во всех точках этой окружности вследствие симметрии системы напряженное!ь
магнитного поля одинакова, а сама окружность совпадает с магнитной линией, описанной
вокруг проводника. Магнитное поле провода возбуждается намагничивающей силой
тока /. В системе СИ принято считать намагничивающую силу, равной току, т. е. F /,
следовательно, Н ~ F/1 или F - Я/.
Направление магнитного поля тока определяется с помощью правила буравчика
(штопора): если ввинчивать буравчик в провод по направлению тока (рис. 33), то
направление вращения рукоятки буравчика будет совпадать с направлением магнигного поля,
возбуждаемого этим током.
Второй простой случай применения закона полного тока — это расчет
напряженности маг нитного поля внутри однородного кольца (тороида) из любого материала, обмо-
51

32.
Прямолинейный проводник с током
i
33,
Правило буравчика \
34. I
Кольцо, обмотанное
проводом (тороид)
тайного изолированной проволокой, В этом случае магнитные линии имеют форму
окружностей, заключенных внутри сечения кольца (рис. 34). Магнитные линии
отдельных витков в промежутках между ними направлены друг другу навстречу и взаимно
компенсируются. Магнитный поток сосредоточивается внутри кольца. Длина средней
магнитной линии /cp-=27iRcp, а намагничивающая сила равна произведению тока на
число витков катушки F^/w, так как каждый виток увеличивает намагничивающую
силу на величину /. Следовательно, в кольце
2я/?ср /ср
Вокруг провода и внутри кольца вдоль магнитной линии поле было одинаковым. Но
в большинстве электротехнических устройств напряженность вдоль магнитной линии
изменяется в зависимости от условий отдельных ее участков (сечения, длины и
материала).
В подобных случаях весь замкнутый путь магнитного потока, называемый
магнитной цепью, делится по возможности на небольшое число п участков. В пределах каждого
из этих участков напряженность Як можно считать постоянной.
Если поле возбуждается катушкой из w витков, обтекаемой током, ю для такого,
практически наиболее важного случая, закон полного тока будет:
F-Iw-H,/i 4-Я2/2 +... + Hnln-iHJK . (25)
52 * = i

Здесь знак ^£ J условно обозначает, что рассматривается сумма из п слагаемых.
Величина Як /к называется .магнитным напряжением на к-м участке цепи.
В простейшем случае однородной магнитной цепи закон полного тока будет:
3.5
ЗАКОН ОМА
ДЛЯ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
Можно сопоставлять магнитную цепь с цепью электрической, что придает большую
наглядность соотношениям магнитных величин.
Если в выражении закона полного тока (25) заменить напряженность
то получим, что магнитный поток
ф^J^-^ (26)
Согласно закону Ома в электрической однородной цепи сила тока
S yS
где /—длина; S — сечение; у — удельная проводимость линейного проводника.
На основании такого сопоставления формул для магнитного потока и для силы
тока первую из них называют законом Ома для магнитной цепи и ее знаменатель
— магнитным сопротивлением. Таким образом можно считать, что магнитный поток
равен намагничивающей силе, деленной на магнитное сопротивление.
Сопоставление условий в магнитной цепи с условиями в электрической цепи удобно
для качественной характеристики магнитной цепи, но для ее расчетов применяется редко.
При отсутствии ферромагнетиков магнтное поле в большинстве случаев весьма
неоднородно и затруднительно рассчитать магнитное conpoi ивление. Если же магнитная цепь
содержит ферромагнетики, то магнитная проницаемость последних зависит от значения
потока и, следовательно, в выражении закона Ома оказываются два неизвестных.
Полезно также не забывать, что аналогия формул не соответствует аналогии
процессов. В электрической цепи движутся свободные электроны — это процесс, требующий
непрерывной затраты энергии. В магнитной цепи магнитная индукция есть только
состояние среды, неизменное при постоянстве намагничивающей силы, т. е. здесь
отсутствует движение материальных частиц.
53

3.6
РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
В магнитной цепи электрических машин и аппаратов должна быть создана на
некотором участке (обычно в воздушном зазоре) магнитная индукция, требуемая условиями
работы устройства. Следовательно, задачей расчета подобной цепи является
определение намагничивающей силы, необходимой для возбуждения заданной индукции. Основой
расчета является закон полного тока, согласно которому намагничивающая сила равна
сумме магнитных напряжений на отдельных участках цепи:
Ar— 1
(28)
Для расчета магнитная цепь делится на небольшое (по возможности) число
участков W, в пределах которых напряженность поля Як и индукция Вк постоянны вдоль всего
участка /к- На рис. 35 показана магнитная цепь, образуемая магнитопроводом из
листовой электротехнической стали. Магнитопровод имеет небольшой воздушный зазор /в
(промежуток). Магнитная цепь здесь делится на три участка: первый участок \\ — два
боковых стержня, второй участок /г—верхний и нижний стержни сердечника (у них
одинаковые сечения), и третий участок — воздушный промежуток /в. Если задана
индукция в воздушном зазоре ^в, то соответствующая относительно большая
напряженность магнитного поля в этом зазоре Яв ^ ~. Затем определяют магнитный поток в
магнитопроводе. Сечение пути потока в воздухе можно принять (приближенно) равным
сечению прилегающего участка магнитопровода 5ь следовательно, поток Ф ^ BbS\.
Магнитная индукция на первом участке
B^
Ф
S^
Соответствующее ей значение напряженности Hi можно найти с помощью кривой
намагничивания материала магнитопровода (рис. 36). Затем определяется Z?2 Ф/^2 и
по кривой намагничивания — напряженность Яг.
35.
Магнитопровод с воздушным зазором
36.
Определение напряженности
с помощью кривой
намагничивания

Для каждого из участков длина / рассматривается как для средней Mai нитной линии,
что и показано на рис. 35. Затем можно воспользоваться законом полною тока, чюбы
определить намагничивающую силу
/'=/и; = //в/в + Я|/1+Я2/2,
илгк если число ни i ков задано, го найти и намагничиваюншй юк.
3.7
ВОЗДЕЙСТВИЕ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ
НА ПРОВОДНИК, НЕСУЩИЙ
ТОК
Во всех электродвигателях используются механические силы, воздействуюгцие на
помещенные в магнитное поле проводники, обтекаемые токами.
На прямолинейный проводник /, несущий ток /, в магни гном поле действует
механическая сила /, стремящаяся сместить его в плоскости, перпендикулярной направлению
поля.
Для определения направления этой силы служит правило левой руки (рис. 37): ладонь
нужно поставить так, чтобы магнитные линии в нее входили (т. е. навстречу направлению
поля); четыре пальца вытянуть по направлению тока вдоль проводника; otoi нутый
большой палец покажет направление действующей на проводник механической силы.
Эта сила называется электромагнитной силой, так как она является следствием
взаимодействия тока и магнитного поля.
Электромагнитная сила в равномерном поле пропорциональна произведению
магнитной индукции В на силу тока /, а также активной длине проводника / (т. с. длине част и
проводника, находящейся в магнитном поле). У большинства машин и аппаратов
проводники расположены практически перпендикулярно направлению магнитного поля,
в этом случае сила
f-BIL (29)
Если же проводник образует с направлением магнитного поля угол а, то
f-BIls\na.
Если магнитная индукция равна 1 Т, сила тока 1 А, активная длина 1 м и угол а - 90 ,
то на проводник действует электромагнитная сила, равная одному ньютону (Н),
При перемещении проводника под действием этой силы совершается
соответствующая работа, равная произведению силы на путь х: А -= /.т; если сила /-= ВИ, то А IBIx,
а так как 1х ^ 5—площади, пересеченной проводником, то BS ^Ф — магнитному
потоку, который проводник пересек при своем перемещении. Следовательно, работа,
произведенная электромагнитной силой при перемещении проводника,
55

37.
Правило левой руки
38.
Два параллельных
провода воздушной
линии, обтекаемой
током
т. е. равна произведению силы тока па пересечсппый при
движении магнитный поток. В системе сдинип СИ эта
работа выражается в джоулях.
Воздействие магнитного поля имеет место и при
движении отдельных зарядов. При неизменяющейся в
течение времени силе тока / его можно выразить через
заряд cj, т. е. / t/ 7, а так как путь, деленный на время его прохождения, есть скорость
движения г /7, то, следовательно, электромагнитная сила, действующая на заряд cj,
будет:
f=Bqvsma. (30)
Чтобы определи гь направление силы, можно применить правило левой руки, причем
вытяну 1ые пальцы должны бы i ь направлены по направлению движения положительного
заряда.
П1)льзуясь законом элекгромагнитной силы, легко рассчи1а1ь cii.iy ил.и:модойсгвия
проводов двухпроводной линии (рис. 38), рассюяиис между (г> ' ,. 1,рч>1.одов коюрой
равно а. Напряженносгь Mai пииюго поля тока провода / на расстоянии а будег согласно
формуле (24)
''' "^ 2па ■
Индукция, возбуждаемая этой напряженностью,
в, =.„//, = ;^, /.
Направление магнитного поля провода 1 перпендикулярно к направлению провода 2
(а : 90 ), следовательно, на провод 2 действует сила
./2 = ^1//-- ^'- /^. (31)
На провод / воздействует такая же сила, но противоположного направления. В
двухпроводной линии токи имеют противоположные направления, провода линии будут
взаимно отталкиваться.

и та, и другая силы пропорциональны квадрату силы тока, поэтому при коротких
замыканиях в установках, когда токи возрастают в сотни раз, силы взаимодействия
увеличиваются в десятки тысяч раз и могут причинить существенный вред.
3.8
ЭЛ ЕКТРОМ АГН ИТН АЯ
ИНДУКЦИЯ
И ПРИНЦИП ЛЕНЦА
Важное значение для всей электротехники имеет закон электромагнитной индукции,
открытый М. Фарадеем. Эют закон служит для определения э. д. с, возникающей в
проводниках при пересечении ими магнитных линий и при изменении магнитного поюка,
сцепленного с контуром, образуемым проводниками. Закон электромагнитной индукции
найден на основании опытов, но его можно считать логическим следствием закона
электромагнитной силы.
На электрический заряд, движущийся в магнитном поле, действует отклоняющая
электромагнитная сила [формула (30)]. В простейшем случае, когда заряд с/ движется
со скоростью V перпендикулярно направлению поля, эта сила будет/э l\vB. Такое
движение возможно, когда в поле перпендикулярно его направлению под действием
какой-либо механической силы перемещается провод (рис. 39). На свободные электроны,
содержащиеся в проводе, действует электромагнитная сила, смещающая их к одному
концу провода. Это равносильно сосредоточению отрицательного заряда у одного конца
провода и положительного заряда (недостаток электронов) у другого конца. Между
двумя разноименными зарядами в проводнике возникает индуктированное (наведенное)
электрическое поле — создается напряженность £п. Через эту напряженность можно
выразить силу взаимного притяжения разноименных зарядов (называемую часто куло-
новой силой):
39.
Смещение зарядов при
движении проводника в
магнитном поле
40.
Правило правой руки
57

Сила взаимного притяжения должна уравновешивать электромагнитную силу,
стремящуюся разделить заряды:
/. + Ук = 0.
Подставив соо I ветствующие выражения этих сил, получим формулу, выражающую
напряженность электрического поля в проводнике через его скорость и магнитную
индукцию поля:
Вдоль активной длины проводника / при его движении смещаются заряды против
направления сил поля так же, как внутри всякого источника электроэнергии, например
в гальваническом элементе.
При движении в равномерном магнитном поле индуктируемая напряженность
одинакова вдоль всей активной длины проводника /, следовательно, в проводнике
индуктируется э. д. с.
E-Enl--vBl. (32)
В случае, когда проводник движется по отношению к направлению поля под углом а,
эта э. д. с. будет:
Е"^ -vBb\x\a.
Направление индуктированной э. д. с. можно определять, пользуясь правилами
правой руки (рис. 40): поставить правую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь;
отставленный большой палец направить по направлению движения проводника;
направление индуктированной э. д. с. покажут остальные вытянутые пальцы.
Для определения направления индуктированной э. д. с. часто целесообразно
применять принцип Ленца (называемый также правилом или законом Ленца):
индуктированная э. д. с. стремится противодействовать причине, ее вызывающей.
Более общее значение имеет выражение э. д. с. через изменение магнитного потока,
сцепленного с контуром. Его можно получить из формулы (32), заменив скорость v,
отношением пути Ал: к времени Af, за которое этот путь пройден: v A.v/Af, следовательно,
Л/
но произведение /Ах-^ AS — это площадь, пересеченная проводником (рис. 41), а
B^S ^ АФ — поток, пронизывающий эту площадь и пересеченный проводником.
Следовательно,
N.
£=-^-Ф, (33)
А/
здесь АФ можно рассматривать как изменение потока Ф, сцепленного с контуром, в
котором индуктируется э. д. с; на основании чего индуктированная э. д. с. равна
скорости изменения магнитного потока, сцепленного с контуром, в котором она индук-
58 тируется.

41.
Изменение hoi ока,
сцепленного с коиly-
ром при лвижении
проволиика
Если замкнуть проводник, движущийся в магнитном ноле, на резистор г, то
индуктированная э. д. с. создаст в контуре ток /. Последний, взаимодействуя с индуктирующим
магнитным полем, вызывает появление механической си;*ы, противодействующей
движению проводника, т. е. изменению магнитного потока — причине возникновения э. д. с;
в этом здесь и отражается принцип Ленца.
3.9
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА,
ИНДУКТИРУЕМАЯ В КАТУШКЕ,
И ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЕ
Закон электромагнитной индукции в формуле (33) определяет э. д. с,
индуктируемую в одном контуре, но электрическая цепь может состоять из нескольких контуров,
сцепляющихся с одним и тем же потоком. В частности, в катушке, пронизываемой
потоком, каждый из витков равноценен контуру. Кроме того, поток может различно
сцепляться с отдельными витками. На рис. 42 тремя витками катушки сцепляется весь
поток Ф, а с десятью ее витками сцепляется только часть потока Ф|.
Когда в катушке индуктируется э. д. с. вследствие изменения потока во времени
или вследствие перемещения катушки по отношению к потоку (например, удаления
катушки из поля), т. е. э. д. с, индуктируемые в отдельных витках
АФ«
Л/
складываются, так как витки с;эединены между собой последовательно. Таким образом,
э. д. с, индуктируемая в катушке, будет:
^ /АФ1 , Лф2 . , АФ« , , ЛФ»'Л А(ф1 + Ф2 + '-. + Ф«+...f Фи)
л-1 А/ А/ At At А/
Величина в скобках* представляет собой сумму потоков отдельных витков катушки,
она называется потокосцеплением и обозначается греческой буквой у (пси):
л— 1

J
42.
Разл
частей катушки Полное потокосцепление катушки
Различное потокосцепление двух ^'^•
Как и магнитный поток, в системе СИ потокосцепление измеряется в веберах.
Э. д. с, индуктируемая в катушке, выражается через потокосцепление просюй
формулой
<'о, = -5- 04)
А/
Эта формула индуктируемой э. д. с. представляет собой наиболее общее выраже»ше
закона электромагнитной индукции — она применима к самым сложным случаям.
В большем числе случаев индуктирующей э. д. с. поток Ф пронизывает вес витки
катушки (рис. 43). Это полное потокосцепление, при котором
Ф«=Ф; у^нф;
е = и..ДФ. (35)
3.10
ИНДУКТИВНОСТЬ
и ЯВЛЕНИЯ САМОИНДУКЦИИ
Индуктивность ее i ь свойство электрической цепи, обтекаемой током, образовыва i ь
магнитный поток и потокосцепление с контурами этой же цепи. Индуктивность
обозначается L. Количественно она определяется как отношение потокосцепления \|/ цепи к
току /, возбуждающему это потокосцепление, т. е.
L-W/. (36)
Магнитный поток и потокосцепление зависят от тока, их возбуждающего; в прослей-
ших случаях они пропорциональны току, Индукливность является соогветствующим
коэффициентом пропорциональности. Так как ток всегда возбуждает магнитное поле,

то, следовательно, любай электрическая цепь и любой элемент ее должны обладать
индуктивностью. Только в некоторых случаях влиянием индуктивности можно
пренебречь, так как оно относительно очень мало.
Единица индуктивности в системе СИ - генри (Г) может быть выражена через
единицы погокосцепления и силы тока:
^ В • с ,^
Г= —- =0м • с.
А
Индуктивностью в один генри обладает цепь, в которой ток в один ампер возбуждает
потокосцепление в один вебер.
Потокосцепление цепи меняется при изменении протекающего в ней тока,
следовательно, с изменением силы тока в самой цепи, в которой этот ток протекает,
индуктируется э. д. с, называемая э. д. с, самоиндукции.
если индуктивность L постоянна, что имеет место при отсутствии ферромагнетиков и
неизменности контуров цепи.
В соответствии с выражением э. д. с. самоиндукции индуктивность является также
коэффициентом пропорциональности между изменением силы тока во времени и
индуктируемой при этом э. д. с. самоиндукции. Один генри — это индуктивность цепи, в
которой при изменении силы тока на один ампер в секунду индуктируется э, д. с.
самоиндукции в один вольт.
Э. д. с. самоиндукции противодействует изменениям силы кжа в цепи, что
показывает знак минус в выражении э. д. с. и что соответствует принципу Ленца. При включении
цепи, содержащей индуктивность, к источнику постоянного напряжения U индуктивнослъ
является причиной переходного процесса, в течение которого (обычно небольшого про-
межугка времени после замыкания цепи) сила тока в ней определяется совместным
действием нипряжемия источника энергии U и э. д. с. самоиндукции е, т. е. / ^--1-^, гаким
образом, напряжение источника энергии уравновешивается э.'д. с. самоиндукции:
^=/>+(-£>) ==/>+! ^'- (38)
Д/
44.
Кривая нарастания тока при замыкании
цепи, содержащей индуктивность

Следовательно, в цепи r,L приходится различать силу тока во время переходного
процесса и установившуюся силу тока, определяемую по закону Ома: / Ulr.
В большинстве устройств переходный процесс заканчивается весьма быстро — в
течение десятых или сотых долей секунды. Тем не менее это запаздывание тока — явление
электромагнитной инерции — должно учитываться при расчетах работы различных
быстродействующих электромагнитных устройств. Чем больше индуктивность L, тем
длительнее переходный процесс, а чем относительно больше сопротивление г. тем скорее
он заканчивается. Отношение Ljr ^ т называется электромагнитной постоянной времени
цепи. Спустя время t - Зт, сила тока в цепи /^0,95/, т. е. только на 5% не достигнет
установившегося значения (рис. 44). Кривая нарастания тока имеет особый вид — вид
степенной зависимости (потенциальной функции).
При неизменной силе тока э. д. с. самоиндукции не возникает. Но при выключении
цепи она появляется опять и может быть относительно велика, что практически весьма
важно.
Э. д. с. самоиндукции тем больше, чем меньше промежуток времени Аи за который
ток изменяется на Д/, т. е. она тем больше, чем быстрее изменяется сила тока. По этой
причине ток в цепи с индуктивностью не может быть мгновенно прерван посредством
размыкания контактов выключателя. При таком размыкании большая э. д. с.
самоиндукции пробивает воздушный промежуток между расходящимися контактами
выключателя и образует в этом промежутке электрическую дугу. Через дугу, несмотря на
размыкание контактов выключателя, цепь тока остается некоторое время замкнутой, а сила
тока постепенно (без скачков), но обычно очень быстро убывает; наконец, дуга
обрывается, цепь размыкается и ток в ней исчезает. Эта дуга может сильно нагревать
расходящиеся контакты и вызывать их обгорание и разрушение. Для ускорения их гашения в
выключающих аппаратах предусматриваются специальные устройства; одни из них
должны растягивать дугу (струя воздуха или минерального масла, магнитное поле и др.),
другие же ускоряют расхождение контактов (пружины, грузы и др.). Выключение
переменного тока облегчается тем, что он прерывается во время прохождения его через
нулевое значение. Значительно труднее условия выключения постоянного тока особенно при
высоком напряжении.
Расчет индуктивности прост в тех же случаях, в каких легко рассчитать магнитный
поток устройства; в основу этого расчета положено отношение L ^ \\flL При полном
потокосцеплении у н Ф. Согласно закону Ома для магнитной цепи Ф - ^ , здесь
Км — магнитное сопротивление. Последнее может представлять собой сумму магнитных
сопротивлений отдельных участков магнитной цепи.
На основании этих отношений индуктивность
",L-'w'^/Hmi (39)
а в простейшем случае Ям ll^aS, и, следовательно,
где / — длина средней магнитной линии цепи; S—сечение магнитной цепи; /ia ^оА* —
абсолютная магнитная проницаемость среды, в которой замыкается магнитный поток.
Так как fx ферромагнетиков велико, но непостоянно, то непостоянна (зависит от силы
62 тока) индуктивность электрических устройств с ферромагнитными магнитопроводами.

3.11
ЭНЕРГИЯ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В магнитном поле среда находится в особом состоянии. Для создания этого
состояния, для возбуждения магнитного поля необходима соответствующая затрата энергии.
Цри распаде магнитного поля эта энергия исчезнуть не может — она возвращается
обратно в цепь тока под действием э. д. с. самоиндукции. Энергетической причиной
возникновения э. д. с. самоиндукции является возбуждение магнитного поля или его
распад.
Количественно энергию магнитного поля можно выразить через параметры
электрической цепи на основании следующего. Уравнение напряжения при возбуждении поля
и ~ ir -f L д' легко преобразовать в энергетическое уравнение цепи путем
умножения его на Ш:
Согласно этому выражению энергия UiAt, отдаваемая цепи за промежуток
времени Af, частично превращается в тепло — это первый член правой части уравнения, а
в остальной своей части энергия затрачивается на возбуждение магнитного поля LiAi^
-уЛг-АИ;,аг.
Потокосцепление \|/ прямо пропорционально току i (если в магнитном поле нет
ферромагнетиков). Такая линейная зависимость \}/ от i графически изображается прямой
линией (рис. 45), проходящей через начало координат. Эта прямая образует с осью абсцисс
некоторый угол а, величина которого определяется отношением установившихся
значений потокосцепления и силы тока
где к — масштаб построения.
Приращение энергии АИ^маг- уД^ при увеличении силы тока на Ai на данном
графике изображается площадью трапеции с основанием Ai и средней высотой \|/. Когда
сила тока достигнет установившегося конечного значения / - (//г, тогда в магнитном
поле будет накоплена энергия, изображаемая суммой всех площадок \(/Аг; следовательно,
45.
Линейная зависимость
потокосцепления от силы тока
63

энергия, запасенная в магнитном поле цепи при силе тока /,
булет в масштабе построения определяться площадью
прямоугольного треугольника с катетами \|/ и /,т. е.
^^м
.- Vl
46.
Система, состоящая
из двух катушек,
обтекаемых токами
следовательно.
а так как \|/
L/, то, следовательно,
L/2 у/
(40)
Эта энергия измеряется в джоулях.
Энергия, запасаемая в единице объема поля, называемая
удельной энергией магнитного поля, будет: И^маг.о И/^аг'^об'
где Гоб объем, занимаемый полем. В равномерном поле
- •ч
у =*ц'Ф = wSB, а сила тока I^Hi/w,
.?1
2Да
2
(41)
3.12
ВЗАИМНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ
64
Магнтное поле, возбуждаемое электрическим током, обтекающим электрическую
цепь, распространяется в пространстве, окружающем эту цепь, и может пронизывать
контуры других электрических цепей, создавая с ними общие потокосцепления,
называемые потокосцеплениями взаимоиндукции. В подобных условиях с изменением тока
первой цепи будет изменяться потокосцепление и в cooTBetCTBnn с законом
электромагнитной индукции индуктировать в других цепях, имеющих с ним общее потокосцепление,
э. д. с. взаимноиндукции.
Простейшим случаем взаимоиндукции могут служить две катушки, расположенные
достаточно близко одна от другой (рис. 46), так, что существенная часть магнитного
потока одной катушки vvi сцепляется с витками другой катушки vv2. Эту часть потока
обозначим Ф12. Он создает во второй катушке потокосцепление \|/i2. Если же ток обтекает
вторую катушку, то часть возбуждаемого им потока Фз i сцепляется с первой катушкой,
создавая в ней потокосцепление у21- ^ обоих случаях потокосцепления взаимоиндукции
пропорциональны возбуждающим их токам. Соответствующие коэффициенты
пропорциональности называются взаимной индуктивностью цепей и обозначаются М. Таким
)бразом,
Vl2*"^/i2/| И У21*'М21/2 ♦

/1
/l
/2
'i't
/2
Rm " ^Щ:
Магнитные потоки взаимоиндукции Ф12 и Фгь сцепляясь с обеими катушками,
замыкаются по одному и тому же пути. Магнитное сопротивление Rm на пути обоих
потоков одно и то же. Применяя к этим потокам закон Ома для магнитной цепи, получим:
На основании чего двум выражениям взаимной индуктивности может быть дана
следующая форма: ^
,^ Vl2 _1V2012 W2 _ hWv _, W^2 '
M.
откуда
■ -. "M,2 ^M2, - -^ ^M> ^ (42)
Следовательно, взаимная индуктивность М не зависит от того, со стороны какого
из контуров ее определять.
Взаимная индуктивность М измеряется в тех же единицах — генри, что и
индуктивность L. Взаимной индуктивностью в один генри обладают две такие цепи, в которых
сила тока в одной цепи возбуждает во второй цепи потокосцепление, равное одному
веберу.
Согласно закону электромагнитной индукции в рассматриваемой системе изменение
тока /i в первой катушке индуктирует во второй катушке э. д. с.
а изменение тока /2 во второй катушке индуктирует в первой э. д. с.
;• :^' 1^:}: Д^12. ^. . W Д./2.' V"''
•;.••• ^g;::/.-Дм- Лг-;^:--;^-
Таким образом, взаимная индуктивность М является коэффициентом
пропорциональности между изменениями тока в одной цепи и э. д. с, индуктируемой этими
изменениями во второй цепи.
Явления взаимоиндукции широко используются в электротехнических устройствах,
в частности, они являются основным принципом для построения трансформаторов.
В трансформаторах для усиления магнитного потока катушки снабжены стальным
сердечником. Магнитное сопротивление
5—819
65

при наличии ферромагнитного сердечника оно непостоянно, а следовательно, в
трансформаторе взаимная индуктивность непостоянна.
3.13
ВИХРЕВЫЕ ТОКИ
Вихревыми токами (1акже токами Фуко) называются электрические токи,
возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле)
при изменении пронизывающего ее магнитного потока. Они замыкаются в самой среде,
образуя вихри, охватывающие изменяющееся магнитное поле.
В качестве примера на рис. 47, а показаны вихревые токи, индуктируемые в
массивном сердечнике, помещенном в катушку, обтекаемую переменным током. Переменное
магнитное поле индуктирует токи, которые замыкаются по путям, лежащим в
плоскостях, перпендикулярных направлению поля. Эти токи вызывают значительные потери
энергии, что обусловливает нагревание магнитопровода. Согласно принципу Ленца
магнитное поле вихревых токов по отношению к индуктирующему их полю является
размагничивающим и вызывающим неравномерное распределение потока по сечению
магнитопровода, так как центральная часть последнего подвергается наибольшему
размагничивающему действию вихревых токов. Это неравномерное распределение потока
называется магнитным поверхностным эффектом.
Для ослабления вредного влияния вихревых токов уменьшают площадь контуров
вихревых токов и увеличивают электрическое сопротивление на их пути. Магнитопрово-
ды всех машин и аппаратов переменного тока и сердечники якорей машин постоянного
тока собирают из изолированных друг от друга лаком или поверхностной непроводящей
пленкой (фосфатированных) пластин, выштампованных из листовой электротехнической
стали. Плоскость пластин должна быть параллельна направлению магнитного потока.
При таком делении сечения сердечника магнитопровода вихревые токи существенно
ослабляются, так как уменьшаются магнитные потоки, которыми сцепляются контуры
вихревых токов (рис. 47, 6), а следовательно, понижаются и индуктируемые этими
потоками э. д. с, создающие вихревые токи.
Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническую
сталь приготовляют с присадкой кремния 0,5—4,5%.
66
47.
Вихревые токи:
<; - и мпссиииом сср/К'чиикс,
и илас I иичл 1()М си.рд^'чнлкч:

Вихревые токи могут индуктироваться также постоянным магнитным полем при
относительном перемещении проводящей массы по отношению к полю, что широко
используется в успокоителях колебаний подвижных частей приборов'и аппаратов, а также
в электромагнитных тормозах.
Вихревые токи находят полезное применение также для плавки и закалки металлов
(индукционный нагрев), для перемешивания расплавленного металла и в насосах для ею
перекачки.
Контрольные вопросы
1. Как определяется направление магнитного поля электрического тока?
2. В чем отличие магнитных свойств магнитномягких и магнитнотвердых материалов?
3. Что такое гистерезисный цикл?
4. Как определяется направление силы, действующей на проводник, обтекаемый током,
находящимся в магнитном поле?
5. Что такое напряженность магнитного поля?
6. Как расположены магнитные линии в поле прямолинейного проводника, обтекаемого током?
7. Какова зависимость от напряженности магнитной индукции в неферромагнитных телах?
8. Как выражается зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля в
ферромагнетиках?
9. Какую зависимое 1Ь огображает закон полного юка?
10. Каким просгым законом определяется зависимость ма1 нитного потока от намагничивающей
силы?
11. Что такое магнитная постоянная?
12. Для чего служат ферромагнитные сердечники в электрических машинах и аппарагах?
13. Для каких электротехнических устройств применяются магнитнотвердые ферромагнетики?
14. От чего зависит э. д. с, наводимая в проводнике, при его движении в магнитном поле?
15. Как определить направление э. д. с, наводимой в проводнике, при его движении в магнитном
поле?
16. Что такое принцип (правило) Ленца?
17. Какие два основных выражения определяют индуктированную э. д. с?
18. Что такое индуктивность и в каких единицах она измеряется?
19. При каких условиях возникает э. д. с. самоиндукции в цепях постоянного тока?
20. Чем отличаются вихревые токи от токов в электрических цепях?
21. При каких условиях возникает э. д. с. взаимоиндукции?

Глово
переменный
ток

4.1
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Переменным называется ток (или напряжение), периодически изменяющий свое
направление и величину, причем, среднее значение этого тока за период равно нулю
(рис. 48). Через определенный промежуток времени Г, называемый периодом, изменения
тока повторяются. Длительность периода измеряется в секундах.
Число периодов в секунду называется частотой /. Следовательно, частота /= 1/Г.
Она измеряется в герцах (Гц). Гц ^ 1/с, т. е. частота переменного тока равна одному герцу,
если его период равен одной секунде. Частота электроэнергетических установок
стандартизована. Это необходимо, так как электрические машины и аппараты переменного тока
нормально работают только при одной определенной частоте, на которую они
рассчитаны. В СССР и в большинстве стран мира стандартная частота 50 Гц, в США — 60 Гц*.
Для специальных целей в промышленности широко применяют переменные токи
самых различных частот: в быстроходных двигателях 400—2000 Гц, для электрических
печей — 500 Гц — 50 МГц и т. д. Переменные токи высокой частоты необходимы для
передачи относительно малых количеств энергии без проводов посредством
электромагнитных волн в радиотехнике, в телевидении (до 3 ■ 10*^ Гц) и в большинстве устройств
промышленной электроники.
Для высокочастотных устройств вместо частоты широко употребляется понятие
длины волны — величины, обратно пропорциональной частоте /. Периодические
колебания переменного тока возбуждают электромагнитное поле, распространяющееся в
пространстве с конечной скоростью v в форме электромвгнитных волн. Длиной волны
называется расстояние между двумя ближайшими точками, в которых волновое
колебание находится в одинаковой фазе, т. е. имеет одинаковое значение и направление (рис. 49).
Следовательно, длину волны Я можно определять как расстояние, которое волна
проходит за время одного периода:
при определении длины волны переменного тока принято считать скорость v равной
скорости света в пустоте 300 000 км/с, следовательно, X = зоооооооо ^
При промышленной частоте 50 Гц длина волны 6000 км, но при частоте 30 • 10^ Гц
она будет равна 1 см.
* Понижение частоты менее 40 Гц неприемлемо, так так начинают заметно для глаза
мигать лампы накаливания; повышение частоты также нежелательно, так как вызывает
пропорциональное увеличение э. д. с. самоиндукции, существенно затрудняющее передачу энергии по
проводам воздушных линий.

48.
Кривая периодических изменений
переменного тока
49.
Диаграмма для определения длины волны
50.
Волновая диаграмма синусоидального
переменного тока
Преимущественное применение переменного тока в электроэнергетике и промышлен-
ности объясняется в основном тем, что на переменном токе работают трансформаторы,
а двигатели переменного тока проще, прочнее и дешевле двигателей постоянного тока.
Особо важна возможность трансформирования электроэнергии, т. е. простого и с малыми
потерями преобразования тока большой силы и низкого напряжения в ток малой силы
и высокого напряжения или обратного преобразования.
4.2
СИНУСОИДАЛЬНЫЙ ток
Переменный ток представляет собой периодический процесс, а с математической
точки зрения простейшим периодическим процессом являются гармонические
колебания, выражаемые уравнением синусоидальной кривой. Мгновенные значения
синусоидального переменного тока выражаются математической формулой
/ —/msin{©/ + a),
где /;„— максимальное значение синусоидального тока; а> = ^ = 2я/— угловая частота
переменного тока;-а — начальная фаза переменного тока.
Графическое изображение волновой диаграммы переменного тока показано на
рис. 50.
Необходимо напомнить построение синусоидальной кривой (рис. 51). Отрезок 1т
в некотором масштабе равен максимальному значению синусоидального тока. Он пред-
70 ставляет собой вектор синусоидальной величины — силы тока. В прямоугольной систе-

ме координат вектор силы тока сначала направлен по горизонтальной оси — это его
исходное положение при t = О, т. е. в момент начала отсчета времени. Вектор 1т вращается
с постоянной угловой скоростью (О против направления вращения часовой стрелки.
За время одного периода Т он поворачивается на 2к рад. Следовательно, его угловая
скорость О) = ^ = 2nf. В применении к переменному току принято называть со угловой
частотой.
За промежуток времени ti с момента начала отсчета вектор 1т повернется на угол wti.
Длина перпендикуляра, опушенного из конца вектора 1т на горизонтальную ось, будет
в этих условиях 1т sin cot х-
По истечении времени tj с момента начала отсчета длина перпендикуляра,
полученного подобным же способом, будет 1т sincot2. Наконец, за время ^з = -f» т. е. по истечении
четверти периода, вектор 1т станет перпендикулярно к горизонтальной оси и длина
перпендикуляра будет: 1т sin^ =- Im. На основании этих отсчетов в полярной диаграмме
в прямоугольной системе координат строится синусоидальная кривая. На оси абсцисс
откладываются промежутки времени t,, t2, tg, ..♦, а по оси ординат — отрезки Imsinwti,
Im sin(Ot2, Im SinOt^...
Для дальнейшего построения синусоидальной кривой нужно повернуть вектор 1т
в положение, соответствующее дуге (оС4. При таком положении длина перпендикуляра
уменьшается (Imsincot^K 1т\ что отображается на кривой зависимости синусоидальной
величины от времени. I
В момент ^5 ^^ ^ вектор /т примет горизонтальное положение, теперь Imsincot^ ==
= Im Sinn =^0 — синусоидальная величина проходит через нулевое значение — кривая
пересекает ось абсцисс.
Затем, вращаясь, вектор опустится ниже горизонтальной оси (моменты te и (7), а
перпендикуляр 1т sin(ot будет уже отрицательной величиной, и ветвь синусоидальной кривой
окажется внизу от оси абсцисс.
71

52.
Начальная фаза
синусоидального колебания
53.
Векторы и кривые мгновенных
значений э. д, с. и тока при
наличии между ними сдвига
фаз
За время t Т вскюр 1т сделает полный поворот на In — период синусоидальной
величины закончится. В следующем периоде все ее изменения должны повториться.
Так строится синусоидальная кривая, которая изображает изменения мгновенного
значения синусоидального тока.
В общем случае начальный момент отсчета времени не совпадает с прохождением
через нуль синусоидальной величины, и в связи с этим на графике (рис. 52) вектор 1т в
начальный момент образует с горизонтальной осью некоторый угол а, при этом в момент
начала отсчета времени синусоидальная величина уже имеет значение 1т si па. Угол а
называется начальным фазовым углом или начальной фазой. Синусоидальная кривая в
начальный момент имеет соответствующую положительную ординату, а в дальнейшем
длина перпендикуляра из конца 1т и соответствующие ординаты синусоидальной кривой
будут 1т sin{o}t + а).
Синусоидальный ток i = Imsin{a)t + а) должен создаваться синусоидальной э. д. с.
источников электроэнергии е = Emsin(o)t + j5), где е — мгновенное значение э. д. с; Ет —
амплитудное значение э. д, с; j8 — ее произвольная начальная фаза.
Если в одной и той же цепи э. д. с. е и ток i неодновременно проходят через нулевое
или амплитудное значение, то они сдвинуты по фазе относительно друг друга, и этот сдвиг
фаз равен разности их начальных фаз: «р= ^—а.
Соответствующее построение векторов и кривых мгновенных значений показано
на рис. 53 — э. д. с. опережает по фазе ток на угол 9- Векторы Ет и 1т образуют угол %
остающийся неизменным при их вращении.
Если одна из синусоидальных величин изменяется по синусоиде, например i -= Im sincot^
а вторая — по косинусоиде е = Emcoscot, то сдвиг фаз между ними будет: ^ ^ ^/2 (чему
72 соответствует четверть периода), так как cos cot = sin(a}t + п/2).

4.3
ИСТОЧНИКИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Источниками переменного тока промышленной частоты (50 Гц) служат элекгрома-
шинные генераторы, вращаемые теми или иными первичными двигателями (паровыми
или гидравлическими турбинами и др.). Для получения переменных токов высоких частот
применяют преимущественно генераторы с электронными лампами или с
полупроводниковыми приборами.
Устройство электромашинного генератора переменного тока показано на рис. 54,
Он состоит из неподвижной части статора (от лат. слова stator — стоящий) и
вращающейся части — ротора (от лат. слова rotor — вращающийся). Статор имеет форму
полого цилиндра, сердечник которого собран из тонких (0,35—0,5 мм) листов
электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. В пазах (каналообразных
канавках), сделанных вдоль внутренней поверхности цилиндра статора, размешены
проводники обмотки переменного тока статора, соединенные между собой определенным
образом.
На роторе размещены электромагниты. Их обмотка, называемая обмоткой
возбуждения генератора, соединяется через кольца и щетки с источником постоянного тока —
возбудителем.
Постоянный магнитный поток, возбужденный током ротора, проходит через тело
ротора, два воздушных зазора между статором и ротором и сердечник статора. При
вращении ротора этот поток пересекает проводники статора и наводит в них э. д. с, а так как
в воздушных зазорах магнитный поток направлен перпендикулярно этим проводникам,
то наводимая в каждом из проводников э. д. с. будет: е = Blv, где В — магнитная
индукция в зазоре; / — активная длина провода; v — скорость перемещения магнитного поля
относительно провода..
При работе генератора скорость v поддерживается постоянной, поэтому изменение
э. д. с. во времени вызывается только изменениями магнитной индукции вдоль
окружности ротора. Генераторы строятся так, чтобы распределение.магнитной индукции вдоль
54.
Схема устройства генератора
переменного тока

окружнЬсти ротора было близко к синусоидальному, поэтому в их обмотке индуктируется
синусоидальная э. д. с.
В двухполюсном генераторе (см. рис. 54) за один оборот ротора проходит один
период э. д. с. статора. Генератор делает п оборотов в минуту. Следовательно, в минуту
э. д. с. проходит п периодов, а частота индуктированной в обмотке статора э. д. с. будет:
/-/|/60.
Если же ротор имеет р пар полюсов, то за один его оборот происходит рп полных
периодов изменений э. д. с. и частота э. д. с. будет:
f^pn/60. (43)
По этой формуле легко вычислить, что для получения частоты 50 Гц двухполюсные
(р = 1) генераторы должны делать 3000 об/мин (скорость большинства генераторов на
тепловых электростанциях). Но многополюсный генератор для получения той же частоты
может вращаться значительно медленнее: например, при/? = 40 число оборотов в минуту
уменьшится до 75. При таких малых скоростях работает большинство генераторов,
приводимых во вращение гидравлическими турбинами.
4.4
ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЗНАЧЕНИЯ
ПЕРЕМЕННЫХ ТОКА
И НАПРЯЖЕНИЯ
Основной величиной при измерениях переменного тока служит его действующее
значение I (ранее называвшееся эффективным значением) — это среднее квадратичное
за период значение переменного тока.
/-\/(7^
ср .
Действующее значение переменного тока выбрано в качестве главной характеристики на
том основании, что действие электрического тока в ряде случаев пропорционально
квадрату тока или напряжения, например, тепловое действие, механическое взаимодействие
прямого и обратного токонесущих проводов, взаимодействие двух заряженных пластин
и др.
В частности^ действующее значение переменного тока / определяется через
сопоставление среднего теплового действия переменного тока (выделения теплоты) с тепловым
действием постоянного тока. Например, переменный ток, периодически изменяясь,
нагревает некоторое сопротивление так, как его нагревал бы постоянный ток силой 5 А.
Следовательно, / =^ 5 А.
При синусоидальном токе i -= Im sincor, а i^ = Im sin^of, но так как sin^cor =- J—coslwt ^
TO
74
1 - COS 2о)Г I^ _Я
- 2 2
.2 г2 l"~CQSZair im Im ^
I '^Ijn z "" --;r ;r coszuy.

Среднее значение за период от cos2cot равно нулю; следовательно, среднее за период
значение квадрата синусоидального тока (i^)cp = /^/2, а так как / =- \/0'^)ср, то
I-IJy/l. (44)
Основываясь на том же принципе, действующее значение переменного
синусоидального напряжения будет:
U-UJs/l. (45)
Электроизмерительные приборы ряда систем с квадратичным вращающим
моментом, проградуированные для постоянного тока и включенные в цепь переменного тока,
показывают действующее значение переменного тока (или напряжения). К таким
приборам относятся тепловые, электродинамические, электростатические и др.
4.5
ВЕКТОРНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ
ПЕРЕМЕННЫХ ТОКОВ
И НАПРЯЖЕНИЙ
Изменения во времени переменных величин изображаются в прямоугольной системе
координат временными диаграммами, которые для синусоидальных величин строятся
на основании полярной диаграммы вращающихся векторов. Но в большинстве случаев
при расчетах цепей переменного тока нужно определять действующие значения
напряжений, э. д. с, токов и сдвиги фаз между ними. Для этой цели достаточно построения
векторных диаграмм соответствующих цепей. Такие диаграммы строятся для неподвижных
векторов, т. е. векторы напряжений и токов цепи рассматриваются в положении, которое
они занимают в определенный момент. Этот момент (начало отсчета времени) при
построении векторной диаграммы выбирают так, чтобы диаграмма была возможно более
наглядной.
Построение векторных диаграмм существенно упрощает расчеты цепей
переменного тока. В больщинстве случаев диаграммы используют Лишь для того, чтобы,
руководствуясь показываемыми ими соотношениями, составить уравнения законов Кирхгофа.
В таких случаях нет необходимости строить диаграммы в точно определенных масштабах.
Алгебраическому сложению или вычитанию мгновенных значений синусоидальных
величин одинаковой частоты соответствует геометрическое сложение или вычитание
векторов этих величин. Покажем это на простом примере. Рассмотрим условия в узле
некоторой цепи (рис. 55, а\ где два известных тока ij = /i^ sinco^ и 1*2 ^ hm sin(a)r + а)
согласно первому закону Кирхгофа образуют ток i = i^ f (2, который нужно рассчитать.
Переменный ток периодически изменяет свое направление, тем не менее на схемах
в ряде случаев стрелками указываются направления токов — их условные
положительные направления. В зависимости от направления стрелок токи в узле складываются или
вычитаются. Определяем мгновенное значение тока i как сумму двух синусоидальных
величин: i = ii -\~ iz = ^ш sintof f 12т sin(cat -\~ a) = (Ii„-\- /2„cosa) sintot f {12m sina)coso)t.
Чтобы определить ампли_:^^уду тока /, прибегнем к следующему тригонометрическому
преобразованию: будем считать, что отношение коэффициентов в скобках при sinayt
и при coscot равно тангенсу некоторого угла Р; следовательно.

^ /gmsing
*^ I^m + hmCOSa
Построим треугольник, катетами которого будут эти два коэффициента (рис. 55, б).
Гипотенуза треугольника будет:
/w=>/(/iw+72wCOSa) ^ + (/^msina) ^ .
Разделив и умножив на 1т уравнение тока /, получим:
i^Iml z—— sinoy4* —--г- cosey I .
■ \ '^ Im ..■ Im f
Теперь коэффициенты в скобках на основании соотношений в треугольнике заменим
через cosp и sinP:
■ i^/m(cosр ${гш + sitip coscoi') =«Imsin (ш + p),
Таким образом, мы определили амплитуду 1т и начальную фазу р тока /, т. е. решили
поставленную задачу.
Но эту задачу можно было решить, построив только векторную диаграмму токов,
определив вектор 1т или геометрическую сумму векторов /i^ и /з^. Такой диаграммой и
является рис. 55, б. Построив ее, нет необходимости преобразовывать уравнения
мгновенных значений.
Обычно векторные диаграммы цепей переменного тока нужны для того, чтобы
показать соотношения между действующими значениями напряжений и токов. В
соответствии с чем диаграммы в большинстве случаев строятся не для амплитудных, а для
действующих значений. Это обусловливает лишь уменьшение длины векторов напряжений
и токов в VJ, но не изменяет соотношений между величинами, так как не изменяет фазных
углов в диаграмме.
Обратим внимание на то, что векторы переменных токов, напряжений, э. л. с.
являются лишь удобным графическим изображением синусоидальных величин и тем самым
они существенно отличаются от векторов физических величин (силы, скорости, магнитной
индукции и напряженности магнитного поля, напряженности электрического поля и т. д.).
В отличие от векторов физических величин векторы синусоидальных величин
обозначаются большими буквами с точкой наверху. Например, для узла цепи рис. 55 можно
написать:
или для действующих значений
76
В обоих случаях точки указывают, что вектор результирующего тока является
геометрической суммой векторов токов, притекающих к узлу.

55.
Схема узла
электрической цепи (а) и
векторная диаграмма
переменных токов
этого узла (б)
56.
Цепь переменного
тока, содержащая
только активное
сопротивление:
а — схема, 6 —
волновая, в — векторная
анаграммы
4.6
ПРОСТЕЙШИЕ ЦЕПИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Простейшие условия имеют место в цепи переменного тока, содержащей одно
сопротивление г (рис. 56, а). Ток создается в ней только действием напряжения источника
энергии и при синусоидальном напряжении и ^ Um sincar сила тока будет:
Обычно сопротивление г достаточно постоянно, поэтому ток в цепи, содержащей
только г, совпадает по фазе с напряжением. Во временной даиграмме цепи кривые и и /
одновременно проходят через нулевые и амплитудные значения (рис. 56, б). Максимальное
значение силы тока 1т = Um/Гу что является выражением закона Ома для амплитудных
значений, и так как 1т = V2/ и Um =^ V5C/, то аналогичное выражение получим и для
действующих значений:
Эта формула не отличается от в^гражения закона Ома для постоянного гока. Но в цепи
переменного тока сопротивление г называется активным сопротивлением в 01личие от
сопротивления цепи при постоянном токе г =р-|- (§ 1—5), называемом омическим
сопротивлением. В одной и той же цепи часто активное сопротивление существенно
отличается от омического (обычно оно больще).
На векторной диаграмме рассматриваемой цепи векторы напряжения и тока
совпадают по направлению (рис. 56, в).
В любой электрической цепи вокруг токонесущих проводников образуется
магнитное поле, следовательно, электрическая цепь всегда обладает индуктивностью, так как
L^ y^li (здесь \|/^— потокосцепление цепи).
При наличии Bjyienn г и Ltok в ней создается совместным действием напряжения
источника энергии :^. д. с. самоиндукции, т. е. i = "-^^^ . При постоянном токе э. д. с. 7/

самоиндукции возникает лишь при включении и выключении тока и при его изменениях.
Иные условия при переменном токе: периодические изменения тока создают
периодически изменяющуюся э. д. с. самоиндукции
^ Л/
В случае синусоидальною тока / - /,„ sincoi э. д. с. самоиндукции
,, Asinco/
Величина —-^~- есть скорость изменения во времени синусоиды. При расчетах цепей
переменного тока часто приходится встречаться с этой величиной — она тоже
изображается синусоидой, но опережающей исходную на четверть периода, т. е. косинусоидой,
умноженной на угловую частоту со:
Asino)/
—7 =(ocos(or.
А/
Докажем это для синусоидального тока
/^/mSinOD/.
Спустя малый промежуток времени At, этот ток изменится на А/ и будет:
/-+-A/=*/mSina)(/4-A0.
Вычитая из этого выражения исходное
(/+А/) - /^/m[sina)(rH-AO -sin Ш],
найдем, что изменение тока
A/==//w[sino)(/+ A/)-sino)r].
Синус суммы sinco(r-f Аг) = sincotcoscoAf Н-coscorsincoAt. Косинус очень малого угла,
каким является coscoA^ можно считать равным единице, а синус очень малого угла,
каким является sincoAr, равен малой дуге со At, т. е. sin ш At - со At. Таким образом,
уравнению изменения тока можно придать следующий вид:
A/='/m(sin О)/4- (oA/coso)t-sin a)r)^/wa)Arcos О)/
А/ A(/msm (О о ж
= = /т со COS О) t,
А/ At
Следовательно, мгновенное значение э. д. с. самоиндукции в цепи синусоидального
тока будет:

^L *" - L ду =" -/m(0£cOS CD / =«/mCOLsin ( OOf-f)
Э. Д. c. самоиндукции изображается синусоидальной кривой, отстающей от кривой тока
на четверть ^периода.
Если в цепи переменного тока ir мало настолько, что им можно пренебречь, то
и = />+ ( - et)^- et^L^ ^/mCoLcos со/,
т. е. в такой цепи (рис. 57, а) напряжение по фазе опережает ток на четверть периода
(рис. 57, б). В этом случае Um = /жсо/.или, разделив это выражение на V2, получим для
действующего значения силы тока следующее выражение закона Ома:
1-~~. (47)
В этом выражении величина со L играет роль сопротивления. Ее размерность та же, что
и сопротивления, так как размерность угловой частоты [о] = 4"» а единицы
индуктивности генри-Ом-секунда. Величина соL называется индуктивным сопротивлением, она
часто сокращенно обозначается л: или х^.
Посредством такого условного сопротивления при расчетах учитывается
противодействие э. д. с. самоиндукции периодическим изменениям переменного тока.
Индуктивное сопротивление пропорционально частоте этого тока и при постоянном токе равно
нулю. Нельзя включать под постоянное напряжение многие аппараты и машины
переменного тока: при переменном токе они обладают большим индуктивным
сопротивлением, а их омическое сопротивление относительно мало. При включении в цепь
постоянного тока в обмотках может возникнуть большой постоянный ток, разрушающий их
своим тепловым действием (например, так можно «сжечь» первичную обмотку
трансформатора в радиоприемнике). Вектор напряжения U индуктивности опережает по фазе
вектор тока / на я/2 (рис. 57, в), а вектор э. д. с. самоиндукции El в этом случае равен
по величине и противоположен по фазе вектору напряжения U.
Электрический ток возникает под действием электрического поля, поэтому всякая
электрическая цепь* обладает некоторой емкостью С; только в ряде случаев влияние
емкости на режим цепи незначительно и его можно не принимать во внимание.

в электрической цепи, замкнутой на емкость (рис. 58, а), при постоянном напряжении
источника электроэнергии ток возникает только при включении емкости под
напряжение и исчезает, когда емкость заряжается до напряжения источника. Но переменное
синусоидальное напряжение и - C^^sincor изменяется периодически и вместе с ним
периодически изменяется заряд емкости
Изменения заряда создают переменный ток в проводах, соединяющих емкость с
источником напряжения, так как при увеличении заряда в проводах электроны будут
перемещаться в одном направлении, а при уменьшении заряда — в обратном направлении.
Если бы заряд изменялся равномерно, то / =- qlt. Но заряд изменяется неравномерно,
тогда / - Aq/At, здесь Aq — малое изменение заряда за очень малый промежуток
времени At. Емкость С — величина постоянная, поэтому Aq САи, а так как и (Ут siп<о/,
т6 i^ If - С-^ -U^C-^^^. Как уже выще было показано, -^1^^'^'- mcosof,
на основании чего i ^ C/mCoCcoswr -^ C/fncoCsin(o)f + -|-). Следовательно, в цепи емкос1и
проходит синусоидальный переменный ток, опережающий по фазе напряжение на чег-
верть периода (рис. 58, б). В правой части формулы тока только coswt вависит от времени.
Положив cosoit - 1, найдем максимальное значение тока 1т ^ t/mojC
Чтобы перейти к действующим значениям, разделим последнее выражение на \/2
и перепищем в следующем виде:
(48)
Это уравнение закона Ома для цепи переменного тока, содержащей только емкость.
Знаменатель выражения [48] 1/шСимеет размерность сопротивления и называется
емкостным сопротивлением xq. Емкостное сопротивление уменьшается с увеличением частоты
переменного тока, в протийоположность индуктивному сопротивлению. Постоянный ток
идеальная емкость не пропускает, в реальной емкости через диэлектрик проходит обычно
очень малый ток утечки.
Вектор емкостного тока опережает по фазе вектор напряжения (рис. 58, «), иными
словами, вектор напряжения на емкости опстает от вектора тока на я/2.

4.7
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ
СОЕДИНЕНИЕ ПРИЕМНИКОВ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В качестве простого примера последовательного соединения рассмотрим соединение
активного сопротивления и индуктивности (рис. 59). Фактически оба эти элемента г и L
содержит любая катушка.
Векторную диаграмму последовательного соединения целесообразно начинать с
вектора тока /, так как ток во всех последовательно соединенных приемниках один и
тот же.
В рассматриваемой цепи общее напряжение U, поддерживаемое источником
электрической энергии, равно векторной сумме частичных напряжений Ui^ 1ги U2 - /о) L - Ixl .
Первое из них совпадает по фазе с током, а второе опережает его на я/2. Следовательно,
в векторной диаграмме общее напряжение изображается гипотенузой прямоуголь1юго
треугольника с катетами V^ и U2- На основании теоремы Пифагора
и- y/ufTul- ^(Iry^dmLf =/ ^//^ + (a)I)^
Теперь находим выражение закона Ома для данного соединения
и
Величина Vr^ -f xl - 2 ограничивает силу тока в цепи. Такое результирующее
сопротивление цепи переменного тока z, состоящее из различных по характеру
сопротивлений (г и Xi^), называется полным сопротивлением цепи (ранее оно называлось калсу-
щимся сопротивлением). Это сопротивление может быть сопротивлением цепи со
сложным соединением приемников.
В общем случае полное сопротивление цепи переменного тока в части, не содержащей
источника электроэнергии, равно отношению действующих значений напряжения на'
зажимах цепи к силе тока:
59.
Последовательное
соединение активного
сопротивления и
индуктивности:
а ~ схема, о — волновая, ч -
вскюрная диаграммы
6-819

Рассмогрим lenepb цепь, состоящую из двух катушек Zj и z, (рис. 60, а), каждая из
которых обла;|ает активным сопрогивлением и индуктивностью (рис. 60, 6). Здесь общее
напряжение складывается векторно из двух частичных напряжений С/, и U2. каждое из
когорых С0С10ИТ из активного /г и индуктивного Ixl напряжений.
Для ПОС1 роения диаграммы направим вектор тока / по горизонтальной оси (рис. 60, в)
и перпендикулярно к этому вектору строим опережающий его на 90 вектор индуктивного
напряжения /o)L,. К этому вектору прибавим вектор активного напряжения /г, —его
нужно отложить от конца вектора индуктивного напряжения /oj L, параллельно вектору
юка /. Конец вектора Ii\ соединим с началом координат, чтобы получи 1Ь векюр
напряжения ti на первой катушке.
Из конца этого вектора перпендикулярно к направлению / отложим индуктивное
напряжение /о) ^2, а затем прибавим к нему вектор Irj, направленный параллельно /.
Векторы /(f) Li и 1г2 являются ка1етами прямоугольного треугольника, i ипо генузой
которого будет вектор напряжения Uj на второй катушке. Общее напряжение
Следовал ельно, чтобы определить общее напряжение, нужно соединить конец вектора V^
с началом координат. Вектор общего напряжения U изображается на диаграмме
гипотенузой прямоугольного треугольника, в котором один катет 1г^ — Irj сумма активных
частичных напряжений, а второй катет /о) L, -г /o)L2—сумма индуктивных частичных
напряжений, следовательно.
f/'«■v(//•1+/A•2)^ + (/o)L1^-/Q)L2r ,
на основании чего сила тока в цепи
/ „ ^
Рассмотрим теперь цепь, в которой последовательно соединены три вида приемников
переменного тока: индуктивность L, активное сопротивление г и емкость С (рис. 61, л).
При построении векторной диаграммы этой цепи исходным векюром должен служить
вектор тока /. Начинаем с вектора индуктивного напряжения.(/ = /со L. Его нужно
построить под углом 90" к вектору /, отложив этот угол в положительную сторону - против
часовой стрелки. К вектору /соLприбавляем вектор активного напряжения /г,
направленный параллельно вектору тока. Емкостное напряжение /лс отстает на четверть периода
от тока, следовательно, прибавляя этот вектор к двум уже построенным векторам
частичных напряжений, нужно направить Ц. /av в сторону отставания, т. е. на диаграмме

61.
Последовательное
соединение трех видов
приемников переменного тока:
а — схема, о — векторная ли1И'р;»мма
вниз. Соединив конец вектора С/с с началом координат, получим вектор общего намря-
жения цепи U.
Этот вектор можно рассматривать как гипотенузу прямоугольною треугольника,
одним катетом которого будет активное напряжение 7 г, а второй кате! образуел разнос! ь
индуктивного и емкостного напряжений, т. е. Ul —1Л- ^ Ixi — /лс.
Таким образом, общее напряжение
и- V(Irf + (Ixi-Ixcf,
а сила тока
и
и
s/r' + ix^-xcf ^
+ (-ь-~сУ
(49)
На основании формулы (49) полное сопротивление цепи
г-Ул=+(со£—1-^/. (50)
Емкостное напряжение I ~с ^ ^^^ ^^^ иной степени ослабляет действие индуктивного
напряжения /со L— компенсирует его. В частном случае, когда cjL^ ^ и,
следовательно, Z ^ г,в цепи имеет место резонанс напряжений, для которого харакл ерна возможность
возникновения частичных напряжений на емкости и на индуктивности, значительно
превышающих напряжение на зажимах цепи.
Индуктивное и емкостное сопротивления являются условными расчетными
величинами. Возникновение их обусловлено реакцией (лат. ел. reactio — про гиводействие)
цепи на изменения тока и напряжения, поэтому оба Э1и сопротивления называются
реактивными и соответственно реактивными напряжениями именуются Ul - Ico L и Uc-- /^.
Индуктивное сопротивление вызывает сдвиг фазы напряжения в положительном
направлении (поворот вектора U против часовой стрелки), поэтому принято счилагь
индуктивное сопротивление положительным, а емкостное — отрицательным. Угол
сдвига фаз определяется из условия (рис. 61,6):
, 1
(оС
tg<p —
Чем отностельно больше активное сопротивление, тем меньпле сдвиг фаз.
83

4.8
МГНОВЕННАЯ И АКТИВНАЯ
МОЩНОСТИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Мгновенная мощность переменного тока равна произведению мгновенных
значений силы тока и напряжения на зажимах цепи, по которой он проходит: р ui. Это
выражение мощности такое же, как и для постоянного тока, где Р = UI. Но периодические
изменения переменных напряжений и тока вызывают периодические изменения
мощности, ими развиваемой. Такая периодически быстро изменяющаяся мощность — величина
мало удобная для оценки энергетического состояния устройств переменного тока. По
этой причине в качестве основной величины для оценки энергетических условий в
установках переменного тока принята их средняя за период мощность, называемая активной
мощностью или просто мощностью переменного тока Р; ее измеряют ваттметры
переменного тока.
Зависимость активной мощности от действующих значений напряжения и тока можно
определить на основании уравнений мгновенной мощности. В некоторой произвольной
цепи мгновенная мощность создается напряжением и = Um sincot и сдвинутым по фазе
по отношению к напряжению током i = Im sin(a)t — 9); следовательно,
р^ui^ UmlmiС08Ц> sin^ (о/-81пф sitKorcos О)г).
Как известно,
.о 1 - cos 2 о/ . . sin 2 (О/
sin''©/^ — ' sm (orcos 0)г=—г— '
на основании чего
^ Umlm Umlm ^ Undm . . -,
р^ —^ С05ф- -—у- С08ф COS2(0r-—у- 81Пф81П2а)/.
Мы определяем среднюю мойщость за период переменного тока. Но среднее за период
значение OTcos2a>t и от sin2a>t равно нулю. Второй и третий члены в выражении
мгновенной мощности при переходе к ее среднему значению превращаются в нули. Первый член
выражения не содержит функции времени, поэтому средняя мощность переменного тока,
называемая активной мощностью,
„ Umlm ,^ (^Л\
Р^ —1у- cosip, (М;
Заменим амплитудные значения через действующие
Um- V2t/, Im- V5/.
Подставив эти выражения в формулу (51), получим основную формулу мощности
переменного тока:
Р=-£//со8ф. (52)
Она справедлива независимо от причин, вызвавших сдвиг фаз в цепи. В выражении
84 моицюсти величина cos 9 называется коэффициентом мощности. Чем меньше коэффи-

циент мощности, т. е. чем больше сдвиг фаз, тем хуже с точки зрения энергетической
используется электрическая установка: на ее зажимах поддерживается нормальное
напряжение, она потребляет значительный ток, а ее активная мощность относительно мала.
Например, напряжение на зажимах установки U -■=■ 6 кВ, она нагружает сеть активной
мощностью Р - 600 кВт при силе тока / ^ 200 А. Коэффициент монхности
С08ф-— -0,5.
Но при cos <р =^ ' для получения той же мощности было бы достаточно силы тока / - 100 А.
Из-за наличия сдвига фаз электростанция и все передающие электроэнергию устройства
загружены излишне большой силой тока, что обусловливает бесполезную
дополнительную потерю энергии при передаче на нагревание проводников. При сдвиге фаз в течение
части периода напряжение и ток (мгновенные значения) имеют противоположные
направления, вследствие чего развиваемая ими мгновенная мощность в эти промежутки
времени отрицательна и уменьшает среднюю мощность.
В частности, при наличии в цепи активного сопротивления и индуктивности имеет
место наложение двух энергетических процессов: безвозвратной передачи энергии из
источника в активное сопротивление и колебаний энергии между источником и
магнитным полем индуктивности. В активном сопротивлении электрическая энергия
преобразуется в другие виды энергии: теплоту, механическую работу и т. д. В магнит1юм поле
энергия накапливается, пока увеличивается сила тока; когда же последняя убывает, ю
энергия возвращается обратно источнику. Затем, когда ток, пройдя через нулевое
значение, вновь увеличивается, энергия опять накапливается в магнитном поле и т. д. Эти
вредные колебания энергии обусловливают возникновение отрицательной мощности
в течение части периода переменного тока. Чем относительно больше энергия этих
колебаний, тем меньше коэффициент мощности установки.
4.9
поверхностный эффект
Поверхностный эффект есть явление неравномерного распределения переменного
электрического тока по сечению проводника, когда плотность переменного тока —
наибольшая у поверхности проводника — убывает по мере удаления от поверхности
вглубь проводника. Такое неравномерное распределение тока по сечению проводника
вызывается влиянием индуктивности. Последняя больше у внутренних и меньше у
внешних слоев.
В качестве примера рассмотрим поперечное сечение круглого провода (рис. 62).
Ток, проходящий по проводу, возбуждает магнитный поток как в среде, окружающей
провод Фкар, так и внутри сечения самого провода Фвн. Выделим в проводе две
проводящие нити 7 и 2. Первая / находится в центре сечения провода и направлена по его оси.
Вторая 2 расположена у поверхности провода. Нить I сцепляется со всем магнитным
потоком (Фвн -h Фнар), возбуждасмым вссм током провода. Нить 2 сцепляется только
с частью потока, замыкающейся вне провода Фнар. Следовательно, чем дальше от
поверхности провода находятся проводящие нити или цилиндрический слой провода, тем
больше их потокосцепление, а индуктивность L прямо пропорциональна потокосцеплению
(L---^), поэтому Lj > L2. 85

62.
Потокосцепление различных слоев
круглого проводника с током
63.
Эквивалентная схема,
поясняющая возникновение
поверхностного эффекта
Индуктивное сопротивление со L, возникающее при переменном токе, у внутренних
с;юев будет больше, чем у внешних. По отношению к источнику напряжения эти слои
соединены параллельно, их активное сопротивление г равно во всех слоях, но
индуктивные сопротивления возрастают от поверхности в глубину, как условно показано на
эквивалентной схеме рис. 63. Неравенство индуктивных сопротивлений обусловливает
неравномерное распределение тока между слоями провода, в результате плотность тока убы-
ваег ог поверхности к центру провода в какой-то степени, ток вытесняется из внутренней
части провода.
Такое частичное вытеснение тока из внутренних слоев равносильно некоторому
уменьшению работающего сечения проводника и увеличению его активного
сопротивления. Это одна из главных причин, вследствие которой активное сопротивление
проводника Га при переменном токе, оказывается больше его омического сопротивления, т. е.
сопротивления при постоянном токе.
Индуктивное сопротивление а>/-пропорционально частоте переменного тока.
Разница в индуктивности внутренних и внешних слоев тем значительнее, чем больше сечение
проводника. Следовательно, поверхностный эффект оказывается тем больше, чем выше
частота переменного тока и чем больше диаметр провода. Переменный ток высокой
частоты по внутренней части сечения провода практически не проходит, поэтому для
радиочастот применяют полые (трубчатые) провода.
Однако при промышленной у^стоге (50 Гц) влияние поверхностного эффекта на
сопротивление медных и алюминиевых проводов существенно лишь, когда их диаметр
превышает 1 с\^. Например, при частоте 50 Гц и диаметре медного провода 1 см
отношение его активного сопротивления к омическому равно 1,03, но при увеличении диаметра
провода до 4 см это же отношение возрастает до 1,32.
Влияние поверхностного эффекта в слальных проводах необходимо учитывать даже
при относительно малых сечениях, так как внутренний магнитный поток Фвн в этих
проводах относительно велик из-за большой магнитной проницаемости стали.
Поверхностный эффект в проводах вынуждает увеличивать их сечение. Но этот
эффект успешно используется для высокочастотной закалки стали и для других видов
индукционного нагрева.

4.10
РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ
Реюиапсом называется совпадение частоты вынужденных колебаний, сообщаемых
извне физической системе, с частотой собственных свободных колебаний системы. В элек г-
рической цепи переменного тока совпадение частоты источника тока с частотой
собственных свободных колебаний цепи вызывает явления электрического резонанса, при
котором входное реактивное сопротивление цепи равно нулю. При последовательном
соединении L и С возникает резонанс напряжений, а при параллельном — резонанс
токов.
Электрическая цепь, обладающая емкостью и индуктивностью, представляет собой
систему, в которой может происходить колебательный разряд емкости на индуктивность.
Эта система, способная к собственным свободным колебаниям, называется
колебательным контуром. Если в таком контуре емкость С сначала заряжается до некоторого
напряжения С/н посредством подключения к источнику электроэнергии (рис. 64), а затем 4
посредством переключения S замыкается на индуктивность L, то начинается
колебательный разряд емкости. Сначала возникает постепенно увеличивающийся разрядный ток.
Противодействие э. д. с. самоиндукции eL^~-—I^-^ не позволяет ему нарастать
скачкообразно. По мере нарастания тока накапливается энергия в магнитном поле
индуктивное ги и убывает энергия, запасенная в электрическом поле емкости. При разряде сила
тока все время возрастает, так как только при этом условии происходит передача энергии
из электрического поля в магнитное ( И4« =^ ~~~\ Когда разряд заканчивается, сила тока
в контуре достигает своего максимального значения 1т.
Но ГОК в контуре не прекращается, когда емкость разрядилась полностью {ыс 0).
Э. д. с. самоиндукции противодействует уменьшению силы тока. Она за счет энергии
магнитного поля поддерживает ток в том же направлении,в каком он проходил при
разряде конденса! ора. Этот ток будет заряжать емкость в обратном направлении, т. е.
обкладке, имевшей вначале положительный заряд, теперь сообщается отрицательный
64.
Схема заряда и
колебательного разряда
емкости
65.
Схема цепи, в которой
возможен резонанс
напряжений (а) и
частотная характеристика та- v^
кой цепи (6)
87

заряд. Ток в контуре при этой перезарядке постоянно убывает — энергия уходит из
магнитного поля индуктивности и накапливается в электрическом поле емкости. В идеальном
колебательном контуре потерь нет. В нем перезарядка емкости будет продолжаться
до тех пор, пока емкость не зарядится в обратном направлении до первоначального по
величине отрицательного напряжения 1/н. При этом вся энергия из магнитного поля
вернется в электрическое поле емкости, и ток в контур)е уменьшится до нуля. Затем начнется
вновь разряд емкости на индуктивность при обратном направлении тока. Напряжение
и сила тока периодически изменяются, причем когда напряжение максимально, то сила
тока равна нулю, и, когда напряжение равно нулю, то сила тока максимальна. В
идеальном колебательном контуре эти свободные колебания не затухают.
В колебательном контуре возникают гармонические (синусоидальные)
колебания. При синусоидальных колебаниях легко определить их собственную частоту ojq.
Максимальное напряжение на емкости U» = I-^'В идеальном контуре
максимальная энергия магнитного поля равна максимальной (начальной) энергии электрического
поля:
2 *" 2 ' 2
P'"«ot/
на основании чего
ЩС
и искомая собственная частота контура
^ - 1
у/LC
Резонанс напряжений возможен в цепи переменного тока, содержащей соединенные
последовательно индуктивность L активное сопротивление г и емкость С (рис. 65, а).
На зажимах цепи поддерживается переменное напряжение (7, следовательно, согласно
закону Ома в цепи будет проходить ток
/ Ч- ^^. (54)
1
{■
Резонанс напряжений наступает, когда
(оС
vZc
1
coL
соС

т. е. при равенстве реактивных сопротивлений, индуктивного и емкое! ного. В этих
условиях полное сопротивление цепи z ^ г и сила тока / ^ Ц-, а коэффициент
мощности со 5 f -- 1.
Сила тока при резонансе резко возрастает, если мало активное сопротивление г.
Но особенно важно то, что очень резко увеличиваются частотные напряжения Vc и L'l-
Они могут во много раз превысить напряжение (7 на зажимах цепи. Если, не нарушая
условия резонанса, одновременно увеличить в п раз индуктивное и емкостное
сопротивления (л1 nxL и л'с =^ пхс\ то сила тока в цепи не изменится, так как по-прежнему z г
и / ^ ~, но оба частичные реактивные напряжения возрастут в п раз и достигнут
значений VL hUl и Uc - nUc. Руководствуясь этим, можно безгранично увеличива1ь
оба реактивных напряжения, причем сила тока будет оставаться неизменной. Но прак! и-
чески предел повышению реактивных напряжений положит пробой изоляции между
витками обмотки катушки или между обкладками конденсатора.
Реактивные напряжения превысят напряжение на входных зажимах, ecjm г <^ ojLh,
следовательно, также '* < ~сГ' '^Р'^ резонансе U -1г< Ul Uc. Подставив в условие
неравенства сопротивлений
0>-С0о —1_^
:e.■^■^f ■; .V-- vZc
получим:
или Г< V 77 *
Величина ^~г называется характеристическим или волновым сопротивлением
колебателыюго контура и обозначается р Vt".
Для техники связи и высокочастотной техники важной характеристикой ряда yci-
ройств является отношение характеристического сопротивления к активному. Это
отношение называется добротностью контура:
Q-Plr=J-Jr. (55)
Добротность также равна отношению при резонансе частичных напряжений реактитю! о
к активному.
Большое практическое значение имеет зависимость от частоты силы тока и частичных
напряжений цепи, в которой возможен резонанс. Такая зависимость называелся частог-
ной характеристикой цепи (рис. 65, 6). Выражение закона Ома (55) показывает, что сила
тока в цепи достигает наибольшего значения, когда со L 1/соС, т. с. когда о; io^.
Напряжение на емкости IJc '-^ —^, следовательно, зависимость 1)с от w изображас! ся
кривой, похожей на кривую зависимости / от ш, но ординаты кривой 1)с получаются пу-

тем умножения ординат кривой тока на множитель 1/соС, убывающий с ростом со.
Вследствие этого напряжение на емкости достигает своего наибольшего значения при угловой
частоте ш^^^, несколько меньшей, чем частота резонанса coq-
Напряжение на индуктивности Ul ==/coLnpH построении характеристик получается
путем умножения ординат кривой тока на со L— величину, возрастающую с увеличением
частоты. Вследствие этого наибольшее значение Ul соответствует частоте col> (Oq.
Резонанс напряжений — явление опасное в электроэнергетических установках. Он
может возникнуть неожиданно, причем плавкие предохранители не защищают цепи от
возникновения опасных высоких частичных напряжений. Но в технике связи, в автоматике
явления резонанса напряжений широко используются для настройки приемных и
передающих устройств на определенную частоту.
4.11
ПРОВОДИМОСТИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В большинстве приемников переменного тока одни и те же элементы обладают
активными и реактивными параметрами. Например, в катушке из изолированного провода
каждый виток обладает активным сопротивлением и вместе с тем пронизывается
магнитным потоком. Для расчетов мы ранее разделяли катушки на отдельные два элемента:
активное сопротивление и индуктивности, соединенные последовательно. Таким nyiCM
мы составляли эквивалентную схему катушки (рис. 66, а). Для этой схемы мы строилш
^ векторную диаграмму, в которой основой был вектор тока /, а вектор напряжения U
складывался из активного напряжения С/а = /г и реактивного напряжения Up =^ 1х (рис. 67).
Однако в ряде случаев целесообразнее катушки и другие подобные приемники энергии
рассматривать состоящими из элементов, соединенных параллельно (рис. 66, б). В первом
из этих элементов электрическая энергия преобразуется в теплоту — это активный
элемент g, во втором потери отсутствуют, в нем возбуждается магнитное поле — это
реактивный индуктивный элемент Ь. Таким образом составляется эквивалентная
параллельная схема. В ее векторной диаграмме основой служит вектор напряжения, а вектор
тока складывается из активного тока h ■= /cos^ и реактивного тока /р — /siny (рис. 68).
Оба эти тока пропорциональны напряжении^ U. Коэффициенты пропорциональности
между напряжением и этими токами являются проводимостями переменного тока g и Ь.
Активная проводимость g ветви эквивалентной схемы, по которой проходит
активный ток /а, будет: g = ^ и, следовательно, Ug =■■ h.
Реактивная проводимость b — это проводимость второй ветви, по которой проходит
реактивный ток:
Ь^ — ИЛИ f/b —/р.
Весь ток приемника / будет:
/- Vl\+H- ViUgf + {Ubf --Uy ,
ОЛ Величина у = y/g^ -\- b^ называется полной проводимостью переменного тока.

Если разделить на значение / все стороны ipcyi ольника напряжений (см. рис. 67, а),
то получим треугольник сопротивлений, а если разделить на U все стороны Tpeyi ольника
токов (рис. 68, а), то получим треугольник проводимостей (рис. 68, б).
Треугольник проводимостей подобен треугольнику сопротивлений, построенному
для того же приемника, так как в обоих треугольниках один и тот же острый угол — это
угол сдвига фаз 9 между напряжением и током.
Треугольник проводимостей по отношению к треугольнику сопротивлений
направлен в противоположную сторону; это объясняется тем, что треугольник проводимое!ей
построен на основе треугольника токов, а при наличии индуктивности ток отстает по фазе
от напряжения. Треугольник сопротивлений построен на основе треугольника
напряжений, а напряжение на зажимах приемника, обладающего индуктивностью, опережает по
фазе ток этого приемника. Из соотношений в этих двух треугольниках хможно опреде;шть
угол сдвига фаз <р следующим образом:
Ъ > г g . . X b
tg9 -- ——'^-■
г g
С08ф «-
81Пф -»
(56)
Ток приемника можно выразить через напряжение и полное сопротивление г или через
напряжение и полную проводимость у:
Полная проводимость — это величина, обратная полному сопротивлению: у -|-. На
основании приведенных соотношений легко выразить проводимости через сопротивления
и обратно сопротивления через проводимости:
^2 9 '^ ,,2
(57)
Подобная замена проводимостей сопротивлениями применяется при расчетах
смешанных соединений приемников переменного тока.
66.
Эквивалентные схемы катушки:
п ппсл^доиагсльмая
Л параллельная
67.
Треугольник
напряжений (а) и
треугольник
сопротивлений (б)
68.
Треугольник токов
(а) и треугольник
проводимостей (б)

Отметим, что активная проводимость переменного тока g в общем случае не является
величиной, обратной активному сопротивлению. Она может быть обратной величиной
активного сопротивления, когда в цепи нет реактивного сопротивления. Точно так же
реактивная проводимость b равна —-, только когда в цепи г -- 0.
^ параллельное
4ф12 соединение приемников
переменного тока
Параллельное соединение широко применяется для приемников переменного гока
(двигателей, осветительных устройств, бытовых приборов и т. д.). Они подключаются
к обпхей сети переменного тока, напряжение в которой поддерживается почти постоянным.
Параллельное подключение двух различных двигателей переменного тока можно
рассматривать как случай параллельного соединения приемщиков с различными
индуктивными сдвигами фаз fi и <Р2- Для анализа условий такого соединения построим
соответствующую векторную диаграмму. Исходным вектором диаграмм для параллельного
соединения следует считать вектор общего напряжения С/, так как такое напряжение одно
и то же для всех ветвей параллельного соединения (рис. 69). Направляем этот вектор по
горизонтальной оси. Под углами <р, и <?2 по отношению к О строим векторы токов /, и /,,
а так как / ^^ /i -i /2, то находим / как геометрическую сумму токов двух ветвей. Затем
на / как на гипотенузе строим треугольник, один катет которого параллелен О, а другой
перпендикулярен ему. Как видно из построения, один катет будет представлять собой
сумму активных токов ветвей /,со5 <pi t I2C0S 92 - ^u "^ ha ^co.v ф, a второй кате! —
сумму реактивных токрв, ^, .,
■ v' /^ sitt '^v+'Iii siii^ Щ %/?Р + hi^ J sin- %, ■ ■■
Общий ток
/« \/(/С08ф)^ + (/8Ш ф)2 - ^/(/,a4-/2a)^ + (/Ip + /2p)^
Общая активная мощность б.уд^т
69.
Параллельное соединие двух приемников переменного тока:
а - схема. 6 - экуиналентная схема, в - векторная диаграмма

70,
Параллельное соединение трех
ириоммиков исрсмсиио! I) 1ока-~
двух с индуктивным сдвигом фаз
и одного с емкостным:
(7 - схема. f> - lic кто р иая ЛИЯ г pdv»M;i
Заменим активные и реактивные токи через напряжение и соответствующие
проводимости:
/la = f/gi ; /2а f= Ug2 ; /ip ^ Ub] ; /2p ^ 6^^2 ,
на основании чего закон Ома для данного разветвления будет:
i-^uV(g,+8z>' + ibx-^h)'r.
Рассмотрим теперь условия для параллельного соединения всех трех видов
приемников. Для этого добавим к схеме рис. 69, а лишь одну ветвь, содержащую только
емкость С (рис. 70). К векторной сумме токов /i и /2 ветвей с отстающим сдвигом фаз
добавим вектор емкостного тока /с, опережающего напряжение О на 90"". Вновь мы можем*
применить теорему Пифагора, построив на векторе /, как на гипотенузе, прямоугольный
треугольник, один катет которого параллелен U, а второй к нему перпендикулярен. На
основании этого построения получаем выражение закона Ома для параллельного
соединения:
В емкостной ветви нет потерь, поэтому она не обладает активной проводимостью.
В последнем выражении закона Ома условно считаем реактивную емкостную
проводимость положительной, так как она обусловливает емкостный ток, опережающий по
фазе напряжение. Две остальные реактивные индуктивные проводимости считаем
отрицательными, так как им соответствуют отстающие по фазе токи.
Емкостная и индуктивная реактивные проводимости в той или иной степени
компенсируют друг друга, общая реактивная проводимость равна разности емкостной и
индуктивной проводимостей ветвей: Ь=^Ьс—ht. Но в частном случае возможна их полная
взаимная компенсация, когда Ъс bi. Это условие резонанса токов, при котором
возможно возникновение в ветвях реактивных токов, в несколько раз превышающих ток,
поступающий от источника электроэнергии.

4.13
АКТИВНАЯ, РЕАКТИВНАЯ
И ПОЛНАЯ МОЩНОСТИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Ирм выборе трансформаторов, сечения кабелей, выключаюндей аппаратуры и т. п.
необходимо знать, на какую силу тока они должны быть рассчитаны. Для этою
недостаточно, если известны только напряжение и активная мощность Р, следует еще опреде-
листь со5ф установки. При наличии нескольких приемников энергии с различным cos Ф
эти расчеты существенно усложняются. Для облегчения подобных расчетов введены две
вспомогательные величины: полная 5 VI и реактивная О Vlsxrn^ L7p мощности.
Соотношения между ними и активной мощностью наглядно показывает треугольник
мощностей. Чтобы построить его, можно взять треугольник напряжений и все сгороны
его умножить на силу тока / (рис. 71). Полученный таким путем треугольник мощгюстей
будет подобай треугольнику напряжений. Его гипотенуза будс! изображать полную
мощность 5, а катеты — активную Р и реактивную Q мощности. Соотношения между ними
S-- ч/ЯТо^ ; Р-^созф; Q*5sin<p и е«Р1§Ф . (58)
На щилках генераторов и iраисформагоров указывается полная мощность (раньню
ее называли кажущейся мощностью). Изоляция генераторов и трансформаторов
рассчитывается на определенное номинальное напряжение, а сечение проводов обмоток — на
определенный номинальный ток. Тем самым отдельно ограничиваются напряжение и
ток, причем эти ограничения не зависят о г сдвига фаз ф между напряжением и гоком.
Таким образом, произведение действующих значений напряжения и тока опрелеляег
полную номинальную мощность 5н генератора, трансформатора и других устройств
переменного тока. Как показано вьшге, активная мощность Я--5нС05Ф. Следовательно,
значение допустимой потребляемой мощности при неизменной полной моишости
уменьшается с уменьшением cos ф.
Единицей полной мощности служит вольт-ампер (ВА) и киловольт-ампер (кВА).
Это изменение наименования упрощает указания мощности в ката;югах, расчетах и т. п.:
достаточно написать, например, 500 кВА, чтобы тем самым показать, что
рассматривается полная, а не активная мощность.
Понятие реактивной мощности Q используется для расчета пол1юй мощности
установки, например, при определении мощности трансформатора, необходимого для
промышленного предприятия. Различные приемники электроэнергии потребляют как актив-
ную, так и реактивную мощности. Полная могцность, на которую должен быть
установлен трансформатор, определяется на основании суммы активных мощностей всех
приемников L/* и суммы их реактивных мощностей Z<2 по формуле:
S^ s/VLPf+VzW. (59)
. Реактивная мощь.ость измеряется в вольт-амперах реакгивных (варах) и киловольт-
амперах реактивных (кварах).
Условно принято считать реактивную емкостную мощность отрицательной, в соот-
у4 ветствии с чем конденсаторы нужно считать генераторами реактивной мощности ()с.

71.
Построение треугольника
мощностей:
а — треугольник напряжений, 6 —
треугольник мощностей
а индуктивные приемники Ql —ее потребителями. При наличии среди приемников
емкостей и индуктивностей общая полная мощность установки
S- ^/(ZP)^ + (I:"Q/:~ Ъйс? . (60)
Посредством емкостной реактивной мощности, компенсирующей индукывную мопь
ность хчек1родвигагелей, повышается со8ф промьпплснпых предприятий.
РЕЗОНАНС ТОКОВ
4 И ПОВЫШЕНИЕ
Ф 14 КОЭФФИЦИЕНТА
МОЩНОСТИ
Явление резонанса токов наблюдается при параллслыюм соединении индук1ивнос111
и емкости. Если параллельно соединены катушки Гк и емкость С\ io, заменив кал ушку
эквивалентной параллельной схемой, получим общую эквивалентную схему с двум я
реактивными ветвями (ht и Ьс) и одной активной ветвью (рис. 72). Согласно закону Ома ;и1я
такого параллельною соединения общая сила тока в нем будет:
1-и sjg^'^-^bc-bif
Резонанс токов возникает, когда равны индуктивная и емкостная проводимости: ht Ьс.
Общий ток цепи при резонансе I - Vg и со8ф 1. Индуктивный и емкостный юки, про-
1ивопо.'южные по фазе, равны по величине и по отношению к источнику энергии взаимно
компенсируются, что и является основанием для названия такого явления - резонанс
токов.
Когда емкосгный ток направлен к узлу схемы, индуктивный ток направлен ог этою
узла — разря;1у емкости соответствует нарастание тока в индуктивгюсти и возбуждение
магнитного поля и, обратно, уменьшение тока сопровождает зарядку емкости. Энергия
из электрическою поля емкости переходит в магнитное поле индуктивное!и, а через
четверть периода эта энергия возвращается назад в электрическое поле. Реактивный ток
замыкается в кольце, образуемом индуктивностью и емкостью, а провода, соединяющие
колебательный контур с источником переменного тока и сам источник, освобождаются
от реактивного тока.
При идеальном резонансе токов в контуре не г потерь, и его активная проводимость
g О, а так как также Ьс — /?l О, то полная проводимость цепи у О и полное
сопротивление г 00 . Следовательно, приближение цепи к условиям резонанса токов при
малых активных потерях дает эффект размыкания цеп?'.

Если в цепи, настроенной на резонанс токов h^ he. в одинаковое число п раз
увеличить обе реактивные проводимости, т. е. заменить их через Ы = nbi и be ^ пЬс^ то оба
тока увеличатся тоже в п раз. Но при этом общий ток /, поддерживаемый источником
энергии, не изменится, так как /^ Ug. Естественным выводом этого является то, что
можно неограниченно увеличивать токи в индуктивной и емкостной ветвях, не вызывая при
этом изменения тока источника энергии. Однако физические приемники реактивного
тока — конденсаторы и индуктивные катушки — неизбежно обладают некоторой
активной проводимостью, в особенности она заметна у катушек. По этой причине
параллельное включение дополнительных конденсаторов и-катушек для увеличения реактивных
проводимостей повышает также активную проводимость g, а следовательно, и общий
ток /, поддерживаемый источником энергии.
Как и при резонансе напряжений, резонанс токов может возникнуть при изменении
частоты источника энергии или при изменении собственной частоты контура вследствие
изменения L или С На рис. 73 дана частотная характеристика цепи, в которой возможен
резонанс токов. Здесь активный ток /а, являющийся лишь частью тока катушки, от
частоты не зависит. Индуктивная составляющая тока обратно пропорциональна частоте,
поэтому с ростом частоты ток катушки убывает. Емкостный ток 1с =UwC увеличивается
линейно, пропорционально частоте. Точка пересечения характеристик 1с и 4
приближенно (из-за влияния /а) определяет наступление резонанса токов. Расстояние от оси абсцисс
до точки минимума общего тока / определяет в масштабе построения активный ток /а.
В отличие от резонанса напряжений резонанс токов — явление безопасное для
электрической установки. Здесь нет ничего неожиданного, так как, чтобы создать большие
реактивные токи, нужно подключиль мощные реактивные катушки и большие батареи
конденсаторов. Каждый из этих токов определяется по закону Ома и взаимно они
независимы.
Режим, близкий к резонансу токов, широко используется для повышения
коэффициента .мощности промышленных предприятий. Обычно этот коэффициент понижают
намагничивающие токи двигателей. В двигателях для создания вращающего момента
используется взаимодействие переменного магнитного поля с токами, обтекающими
обмотку. Для возбуждения этого поля необходим переменный намагничивающий ток —
это ток реактивный индуктивный. Низкое значение cos<p обусловливает: во-первых,
неполное использование мощности генераторов, линий передач и трансформаторов, во-вторых,
бесполезные дополнительные потери при передаче электроэнергии. Потери в проводах
линии (гл) при передаче энергии Л,ер ^fr^, но /--V/i f /р , следовательно, Рпср /а'Si i
96
72. 73.
Схема napa-Lic.ibMori) Частотная харак-
сос ли иония KaiynjKH и теристика цепи
конлсисаюра резонанса токов

-Ь/рГл, т. е. потери складываются из необходимых потерь при передаче активного тока h
и бесполезных потерь при передаче реактивного тока /р.
Но посредством включения параллельно двигателям батарей конденсаторов
передающие устройства и генератор разгружаются от индуктивного тока, поэтому если
осуществлен режим резонанса токов, то весь реактивный ток замыкается в кольце,
образуемом емкостью и индуктивностью. Исчезают дополнительные потери /рГл, а передающие
устройства и генератор можно соответственно дополнительно загрузить активным
током и передавать дополнительную активную мощность.
Для осуществления такой полной разгрузки нужна емкостная мощность Qc = V^cdQ,
равная индуктивной мощности Q^^-= С//н sinf, где /н —общий ток нагрузки (до
компенсации).
Но в большинстве случаев нет необходимости в полной компенсации, так как при
cos 9 >0,95 остается такой относительно малый реактивный ток, что практического
значения он не имеет вследствие того, что общий ток
Чтобы компенсировать этот относительно малый ток, нужно значительно увеличить
емкость конденсаторов, что экономически не выгодно.
4^15 КОМПЛЕКСНЫЙ
(СИМВОЛИЧЕСКИЙ) МЕТОД
Расчет цепей переменного тока на основании построения векторных диаграмм с
преобразованиями сопротивлений переменного тока в проводимости и обратно (метод
модулей) оказывается слишком трудоемким для сложных цепей. Эти расчеты
существенно упрощаются, если изображать синусоидальные величины комплексными числами,
т. е. числами вида а ijb, гдеаиЬ — обычные действительные числа, ау = у/—[ — мнимая
единица*. Применение комплексного метода дает возможность выразить в
алгебраической форме геометрические операции с векторами переменных токов и напряжений.
Это позволяет, в частности, применить для расчета'цепей переменного тока законы
Кирхгофа и все методы расчетов сложных цепей постоянного тока.
При пользкувании комплексным методом векторы синусоидальных величин
рассматриваются на комплексной плоскости, т. е. в прямоугольной системе координат,
отличающейся тем, что одна ось считается действительной, а вторая — мнимой, и составляющие
векторов по этой оси выделяются особым символом /
Например, вектор /на комплексной плоскости изображается двумя составляющими:
/ по действительной оси и Г по мнимой оси (рис. 74).
При умножении на j произвольный вектор U, направленный, например, по
действительной оси, поворачивается на 90° против часовой стрелки, т. е. в положительную
сторону. При двукратном умножении на множитель/ вектор поворачивается на 180^, и в
соответствии с этим изменяется знак вектора: 7^(7^—U. На основании чегоу^^ V^^,
т. е. мнимой единице.
* В курсах математики мнимая единица обозначается i.

Комплексные величины, изображающие синусоидальные функции времени
(переменные ток, напряжение, э. д. с. и др.)» обозначаются большими (прописными) буквами
с точкой над буквой (как обозначали векторы этих величин). Синусоидальная величина,
обозначенная большой буквой без точки, является модулем комплексной величины:
/= >//2_j_j"2 прочие комплексные величины, встречающиеся при расчетах цепей
переменного тока, обозначаются большими буквами без точек (например, полное
сопротивление Z и полная проводимость Y).
Комплексная величина может быть записана в трех математических формах;
например, ток /(см. рис. 74) может быть записан в уже показанной выше алгебраической форме
t^f-\-jr'; замена / и /' через проекции /на оси координат позволяет перейти к
тригонометрической форме: /==Ax)sa-f7/sina. Наконец, согласно формуле Эйлера: е^ =cosa-f-
-\-jsinoc, на основании чего получаем показательную форму записи комплексной
величины: /=/е^«. В большинстве расчетов можно применять алгебраическую форму, но при
возведении комплекса в степень или извлечении из него корня целесообразнее
воспользоваться показательной формой. От алгебраической формы к показательной можно
перейти, используя простые соотношения:
Положение вектора напряжения U на комплексной плоскости определяется его
начальной фазой а. Она зависит от момента начала отсчета времени, а следовательно,
в большинстве случаев она произвольна. Используя возможность произвольного выбора
начальной фазы, целесообразно при расчетах цепей переменного тока направить по оси
действительных величин какой-либо известный вектор, например, вектор напряжения на
зажимах цепи. Тем самым считается равной нулю его начальная фаза. После этого все
остальные комплексные величины (векторы напряжения, токов) будут ориентированы,
т. е. сдвинуты по фазе на определенные углы по отношению к оси действительных
величин и известному вектору.
Комплексная форма изображения сопротивлений переменного тока определяется
характером воздействия этих величин на сдвиги фаз между напряжением и током.
Активное сопротивление г при умножении на него вектора тока не изменяет фазу, а только
меняет длину вектора: напряжение на участке цепи, содержащем только активное
сопротивление, совпадает по фазе с током. Векторы / и /г направлены параллельно.
Следовательно, активное сопротивление изображается действительной величиной.
По аналогичным соображениям индуктивное сопротивление изображается положи-
тельной мнимой величиной Jco Li=jxL, так как при умножении на yet) Lвектор тока
поворачивается на 90° в положительную сторону, изменяя при этом свою длину. Емкрстное
сопротивление изображается отрицательной мнимой величиной
Закон Ома для последовательного соединения всех трех видов приемников в комплексной
форме будет:
/• ^
98 r;¥JiXL-Xc)

74.
Действительная и
мнимая составляющие
вектора
75.
Схема смешанного
соединения
Полное сопротивление цепи представлено здесь знаменателем в комплексной форме.
Оно обозначается большой буквой (без точки): Z=r-\-j{xL—хс). Малой буквой
обозначается модуль этой величины: z = у/г^ + (w L:—^Y -
В качестве примера рассмотрим ход расчета смешанного соединения (рис. 75),
Известными величинами считаем напряжение U на входных зажимах цепи и все ее активные
и реактивные сопротивления.
Комплексный метод дает возможность выразить общее полное сопротивление Z
цепи формулой, аналогичной формуле общего сопротивления смешанного соединения
цепи постоянного тока (ri + гр), т. е. рассматривать его как сумму сопротивления нераз-
ветвленного участка Z^ и сопротивления разветвления Zp, учитывая при этом, что полные
сопротивления — комплексные величины. Общее полное сопротивление всей цепи будет:
"M^*^Zi^-Zp^^
где Zi^ri+JcoLi = ri-{-jXx; Zp — сопротивление разветвления, состоящего из двух
параллельных ветвей:
|i|f*^-^-.r. I
Полные сопротивления ветвей
Таким образом, общее полное сопротивление
■Ш' ;wAiii.SsiPiiiiiJ0fc- • к
Т. е. оно выражено через известные величины. Напряжение на входных зажимах U
направим по действительной оси, т. е. будем считать его действительной величиной: О- U. 99

Общий ток Ii = ^. Падение напряжения на неразветвленном участке цепи будет Az,,
а напряжение на разветвлении Up =/iZp. На основании чего токи в двух ветвях будут:
Zq Z3
Действительные и мнимые составляющие векторов определяют соответствующие
отрезки абсцисс и ординат, что существенно облегчает построение векторной диаграммы
цепи.
4.16
КОМПЛЕКСНАЯ МОЩНОСТЬ
Мощность переменного тока не является синусоидальной величиной. Она
складывается из постоянной составляющей и синусоидальной составляющей двойной частоты,
следовательно, ее нельзя определить как произведение комплексов напряжения тока
рассматриваемой цепи. По этой причине для определения мощности на основании
комплексов, выраженных в показательной форме U-^UeJ^, /-^leJP приходится применять
искусственный прием. Возьмем сопряженный комплекс тока I^IeJ^, т. е. вектор, равный
по величине /, но сдвинутый относительно действительных величин в обратную сторону
на угол а, т. е. / =IcosP—jlsinp*. Умножив комплекс напряжения на 1е^^ , получим:
U/-^UIeJ^'^~P\ атак как а—j?=<p ие>(«—^be-^>=cos9+y sin^p, то
S- UI-- Ule'"' ^ игcosip +jUIsm(p --P-\-jQ. (61)
Полученная величина носит название комплексной мощности. Ее действительная часть
равна активной мощности Р, а мнимая часть (без j) — реактивной Q,
4.17
НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ
ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ТОКИ
Для поддержания синусоидальной формы кривых переменных токов и напряжений
и подавлений их отклонений от синусоидальной формы в электроэнергетических системах
принимается ряд мер. Но в цепях электросвязи, в электронных устройствах различных
видов и т. п. такие отклонения от гармонической формы создаются самим основным
рабочим процессом устройства. По этой причине знание элементов учения о
несинусоидальных токах необходимо для понимания принципов работы устройств электроники,
связи и автоматики.
* Знак * обозначает сопряженное значение комплекса.

Несинусоидальные изменения являются периодическими, если через определенный
промежуток времени Т (период) весь процесс изменений повторяется.
Подобное периодическое изменение силы тока математически может быть
представлено в виде суммы синусоид различной частоты и с различными начальными фазами.
Такая математическая форма называется гармоническим рядом (рядом Фурье). Этот ряд
для несинусоидального тока будет иметь следующий вид:
/ = /о + /l m Sin( СОГ + Ui) Ч- 12т Sin(2cO / + ttj) + I^m sin(3o) t+ Ц^)Л'
-h ... + Ikmi\n(k(iit'\- Ok) ,
где /о — постоянная составляющая (постоянный ток): /j„sin(a)r+ai) — основная волна,
т. е. синусоидальное колебание, частота которого равна частоте несинусоидального тока,
aj — ее начальная фаза, зависящая от начала отсчета времени; все остальные
синусоидальные составляющие — это высшие гармонические (гармоники); 2, 3, 4, ... /с —
порядки гармонических составляющих.
Следовательно, несинусоидальный ток можно рассматривать как складывающийся
из постоянного тока и переменных синусоидальных токов различной частоты и с разлин-
ными начальными фазами.
В линейной цепи, параметры которой не зависят от силы тока, можно
рассчитывать юки и напряжения отдельно для каждой из гармонических составляющих
(принцип наложения). Для любой из них справедлив закон Ома для синусоидального
тока:
; '^- " ./••/^' lk^M0Z,k^'] '^^
где h и Uk —действующие значения тока и напряжения гармонической составляющей;
Zk — полное сопротивление цепи, величина которого зависит от порядка к
гармонической составляющей.
Например, напряжение на зажимах цепи (мгновенное значение) u--L/i,„ sincot f
-i Ufm sin(7cor f «7), T. e. это напряжение складывается из основной волны и седьмой
гармонической. Цепь состоит из соединенных последовательно активного сопротивления г
и индуктивности L. Следовагельно, рассматривая от;1ельно гармонические составляю-
umQ, получим:
I =. —^^-^—...^sin ((О/ - (pt) + —=2^=г sin (7о) г + а7 - ф-7),
здесь сдвиги фаз определяются условиями:
V1 <»/ii
101

76.
Цепь, содержащая только
индуктивность (а), и кривые напряжения и тока
этой цепи (6)
77.
Цепь, содержащая емкость (а), и кривые
напряжения и тока этой цепи (б)
С ростом порядка fc гармонической пропорционально увеличивается индуктивное
сопротивление /со L, в результате этого кривая тока, проходящего через индуктивность,
становится существенно ближе к синусоиде, чем кривая несинусоидального напряжения
на зажимах индуктивности (рис. 76).
Такое подавление высших гармонических индуктивностью широко используется,
например, для сглаживания кривой выпрямленного тока. Емкостное сопротивление для
гармонических -j—^ уменьшается с увеличением порядка гармонической, иными
словами, емкостная проводимость kwC для высших гармонических существенно больше, чем
для основной волны. По этой причине кривая несинусоидального тока i, проходящего
через емкость, искажёна значительно больше, чем кривая напряжения и на зажимах
конденсатора (рис. 77).
Воздействие индуктивностей и емкостей на формы кривых мгновенных значений
тока и напряжения используется в фильтрах — устройствах, назначение которых —
подавление или выделение колебаний одной определенной частоты или определенной
полосы частот.
Контр(»льные вопросы
1. Что такое переменный ток?
2. Как выражается длина волны через частоту переменного тока?
3. Как графически изображаются изменения переменного тока и каким уравнением
определяется синусоидальный переменный ток?
4. Какими уравнениями выражаются синусоидальные величины при наличии между ними
сдвига фаз?
5. Как строятся векторные диаграммы для простейших электрических цепей переменного тока?
6. С какого вектора следует начинать построение диаграммы для последовательного
соединения приемников переменного тока?

7. Какие причины вызывают возникновение поверхностного эффекта и в чем этот эффект
заключается?
8. При каких условиях возникает резонанс напряжений и в чем он заключается?
9. Что является основной причиной понижения коэффициента мощности промышленных
предприятий?
10. Какие векторы образуют треугольник напряжений и треугольник сопротивлений?
11. Какие векторы образуют треугольник токов, и треугольник проводимостей?
12. Какие векторы образуют треугольник мощностей?
13. Как можно выразить активное и полное сопротивления через проводимости?
14. Каковы полезные следствия компенсации сдвига фаз?
15. Как определяется полная мощность установки, состоящей из нескольких приемников
электроэнергии?
16. Каковы преимущества применения комплексного (символического) метода расчета для
цепей переменного тока?
17. Какими тремя формулами можно выражать активную мощность переменного тока?

Глава mm ТРЕХФАЗНАЯ
СИСТЕМА
ПЕРЕМЕННЫХ ТОКОВ

5.1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ
ПОСТРОЕНИЯ
МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ
Для улучшения условий передачи энергии по проводам используется принцип
частичного объединения проводами линии передачи нескольких независимых цепей,
имеющих отдельные источники электроэнергии. Впервые этот принцип был применен для
создания в XIX в. очень распространенной трехпроводной системы постоянного
тока.
Подобная система состоит из двух групп потребителей, питаемых двумя
генераторами постоянного тока (рис. 78), причем один провод в системе — общий для обеих цепей.
Направления токов генераторов в общем проводе противоположны, поэтому ток в нем
Io=Ii—h' Если же нагрузка обоих генераторов одинакова, то /i—Ii, а ток в общем
проводе равен нулю. На основании чего этот провод принято называть нулевым или
нейтралью. Два остальных провода именуются линейными. Так как общий провод
нагружается только разностью токов двух ветвей нагрузки, то его сечение может быть
значительно меньше, чем сечение линейных проводов S. В большинстве случаев его сечение
Sc^ 1/2 S. Таким образом, при трехпроводной системе передачи достигается
существенная экономия меди: общее сечение 2,5 S вместо 4 х S.
Нулевой провод системы по условиям безопасности необходимо заземлить, т. е.
надежно соединить с землей через специальный заземлитель, например металлический
лист, закопанный в землю ниже уровня грунтовых вод. При таком заземлении в системе
(рис. 78, а) напряжение линейных проводов по отношению к земле не можс!
превысить 220 В. Если нейтраль в той же установке не заземлена, а заземлен один из линейных
проводов (например, вследствие падения на землю), то напряжение второго провода
повышается по отношению к земле до 440 В.
Трехпроводная система применяется в новейших установках постоянного тока
высокого напряжения (до 1 500 000 В) для сверхдальних (длиннее 500 км) линий передач.
Для создания объединенной системы из нескольких цепей переменного тока с
отдельными источниками энергии и одним общим проводом необходимо, чтобы была равна
нулю алгебраическая сумма мгновенных значений токов, проходящих по общему
проводу, т. е. токов всех объединенных цепей. Это условие выполняется, когда сумма
векторов токов объединяемых цепей образует замкнутый многоугольник (рис. 79). В подобной
обьедниснной системе отдельные ее цепи принято называть фазами'^, а всю систему -
многофазной системой.
* В электротехнике термин «фаза» применяется в двух значениях: во-первых, эю
относительный момент периодического процесса, а во-вюрых, это название составной части
многофазной системы цепей переменного тока.
105

78.
Образование трехпроводной
системы постоянного тока:
а — две цепи постоянного тока с
общим заземлением, ^ — те же цепи после
объединения в трехпроводную систему
79.
Векторы токов ше-
стифазной системы
(а) и замкнутый
многоугольник этих
векторов (б)
I
Диаграмма на рис. 79 построена для токов симметричной шестифазной системы.
Шесть векторов тока, образующие шестиугольник, сдвинуты по фазе относительно друг
друга на одну шестую периода, чему соответствует угол 60° между векторами
токов.
Руководствуясь вышеуказанным условием, можно составить большое число
многофазных систем: трехфазную, шестифазную, двенадцатифазную и т. д. Из них широкое
распространение имеет лишь относительно простая трехфазная система.
При выпрямлении переменного тока, в случав многофазных систем, пульсация
выпрямленного тока уменьшается тем больше, чем больше число фаз системы. По этой
причине, в выпрямительных устройствах иногда применяют шестифазную и даже
двенадцатифазную системы. Но обычно их получают посредством преобразования трехфазной
системы (например, с помощью специального трансформатора).
106
5.2
ЭЛЕМЕНТЫ
ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ
В настоящее время получение, передача и распределение электроэнергии в
большинстве случаев производится посредством трехфазной системы^ часто называемой
трехфазным током. Эта система была изобретена и практически разработана во всех
основных, ее частях выдающимся русским инженером М. О. Доливо-Добровольским.
Как показывает само название, трехфазная система состоит из трех источников
электроэнергии и трех цепей нагрузки, соединенных общими проводами линии передачи.
Источником энергии для всех фаз системы является трехфазный генератор (рис. 80).
Он отличается от генератора переменного тока (однофазного) тем, что у него на статоре
размещены три, изолированные друг от друга, одинаковые обмотки. Они расположены
так, чтобы индуктируемые в них э. д. с. были сдвинуты по фазе одна относительно
другой на 120°.

Если генератор двухполюсный, как на рис. 80, то
оси катушек фазных обмоток сдвинуты одна по
отношению к другой на одну треть окружности статора. При
вращении ротора его постоянное магнитное поле
пересекает проводники обмоток не одновременно. Э. д. с.
обмотки А достигает своего максимального значения,
когда мимо нее проходит середина полюса ротора.
Э. д. с. в следующей обмотке В достигнет максимума
позже, когда ротор повернется на 1/3 оборота, В
двухполюсном генераторе повороту на 1/3 оборота cootbci-
ствует 1/3 периода индуктируемой э. д. с. Следовательно,
э. д. с. в обмотке В отстает по фазе от э, д. с. в
обмотке v4 на 1/3 периода. В свою очередь, э. д. с. в обмотке С
отстает по фазе от э. д. с. обмотки В на 1/3 периода и
от э. д. с. обмотки А на 2/3 периода. При такой симмет -
рии устройства генератора максимальные значения этих
э. д. с. одинаковы. Конструкция генератора должна обеспечивать их синусоидальность.
Уравнения мгновенных значений э. д. с. будут:
^ШшЯШШШЩЩ^ШШ^^ШШШШШ'ЩШ^ш
Кривые мгновенных значений показаны на рис. 81, на рис. 82 дана векторная диа-
грамма для их действующих значений ^ф -=^ • Сумма этих векторов образует
замкнутый треугольник: Еа -\- Ев -\- Eq=^0 — это трехфазная симметричная система э. д. с.
Алгебраическая сумма мгновенных значений э. д. с. ел -\- ев + ее = О, что легко
проверить, подставив выражения этих значений как синусоидальных функций времени.
81.
Кривые
мгновенных значений
э. д. с. трехфазной
системы
82.
Векторы э. д. с. трехфазной системы I v/

Изображения э. д. с. трехфазной системы в комплексной форме будут:
(63)
ЕсЕфе^^ -£фе^^ . -£ф(-1 + J^).
От последовательности фаз сис1емы зависит направление вращения трехфазных
двигателей, поэтому в трехфазных устройствах она проверяется специальными
указателями последовательности фаз и обозначается раскраской шин на распределительных
устройствах; в СССР приняты следующие цвета: фаза А — жел1 ый, фаза В — зеленый
и фаза С — красный; незаземленная нейтраль — белый, заземленная нейтраль —
черный. Зажимы обмоток генератора различают: начала А, В, С, концы X, у, Z.
Два основных способа соединения обмоток генераторов, трансформаторов и
приемников в трехфазных цепях: звездой и треугольником.
5.3
СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДОЙ
Фазные обмо I ки генераторов можно было бы соединить с тремя приемниками
электроэнергии П1естью проводами (рис. 83, а) и получить таким путем три независимые
фазные цепи. Практически подобное соединение применяется лишь в редких случаях, ilo с
помощью такой схемы можно нагляднее представить условия, возникающие при
объединении цепей в трехфазную систему. Как и в цепях переменного гока, стрелки на схеме
показывают положительные направления фазных э. д. с. и создаваемых ими гоков.
Положительные направления определяет разметка зажимов фазных обмоток генератора.
Внутри обмоюк э. д. с. и токи направлены от «концов» (Л', У, Z) к «началам» (А, В, С).
Через «начало» обмотки положительно направленный ток выходит во внешнюю цепь,
а через «конец» входит в обмотку.
Для соединения звездой (условное обозначение Y) зажимы X, У, Z («концы»)
объединяются в одну общую точку О. Соответственно в гочке О' объединяются и гри конца
83.
Образование соединения звездой:
а ~ схема нсоОьслинеиной 1рехфазмой сис]емы, б - обьолинсмпан трсхфалиая сисюма

84.
Положительные
направления фазных
напряжений при соединении
звездой
85.
Векторная диаграмма
линейных и фазных
напряжений для
соединения звездой
фазных цепей нагрузки (рис. 83, 6), Между нулевыми точками генератора и на1 рузки
проложен общий нулевой провод (или нейтраль) трехфазной системы, образуемый
объединением трех обратных проводов.
Если предположить равными нулю поочередно все фазные э. д. с, кроме одной
(например, проследить в объединенной системе контур тока 1а при наличии в системе
одной э. д. с. Еа)у то легко убедиться, что объединение системы не измениг контуры,
по которым замыкаются фазные токи. Следовательно, гю нулевому проводу сисгемы
должен проходить ток, равный векторной сумме фазных токов:
- io^A + lB^ic, ^64)
Нагрузка всех ipex фаз называется симметричной или равномерной, если сила тока
во всех фазах одинакова и равны сдвиги фаз между фазными напряжениями и токами,
а также полные сопротивления отдельных фаз нагрузки (т. е, равны комплексы этих
сопротивлений).
При симметричной нагрузке сумма векторов фазных токов образует замкнутый
треугольник. Следовательно, в этом случае ток в нулевом проводе / - 0. По этой причине
для заведомо симметричной трехфазной нагрузки пулевой провод не нужен. В часзности,
он не прокладывается для трехфазных двигателей.
При соединении звездой напряжения на зажимах фазных обмоток генератора и
фазах нагрузки называются фазными напрялсениями Щ {Ua, Vb, Vc на рис. 84). Но
в системе имеются также напряжения между линейными проводами, называемые
линейными или ме.ждуфазными напряжениями Un {Uab^ ^вс- ^'ca)' Положительные
направления фазных напряжений противоположны по отношению к приемнику, включенному
между линейными проводами (рис. 84). Следовательно, каждое из трех линейных
напряжений равно векторной разности соответствующих фазных напряжений:
Uab-Ua-Ub;
Ubc-Ub-Uc\ (^^)
Uca'-Uc—Ua.
Численные соотношения между линейными и фазными напряжениями в
симметричной системе легко определить на основании векторной диаграммы (рис. 85). За основу

86.
Соотношения между фаз-
*ными и линейными
напряжениями при соединении
звездой
87.
Осветительная нагрузка, соединенная по
схеме звезды с нулевым проводом (четы-
рехпроводная система):
1 — квартирные предохранители, 2 — домовые
предохранители, 3 — муфта, 4 — кабель
диаграммы можно взять три вектора фазных напряжений Оа, Ов и Ос. Углы между
ними равны 120°. Для построения вектора линейного напряжения Оав следует из Ua
вычесть йв, следовательно, нужно к Ua прибавить (— Ов). Последний равен Ов по
величине, но противоположен ему по направлению. Так же строятся Ubc и Оса . Так как
рассматриваемая система напряжений симметрична, то векторы фазных и линейных
напряжений образуют три равнобедренных треугольника с острыми углами по 30° и тупым
углом 120°. Опустив из вершины тупого угла любого из треугольников перпендикуляр
на противоположную сторону (рис. 86), можно найти, что
в трехфазной системе, соединенной по схеме звезда, линейные напряжения больше
фазных в V3 раз. При смешанной осветительной и силовой нагрузке линейное
напряжение 380 В подается на зажимы трехфазных двигателей, а фазное 220 В = 320/VT— на
осветительные приборы.
При соединении звездой токи в проводах линии передачи — линейные токи / равны
фазным, так как все части фазной цепи и линейные провода соединены
последовательно: /л = 1ф.
Осветительная нагрузка при соединении звездой включается между линейными
проводами и нулевым проводом (рис. 87). При осветительной нагрузке, которая часто
бывает несимметричной, нулевой провод необходим. При отсутствии нулевого провода
в зависимости от отношения сопротивлений фаз на одной фазе нагрузки напряжение
может быть ниже необходимого, а на другой слишком велико. По этой причине в
нулевом проводе магистрали запрещается устанавливать предохранители или
выключатели.

5.4
СОЕДИНЕНИЕ
ТРЕУГОЛЬНИКОМ
Несколько реже, чем соединение звездой, в трехфазных устройствах применяют
соединение треугольником (условное обозначение А).
При соединении треугольником (рис. 88) фазные обмотки генератора соединяются
последовательно, причем так, чтобы начало одной фазной обмотки соединялось с концом
предыдущей (Ас Z; В с X и С с Y). Положительные направления э. д. с. при таком
соединении направлены внутри треугольника фазных обмоток одинаково; следовательно,
внутри этого треугольника действует алгебраическая сумма мгновенных значений
фазных э. д. с. Но е^ + ед 4- ее = О и поэтому внутреннего уравнительного тока в обмотках
генератора не возникает*. Общие точки, созданные объединением двух зажимов
обмоток, соединяются с линейными проводами, к которым подключается нагрузка.
При объединении системы фазные токи сохраняют свои контуры, так как не
изменяются напряжения, действующие в системе и создающие эти токи. Следовательно, в
каждом из линейных (объединенных) проводов системы протекают два тока, положительные
* Тем не менее для генераторов соединение треугольником применяется редко, так как при
отступлении кривых э. д. с. от синусоиды сумма э. д. с. не будет равна нулю и внутри обмоток
генератора возникнет уравнительный ток.
88.
Образование соединения треугольником:
а — необъединенная трехфазная систем;! 6—объединенная
трехфазная система
89.
Векторная диаграмма
трехфазной системы, соединенной
треугольником (а), и
векторные соотношения между
фазными и линейными токами (б)

90.
Осветительная сеть, соединенная по схеме треугольника:
i — квартирные предохранители, 2 — домовые предохранители, 3 —
муфта, 4 — кабель
направления которых противоположны (см. рис. 88). На
основании сказанного ясно, что результируюи1ие токи в линейных
проводах равны векторной разности соответствующих фазных
токов:
Ia'^Iab — Ica ; Ib^^Ibc^Iab', Ic^Ica— ts .
(66)
В системе три фазных напряжения будут вместе с тем
линейными, поэтому как линейные, так и фазные токи, ими создавае-
! мые, обозначают двумя индексами узлов («начал» обмоток
генератора или фаз нагрузки).
, Три линейных напряжения Vab^ Ubc и Vca могут быть
исходным!! при построении векторной диаграммы системы (рис. 89, а). Углы между
ними равны 120 \ Векторы фазных токов 1ав. isc^ icA при симметричной нагрузке
сдвинуты по отношению к создающим их напряжениям на некоторый угол ф, значение
которого зависит от отношения реактивного и активного сопротивлений в нагрузке.
На основании соотношений (66), чтобы построить вектор линейного тока 1а , нужно
Yi 1ав прибавить (—1са)^ т. е. вектор, равный 1сл по величине, но противоположный ему
по направлению. На этом же основании определяются и два остальных линейных тока.
При симметричной нагрузке фазные токи по величине одинаковы: 1ав he "^ ^са =
^ /ф, и должны быть равны между собой линейные токи 1а ^ 1в = 1с ^ 1л-
На диаграмме векторы фазных и линейных токов образуют три равнобедренных
треугольника с острыми углами по 30° и тупым углом 120". В таком треугольнике,
опустив из вершины угла перпендикуляр на противолежащую сторону (рис. 89, 6\
найдем, что
112
/ф COS 30° =* /л/2 или /л "= VI/ф.
(67)
Следовательно, в трехфазной симметричной системе, соединенной треугольником,
фазные напряжения являются одновременно линейными: t/фд = С^лд, а линейные токи
больше фазных в VJ раз:
/лЛ"* \/5/фД .
Некоторым преимуществом соединения треугольником является то, что при
несимметричной нагрузке нет надобности прокладывать четвертый провод. На рис. 90
показана схема осветительной сети жилого дома при соединении фаз нагрузки
треугольником.
Трехфазная нагрузка подключается к трем проводам трехфазной сети, причем она
может быть соединена звездой или треугольником независимо от способа соединения
генератора, питающего сеть.

в ряде случаев целесообразно в зависимости, от условий работы нагрузки изменять
способ соединения — переключать со звезды на треугольник и обратно. Такое
переключение применяется для уменьшения пусковых токов трехфазных электродвигателей,
для изменения температуры трехфазных электрических печей, для изменения вторичных
напряжений трансформаторов.
При переключении со звезды на треугольник симметричной нагрузки, состоящей из
постоянных сопротивлений, сила линейного тока нагрузки увеличивается в три раза:
НО фазные токи возрастают только в V3 раз:
5.5
мощность
ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ
И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ
Мощность трехфазной системы Р являйся суммой фазных мощностей, а для каждой
из них справедливо основное выражение мощности переменного тока. Следовательно,
фазная мощность Рф ^^ Щ /ф cos ф и при симметричной нагрузке мощность трехфазного
устройства
;v p-з^^'^3t/ф^фсозф: (68)
Но в трехфазных установках в большинстве случаев приходится выража гь мощность
устройства не через фазные, а через линейные величины. Это легко сделать на основании
соотношений фазных и линейных величин, заменив в выражении мощности фазные
величины линейными. При соединении звездой (7ф ^1/л /V3; /ф = /л, а при соединении
треугольником ^/ф ^ t/л; /ф ^- ^л/^/з! После подстановки этих выражений в формулу (68)
получим одно и то же выражение для мощности трехфазной симметричной установки:
/^^'ЗС/ф/фСОЗф^ \/1(/л/лС05ф .
Хотя это выражение относится только к мощности симметричной системы, тем не
менее им можно руководствоваться в большинстве случаев, так как в промышленных
устройствах основная нагрузка редко бывает несимметричной.
Мы называли мощностью трехфазной системы ее активную мощность. Что касается
реактивной мощности Q, то в симметричной системе она, так же как и полная мощность,
выражается через линейные величины подобно активной мощности:
4? = 3Уф = 3(У,|,/ф sin Ф = \/3i/.,/, 81пф
и
5=-3^ф/ф=х/з'1/.,/;.. -1-13

I 91.
I Схема измерения
мощности в симметричной
трехфазной системе:
</ -при lociyimoit нулснои
|()чк-е, <7 — с искусственной
нулевой гочк'ой
92.
Схема измерения
мощности в трехфазной че-
тырехпроводной
системы (способ трех ватт- j
метров) I
93.
Схема измерения
мощности в трехфазной
трехпроволиой системе
(способ двух
ваттметров)
Простейшие условия измерения активной мощности трехфазной системы имеются
при нагрузке, соединенной по схеме «звезда» с доступной нулевой точкой. В этом случае
для измерения мощности одной фазы цепь тока ваттметра соединяют последовательно
с одной из фаз нагрузки (рис. 91, а), а цепь напряжения включают под напряжение той
фазы нагрузки, в которую включена цепь тока ваттметра, т. е. зажимы цепи напряжения
ваттметра присоединяются один к линейному проводу, а второй к нулевой точке
нагрузки. В подобных условиях измеренная мощность
Рп»== 1% = (/фЛ|, COS ф ,
а мощность нагрузки
/^=* ЗЛи'^ 3(/ф/ф COS <р.
Часто нулевая точка недоступна или нагрузка соединена по схеме треугольника.
Тогда применяется измерение с помощью искусственной нулевой точки (рис. 91,5).
Такая точка (точнее узел) составляется из сопротивления цепи напряжения
ваттметра Гвт. н и двух равных ему добавочных сопротивлений. При таком соединении цепь
напряжения ваттметра находится под фазным напряжением, а через цепь тока прибора
проходит фазный ток. Следовательно, и при таком измерении
.^:,/ ,., в-ЪР^^ ^
Для измерения мощности в четырехпроводной установке (т. е. установке с нулевым
проводом) при несимметричной нагрузке применяют способ трех ваттметров (рис. 92).
В такой установке каждый из вЕаттметров показывает мощность одной фазы, а
мощность установки определяется как сумма мощностей, измеренных тремя ваттметрами:
• р--Ру:УР7-^Рг.
в трехпроводных сетях при несимметричной нагрузке мощность измеряют способом
двух ваттметров.

Если включить два ваттметра в трехпроводную систему постоянного тока (рис. 93),
то они будут измерять мощность всей установки. При этом не имеет значения, каковы
напряжения отдельных цепей, объединенных в трехпроводную систему. Если вместо
постоянных тока и напряжения рассматривать мгновенные значения напряжений и токов
трехфазной системы, то в таких условиях ваттметры будут показывать средние значения
мгновенных мощностей, т. е. активные мощности. Но следует иметь в виду, что хотя
Р = Pi '\- ^2» мощность системы равна сумме показаний двух ваттметров, но эта сумма
алгебраическая, т. е. показание одного из ваттметров может быть отрицательным —
стрелка одного из ваттметров может отклоняться в обратную сторону, за нуль шкалы.
Чтобы отсчитать в таких условиях показание ваттметра, нужно переключить (пунктир
на рис. 93) зажимы цепи напряжения. Показания прибора после такого переключения
следует считать отрицательными.
5. 6
РАСЧЕТ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ
ПРИ CHMMLTPHMHOI^
НАГРУЗКЕ
Нагрузка трехфазной цепи в большинстве случаев симметрична или близка к
симметричной. Исключением являются осветительные сети и специальные однофазные
установки.
При симметричной нагрузке расчет токов и частичных напряжений выполняется для
одной фазы. При нагрузке, соединенной звездой, фазное сопротивление которой 2ф
(рис. 94, а), по закону Ома фазный ток
'Ф ~ -7
Zф у/32ф
94. 95.
Схемы симметричной нагрузки Топографическая диаграмма трехфазной
трехфазной системы при соеди- системы; смещение нейтрали при изменении
"^"ии: сопротивления одной фазы
а ~ звездой, 6 - ipcyro.ibHMKosi
115

Если же нагрузка соеди}1ена треугольником (рис. 94, б\ то фазное напряжение равно
линейному, поэтому
а линейный ток
■ / Л/ ' ^^'-^ .
/.ill
Для трехфазных цепей часто удобно находи 1ь распределение напряжений между
фазами нагрузки на основании топографической диаграммы цепи. Это векюрная диа>
грамма напряжений, в которой определенным точкам цепи соответствуют определенные
точки диаграммы. В ней напряжение между двумя точками цепи изображается вектором,
соединяющим их.
При посгроении топографической диагра^ммы трехфазной системы можно в качестве
опорной (исходной) точки диаграммы взять нулевую точку генератора О — нейтраль.
Из этой точки строятся три вектора фазных напряжений 1енератора Ua. Vb и С)с (рис. 95).
Концы этих векторов — точки А^ В, С определяют комплексный потенциал проводов
А, В, С, т. е. напряжения этих проводов по отношению к нейтрали. Три вектора
линейных напряжений генератора Оаи, Овс\ (Jca изображаются прямыми, соединяющими
между собой точки А, В, С Векторы (Ja и Ub направлены в разные стороны, следовате;н>-
но, прямая, соединяющая их концы, изображает их разность Ua — On " (Jab и т. д. Три
вектора линейных напряжений генератора образуют треугольник, в цетре которого
находится нейтраль 0. Когда нулевые точки генератора и нагрузки О и О' соединены
нулевым проводом, сопротивлением когорого можно пренебречь, эти точки совмещаюгся
в точке 0.
При симметричной нагрузке нулевой провод можно удалить и это не вызовег
изменения положения нулевой точки нагрузки. Но при отсутствии нулевого провода фазные
напряжения нагрузки уже не определяются фазными напряжениями генератора, так как
на нагрузку непосредственно воздействуют лишь линейные напряжения генератора.
Вследствие этого несимметрия нагрузки, соединенгюй звездой, вызывает несимметрию
фазных напряжений и возникновение напряжения между нулевыми точками lenepaTopa
и нагрузки О'. Эю — напряжение смещения нейтрали. В топографической диаграмме
нулевая точка О' соответственно смещается из центра треугольника линейных
напряжений.
В простейшем случае, когда двумя фазами звезды нагрузки являются два одинаковых
активных резистора г^ и г^^.ю обрыв в третьей фазе А уменьшает фазные напряжения
фаз В и С JXO значения IJnfl, так как сопротивления rg и Гс оказываются соединенными
последовательно по отношению к линейному напряжению Vbc ^" (/л • В диаграмме
точка О' смещается на середину стороны ВС треугольника. Короткое замыкание в фазе А
нагрузки увеличивает фазные напряжения до величины линейных, а точка О' смещается
в точку А,
Эта точка О' при наличии в одной фазе нагрузки индуктивности, а во второй емкое! и
может находиться далеко за пределами треугольника напряжений.

Контрольные вопросы
1. Для чего необходимо заземление нулевого провода в трехпроводной системе?
2. Под какими углами располагаются оси фазных обмоток статора трехфазного генератора?
3. Чему равна алгебраическая сумма мгновенных значений линейных токов трехфазной
системы?
4. Каковы соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами при соединении
симметричной системы по схеме звезды?
5. Каковы соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами при
соединении симметричной системы по схеме треугольника?
6. Как изменятся фазные напряжения в трехфазной симметричной системе, соединенной по
схеме звезды, без нулевого провода при коротком замыкании зажимов одной фазы нагрузки?
7. Как изменяется линейный и фазный токи, если симметричную нагрузку, соединенную по схеме
звезды, переключать на соединение по схеме треугольника?
8. Для какого вида нагрузки применяется трехфазная четырехпроводная система?
9. По какой схеме соединена домовая осветительная сеть, если после перегорания одного
линейного предохранителя в большей части сети лампы оказываются под пониженным
напряжением, а в части сети они продолжают гореть нормально?
10. Какой простейший способ измерения мощности можно применить в трехфазной
симметричной системе без доступной нулевой точки?
И. При каком сдвиге фазы в нагрузке в трехфазной симметричной системе два ваттметра,
включенные согласно способу двух ваттметров, показывают одинаковые значения?

Глова
ТРАНСФОРМАТОРЫ

6.t
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
и УСТРОЙСТВО
ТРАНСФОРМАТОРА
Электростанции в большей своей части строятся вблизи природных источников
энергии: залежей горючих ископаемых (уголь, горючие сланцы, торф) или водных
потоков, в результате часто станции располагаются далеко от главных потребителей
электроэнергии — городов и промышленных предприятий. Экономичная передача больших
количеств электроэнергии на дальние расстояния возможна только при весьма высоком
напряжении (не ниже 100 кВ), так как при более низком напряжении нужны большие токи
и для экономичной передачи потребуются провода таких больших сечений, что их
практически невозможно осуществить. Но генераторы переменного тока, устанавливаемые
на электрических станциях, обычно выполняют на напряжение 6 кВ и весьма
затруднительно изготовить их на напряжение, превышающее 20 кВ. По этой причине высокое
напряжение, необходимое для линий передач, дают трансформаторы. Впервые
трансформатор был применен для технических целей П. Н. Яблочковым в 1876 г.
Трансформатором называется статический (без движущихся частей)
электромагнитный аппарат, посредством которого переменный ток одного напряжения преобразуется
Б переменный ток той же частоты другого напряжения. В трансформаторе используется
явление взаимоиндукции. Он имеет не менее двух обмоток, которые пронизывают обший
магнитный поток. Обмотки трансформатора должны быть изолированы одна от другой.
Для усиления общего магнитного потока (улучшения магнитной связи) обмотки
выполняются с общим замкнутым сердечником — магнитЪпроводом (рис. 96), изготовленным
из листовой электротехнической стали. Листы этой стали изолированы друг от друга
лаком или посредством специальной металлургической обработки их поверхностей.
Сердечник отсутствует в воздушных трансформаторах, предназначенных для переменных
токов высокой частоты (примерно свыше 20 кГц), так как при подобных частотах в
ферромагнитном сердечнике весь магнитный поток вытесняется к поверхности вследствие
поверхностного эффекта. Для большой наглядности на рис. 96 обмотки трансформатора
расположены рядом. В действительности одна обмотка охватывает другую для того,
чтобы как можно меньше магнитных линий замыкалось вокруг витков только одной
катушки, образуя магнитные потоки рассеяния, тем самым улучшается магнитная связь
между обмотками. Обмотка, получающая электрическую энергию от какого-либо
источника этой энергии, называется первичной Wj. Соответственно все величины, относящиеся
к этой обмотке (напряжение, ток, мощность), именуются первичными и буквенные
обозначения этих величин снабжаются подстрочным индексом 1, например V^, /i, Р^.
Вторичной называется обмотка W2, отдающая какой-либо нагрузке электроэнергию,
переданную ей первичной обмоткой посредством общего магнитного потока. Соответственно

96.
Схема устройства олиофазного
трансформатора с сердечником
из электротехнической стали
97.
Условные графические
обозначения трансформаторов:
однофазного (I, 2, 3) и трехфазного
(4 > 6)
все вторичные величины обозначаются U2, /г» ^i- Обмотка, соединенная с сетью более
высокого напряжения, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а вторая —
обмоткой низшего напряжения (НН).
В зависимости от системы питания переменным током трансформаторы
изготовляют однофазными и трехфазными. Первичной или вторичной обмоткой трехфазного
трансформатора называется совокупность его трелфазных обмоток одного напряжения.
Так как рабочие процессы однофазного трансформатора и одной фазы трехфазног о т ранс-
форматора практически одинаковы, то для облегчения будем рассматривать процессы
и соотношения в однофазном двухобмоточном трансформаторе, а особенности условий
в трехфазном трансформаторе изложены в специальном.параграфе.
Если первичное напряжение Ux трансформатора выше, чем его вторичное
напряжение и 2, ТО он работает в режиме понижающего трансформатора; если же U 2> V \, то
это режим повышающего трансформатора.
Основные условные графические обозначения однофазных и трехфазных
трансформаторов показаны на рис. 97.
Простейшим режимом трансформатора является холостой ход. Этот режим имеет
место, когда цепь вторичной обмотки разомкнута, а на зажимы первичной обмотки
подано номинальное напряжение. Если первичное напряжение синусоидально, то его
мгновенное значение и^ ^- и^^п^тоя. Оно создает ток /^ в первичной обмотке, который
возбуждает в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Изменения потока индуктирую! в
первичной обмотке э. д. с, мгновенное значение которой согласно закону элеклромаг-
нитной индукции будет:
ДФ
^'\
И-,
Л^
120
Нельзя эту э. д. с. выражать через индуктивность Lh изменения тока ~
тивность обмотки со стальным сердечником непостоянна.
так как индук-

Ток в первичной обмотке создается совместным действием напряжения «i и э. д. с. г,,
следовательно, мгновенное значение этого тока будет:
_ м,+ ^1
'""'" гГ
на основании чего напряжение
Активное падение напряжения в обмотке трансформатора относительно мало и при
изучении характера процесса, т. е. качественной его стороны i^r^ можно пренебречь и
считать Ml ^ —бх --== ^i^- Предположим, что поток изменяется синусоидально, т. е.
Ф= 0/«sin со/,
тогда
ЛФ ^ Asino/
А^ А/
Выше было показано, что скорость изменения синусоидальной функции во времени тоже
синусоида, умноженная на угловую скорость w и опережающая по фазе исходную на
четверть периода, т. е.
Asin со/ . / , л ч
== o)sm (o)/-f- у ).
А/ *-
Следовательно, при синусоидальном изменении потока индуктируемая им в первичной
обмотке э. д. с. будет:
с, =- Q)H-,o,„sin (o3/-f-f ) = сои,ф,„ь1п (со/-~). (59)
Напряжение
U]^—e]= о>и*,Фт81п (со/+у).
Таким образом, синусоидально изменяющийся поток в сердечнике трансформатора
создается синусоидальным напряжением, приложенным к зажимам первичной обмотки
трансформатора. Этот поток индуктирует в обмотке э. д. с, отстающую от него по фазе
на четверть периода (—-).
В уравнении э. д. с. (69) только $т(ш —) изменяется во время периода.
Максимальное значение синуса 1. Следовательно, максимальное значение э. д. с. будет:
Е1 ш = (О И', Фш = 2nfw, Фш,
а действующее значение э. д. с,
,. Е \т 2п
121

то уравнение индуктированной э. д. с. будет:
/й'=4,44/и',Ф„,. , (70)
Но этот же поток пронизывает и вторичную обмотку,
индуктируя в ней э. д. с.
По тем же соображениям, как и для первичной обмотки,
определяется действующее значение вторичной э. д. с.
Эмерюшчсская ли<1Г-
рамма фамсформа- К2-АМ/\г^Ф^,. • (71)
юра •••• • *■ '.-i;/ ;"-"^
Уравнения трансформа! орных э. д. с. (70) и (71) являются важнейшими при всех
расчетах трансформаторов. Отношение этих э. д. с. как мгновенных, так и действующих
значений равно отношению числа витков обмоток. Оно называется коэффициентом
трансформации
Этот коэффициент определяется при помощи опыта холостого хода путем
измерения первичного (7i и вторичного С/зо напряжений. Так как цепь вторичной обмотки
разомкнута, то вторичное напряжение С/зо ^i- Первичное напряжение (У, больше, чем
э. д. с. £i, из-за падения напряжения в полном сопротивлении первичной обмотки,
вызываемого током холостого хода /ю- Но этот ток относительно мал и поэтому
практически и^ Ej. Следовательно, коэффициент трансформации к^п ^ ^il^io-
Одним из важнейших достоинств трансформатора является его высбкий к. п. д.
У больпшх трансформаторов при полной нагрузке он превышает 99%, в среднем его
можно считать примерно равным 98%. К. п. д. существенно понижается лишь у малых
трансформаторов, а у больших — при малой нагрузке. Это позволяет приближенно,
пренебрегая внутренними потерями трансформатора, считать, что при его нагрузке
его полная первичная мощность равна вторичной полной мощности: 5, ^ t/i/j S2
= U2I2' Приближенно U1IU2 = Wi/w2 ^^12^ следовательно, Iillz = ^2/^^! I//C12. При
повышении номинального напряжения уменьшается номинальная сила тока и, обратно,
низкому напряжению соответствует большая сила тока.
Общую картину распределения активных мощностей в трансформаторе показывает
его энергетическая диаграмма (рис. 98). К первичной обмотке подводится мощность
Pi ^ UJiCOSipi, Часть ее Рnpi "= ^f''i затрачивается на нагревание проводников
первичной обмотки, в сердечнике трансформатора возникают потери энергии на гистерезисы
и вихревые токи, на что затрачивается мощность Яс. При помощи магнитного потока
во вторичную обмотку передается мощность

Но во вторичной обмотке энергия также теряется на нагревание проводов, на что
затрачивается еще некоторая мощность Р„р2 = 1\г2. Таким образом, во вторичную цепь
передается мощность
На диаграмме для наглядности мощности внутренних потерь трансформатора
относительно сильно преувеличены. В реальном нагруженном трансформаторе они
ориентировочно составляют только 2%. При замыкании вторичной цепи трансформатора на
некоторую нагрузку э. д. с. £"2? индуктированная во вторичной обмотке, создает во
вторичной цепи электрический ток /2. Этот ток, обтекая вторичную обмотку, стремится
возбудить в сердечнике трансформатора магнитный поток. Последний согласно принципу
Ленца должен быть противоположен по направлению главному потоку,
индуктирующему э. д. с. £2- Иными словами, вторичный ток своей намагничивающей силой
стремится ослабить главный магнитный поток. Но уменьшение этого потока нарушило бы
электрическое равновесие (7, « £"i на стороне первичной обмотки, так как э. д. с.
£i ^ 4,44/wiO;„ прямо пропорциональна главному потоку. Можно сказать, что
воздействие вторичного тока уменьшает эквивалентное полное сопротивление со стороны
первичной обмотки. По этой причине одновременно с возникновением вторичного тока
первичный ток увеличивается настолько, чтобы компенсировать размагничивающее
действие вторичного тока и таким путем поддержать электрическое равновесие С/j « Е^,
Следовательно, всякое изменение вторичного тока вызывает соответствующее
изменение первичного тока. Во вторичной цепи при помощи тока /2 нагрузке передается
некоторая мощность. Примерно такая же дополнительная мощность отбирается из сети
при увеличении первичного тока.
Со стороны первичной цепи трансформатор является потребителем электроэнергии,
а со стороны вторичной цепи — ее источником. В соответствии с этим
индуктированная э. д. с. El подобна э. д. с. самоиндукции, а э. д. с. £"2 — это э. д. с. источника
электроэнергии.
6.2
ПОТЕРИ ВСТАЛИ
ПРИ ПЕРЕМЕННОМ
НАМАГНИЧИВАНИИ
Потери в стали сердечника трансформатора складываются из потерь от гистерезиса
и потерь от вихревых токов.
Потери от гистерезиса можно сравнить с потерями на трение — под воздействием
переменного магнитного поля магнитные домены, подобные миниатюрным магнитам,
должны изменять свое направление, преодолевая силы внут{)еннего сцепления в
ферромагнетике. Чем тверже ферромагнетик, тем больше потери на гистерезис. Эти потери за
один цикл перемагничивания пропорциональны площади петли гистерезиса материала.
В общем виде мощность этих потерь выражается формулой
i^-KjB!;,G. -123

где Кг — гистерезисный коэффициент, значение которого зависит от сорта стали; / —
частота переменного тока; Вт — амплитуда магнитной индукции; G — масса сердечника.
Значение показателя степени можно считать п =--^ 2 при Вт>\Т w и - 1,6 при Вт <\Т.
Потери от вихревых токов определяются ориентировочно на основании
приближенного расчета мощности, развиваемой токами. Э. д. с, индуктируемую в стали
переменным магнитным потоком, можно выразить через уравнение трансформаторной э. д. с,
так как масса металла подобна некоторому короткозамкнутому витку, следовательно.
/:. = 4,44 ./Ф., =--4,44 .AVh/^.,.
здесь Sb — площадь, охватываемая этим витком и пронизывае\4ая потоком. Чем эта
площадь больше, тем больше вихревые токи, создаваемые индуктируемой э. д. с.
Мощность гютерь в контуре подобного вихревого тока
где g — активная проводимость этого контура. Расче! такой мощности представляет
собой существенные трудности, но для качественной оценки потерь существенно ;шшь
го, что проводимость g пропорциональна удельной проводимости у стали и В]„, Таким
образом, мощность потерь от вихревых токов можно выразить следующим образом:
где Кв — коэффициент вихревых токов, значение которого зависит от сорта ciали и
толщины листа стали.
Амплитуда магнитной индукции Вт в современных трансформаторах, как и в
сердечниках большинства машин переменного тока, больше IT. Следовательно, как потери
от вихревых токов, так и потери от гистерезиса в них прогюрциональны Bli и (ЗвВтУ Фт.
Таким образом, суммарные потери в стали сердечника пропорциональны квадрату гю-
тока, а потери в проводниках обмотки — квадрату тока.
Практически при расчетах определяют ся суммарные потери в стали с помощью
справочных таблиц. Например, потери в стали Э41 —0,35 (при толщине листа 0,35 мм) при
амплитуде индукции Вт^ ^Т сосгавляют 1,3 Вт кг, а при Вт - 1,5 Т они будут уже
3 Вт/кг.
6.3
РАСЧЕТ ТОКА
ХОЛОСТОГО ХОДА
При заданном сечении сердечника Sc, используя уравнение трансформаторной э. д. с,
можно приближег*шо определить число витков обмотки, так как потеря напряжения /,Z,
в ней относительно мала
: Wr^
ЛМК.Вт
(73)
Магнитная иг1дукция Вт выбирается на основании магнитной характеристики материала
сердечника обычно в пределах \Т— 1,5 Т.

Ток холостого хода трансформатора существенно отел ума-
ei от синусоидальной формы кривой, что вызывается влиянием
гисгсрезиса и нелинейностью зависимости мгновенной
индукции В от мгновенной напряженности /У. Из-за влияния
гистерезиса нама! ничиваюншй ток проходит через нулевое значение
раньше, чем возбчждаемый им магнитный поюк.
Но при расчетах намагничивающих токов в больп1инсгве
сл\чаев лонусгнма замена дейсгвительного несинусоидалыю! о
намагничивающего тока эквивалентным синусоидальным то-
к:ом. Условием эквивалентности синусоидального и несинусои-
лального памагничиваюнщх токов является равенство
действующих значений этих токов и равенс!во вызываемых ими по-
гсрь. Такая замена дает возможность изобразигь намапн1чи-
ваюнн^й ток трансформатора вектором /,о, опережающим вектор Фт магнитного
потока в ста.ти на уюл э{, называемый углом магнитного запаздывания (рис. 99). Заметим,
что на векторных диаграммах обычно изображаются векторы амплитудных значений
Ф^. Пт. Ит- Эт и же значения обычно входят в Mai нитные расчет ы. Понят не действующего
значения для этих ма1 нитных величин не имеет физического смысла, так как нет
возможности сопоставлять их действие с действием постоянного магниттюго поля. Тем не менее
иногда в технической литературе упоминается действующее значение Mai нитного потока,
определяемое формально как Ф = Фт/>/27^
Ток холостого хода, поддерживающего магнитный поток в сердечнике
трансформатора, можно рассматривать как составляюпшйся из собственно намагничивающею
тока /р, совпадающею по фазе с потоком в сердечнике, и активного тока /а, обус.товлен-
ного потерями в стали и опережающего /р на 90 (см. рис. 99). Так как сдви! фаз между
этими составляюнщми равен 90 , то
/,0= V^Twt
У большинства трансформаторов активный ток потерь в сердечнике 1и < 0,1 /р,
поэтому, если нужно только определить приближен1ю значение /,о, то можно 1л пренебречь
и считать /i„==/p. Намагничивающий ток /р рассчитывается ориентировочно так же,
как при расчете магнитной цепи постоянного тока: на основании выбранного
значения Вт по кривой нама! ничивания стали или по справочным намагничивания сгали
или по справочным таблицам определяется //;„. Если магнитная цепь трансформатора
неоднородна (состоит из участков различного сечения и имеет стыки), то расчет ведется
для каждого из участков. Затем, руководствуясь законом полного тока, можно
определи гь действующее значение нама! пичивающею тока по фс^рмупе
Г/У, к/к
km \
Если нужно определить активную составляющую /,о, обусловленную потерями в
стали, то по таблицам для выбранною значения в,„ нужно найти удельные поiери в
стали Ро). Затем подсчитать массу сердечника (/ (если она неизвестна), на основании обт>ема 125

IcpSc ^ P (здесь /cp I/к — средняя длина магнитной линии) и плотность стали Уст;
масса G ^Ус,/ср5с. Таким образом, мощность потерь в стали Pc = PcoG. Активная
составляющая тока, обусловленная потерями в стали, будет:
6.4
МАГНИТНЫЕ ПОТОКИ
РАССЕЯНИЯ
Потоком рассеяния в трансформаторе называется машишый поток, проходящий
в основном по немагнитной среде и сцепленный только с той обмоткой,
намагничивающая сила (/н) которой его возбуждает. Магнитная проницаемость неферромагнитных
материалов практически равна магнитной постоянной Ма = Ио. Она во много раз меньше
магнитной проницаемости стали ц магнитопровода (в среднем примерно в 7000 раз).
Но тем не менее эти величины соизмеримы. Кроме того, длина линий магнитного потока
рассеяния, замыкающегося помимо стали, может быть значительно меньше, что
соответственно понижает магнитное сопротивление. Таким образом, при холостом ходе
трансформатора поток, сцепленный с первичной обмоткой, складывается из потока Фт
в стали магнитопровода и относительно небольшого потока рассеяния Фр1 (рис. 100),
сцепляющегося только с первичной обмоткой.
Величина потока рассеяния согласно закону Ома для магнитной цепи определяется
магнитным сопротивлением Ям.р на пути этого потока:
ФР1 ="
Магнитное сопротивление Км.р постоянно, так как оно пропорционально цо и
геометрическим параметрам устройства. Следовательно, мгновенные значения потока рассеяния
пропорциональны мгновенным значениям тока, его возбуждающего: Фр1 = const /j,
т. е. поток рассеяния по фазе совпадает с током i,. В этом существенное отличие потока
рассеяния от потока сердечника, который не совпадает по фазе с намагничивающим
током.
В соответствии с такими фазовыми условиями вектор потока рассеяния должен
совпадать по направлению с вектором тока /,о, его возбуждающего.
Условно можно считать, что все магнитные линии потока рассеяния сцепляются
со всеми витками обмотки, ток которой возбуждает этот поток. Поэтому потокосцеп-
100.
Магнитные потоки
рассеяния

101.
Векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе
ление рассеяния \|/pi^- WiOpi. Потокосцепление рассеяния
прямо пропорционально току, а коэффициент пропорциональности
между током и потокосцеплением есть индуктивность. В
трансформаторе — это индуктивность рассеяния, в частности
индуктивность рассеяния первичной обмотки Li = \^^ .
Поток рассеяния Фr^ индуктирует в первичной обмотке
э. д. с, действующее значение которой при холостом ходе
будет:
или в векторной форме, учитывая относительные сдвиги фаз,
— £ р I — /1 о/Л* I -»
здесь Xi ^ 0J Li — индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки.
Используя эти уточняющие понятия, следует считать, что ток в первичной обмотке
трансформатора создается совместным действием первичного напряжения и^ и двух
Э. д. с: одной е,, индуктируемой потоком в стали, и второй вр,, индуктируемой потоком
рассеяния. Следовательно, первичный ток (мгновенное значение)
и^-Ь etir ер\-
или первичное напряжение
''?Va. . А
От этого алгебраического уравнения мгновенных значений синусоидальных величин
переходим к их векторной сумме
,//,-(-£,)-h(-£p,j,+ /,ort. :
Заменив —£р, =- /Ю/х,, получим
Величина (г, { /y,) Z, называется полным внутренним сопротивлением обмотки.
Ее модуль Z, • Vr^ i л'^.
Пользуясь вышеприведенными соотношениями, строим векторную диаграмму
трансформатора при холостом ходе (рис. 101). В качестве исходного вектора такой
диаграммы целесообразно принять вектор магнитного потока в стали Фт. По отношению
к нему вектор тока холостого хода /,о сдвинут по фазе в сторону опережения на угол
магнитного запаздывания а. Этот ток складывается из собственно намагничивающего
тока /pj, совпадающего по фазе с Фт, и активного тока потерь в стали /ai,
опережающего по фазе /р1 на 90°. По отношению к Фт векторы э. д. с. £i, Е2, индуктируемых им 127

в первичной и вторичной обмотках, отстают на 90\ Вектор Ер, отстает на 90 от
индуктирующего- его потока Фр1, а следовательно, и от вектора тока /,о, возбуждающего
этот поток.
На основании формулы (75) определяем Ui как векюрную сумму. Начинаем с
вектора (—£"i), равного по величине и противоположного Ej. Этот вектор представляег собой
ту час1ь напряжения (7j, которая уравновешивает э. д. с, индуктируемую в первичной
обмотке потоком в сердечнике. К вектору (—Ei) прибавляем вектор /юГ^ активного
падения в первичной обмотке, а затем вектор /iq/Xj, равный по величине и
противоположный по фазе £р1, а следовательно, образующий с /ю'*! угол 90^. Построенный таким
образом вектор первичного напряжения t/j опережает вектор тока /^ на угол ф,.
Вектор /lo-i является гипотенузой треугольника внутренних падений напряжения в
первичной обмотке — это полное падение напряжения в первичной обмотке. На диаграмме для
наглядности он и его составляющие относительно сильно увеличены. В реальных
трансформаторах при холостом ходе это падение напряжения не превышает 0,5% от С/,.
6.5
НАПРЯЖЕНИЯ»
НАМАГНИЧИВАЮЩИЕ СИЛЫ
И ТОКИ В НАГРУЖЕННОМ
ТРАНСФОРМАТОРЕ
В уравнении первичного напряжения при нагрузке изменяются значения отдельных
составляющих напряжения:
f/:,-!-£,) + /•, г,. '
с ростом силы тока /j возрастает внутреннее падение напряжения 1^ z^ и,
следовательно, при неизменном напряжении Uj уменьшайся (—Ei). Этой составляющей
пропорционален поток в стали Фт, так как Ei ^ 4,44/wjOw. Но даже при полной нагрузке
внутреннее падение напряжения /i 2j у современных трансформаторов составляет не более
нескольких процентов от 17J. Следовательно, в большинстве случаев можно считать, что £",,
а вместе с ней и поток в стали Фш не зависят от нагрузки; изменения вторичной силы тока
вызывают соответствующие изменения первичной силы тока, но практически не влияют
на амплитуду магнитного потока в стали — основного потока трансформатора. Это
постоянство изменений потока характерно для работы силового трансформатора, на
первичных зажимах которого поддерживается неизменным напряжение (У,.
Нагрузка трансформатора создается некоторым сопротивлением Zh, замыкающим
цепь вторичной обмотки (рис. 102). В этих условиях э. д. с. Е2 создает во вторичной
цепи ток 72- Совместное действие намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток
возбуждает основной магнитный поток в стали трансформатора (его амплитуда Фт).
Но так как можно считать этот поток постоянным, то намагничивающая сила,
возбуждающая его, должна быть тоже постоянной. Следовательно, эта намагничивающая сила,
поддерживающая поток, должна быть равна намагничивающей силе тока холостого
хода /lo^i- На основании этих соотношений уравнение намагничивающих сил
трансформатора будет:
(76)

Намагничивающая сила первичной обмотки уравновешивает
размагничивающее действие намагничивающей силы
вторичной обмотки (—/2^2) и поддерживает, магнитный поток в
сердечнике.
Уравнение намагничивающей силы (77) легко преобразо- -|02.
вать в уравнение токов, разделив его на vvi: Схема 1рансформа-
юра, замкиуюго на
>v
I-л
Величина 11 = —/2^ называется приведенным вторичным током. Это — часть
первичного тока, уравновешивающая размагничивающее действие вторичного тока.
Первичный ток представляет собой векторную сумму приведенного вторичного тока
и тока холостого хода.
С увеличением нагрузки растет вторичный ток, а ток /ю не меняется. При полной
нагрузке /ю составляет лишь несколько процентов от /j, и если им пренебречь, то по
величине /1=^/2^» на основании чего Iill2 = ^= ^1^\2 — соотношение, которое мы
уже получили выше, пренебрегая потерями в трансформаторе.
Вторичная обмотка также обладает внутренним сопротивлением Z2, которое
складывается из активного сопротивления проводов обмотки Г2 и индуктивного
сопротивления вторичного рассеяния JC2. Вторичный поток рассеяния возникает вследствие того,
что часть потока, возбуждаемого намагничивающую силу вторичного тока, замыкается
помимо первичной обмотки в неферромагнитных материалах. Упомянутая
намагничивающая сила стремится возбудить два потока: поток в стали и поток вторичного
рассеяния. Первый из них компенсируется соответствующим увеличением намагничивающей
силы первичного тока, но сохраняется поток вторичного рассеяния Фр2 (см. рис. 100).
Он индуктирует э. д. с. рассеяния Ер2, что учитывается в расчетах постоянной
величиной л:2, т. е. (£) = /2^2- Следовательно, ток Ij = -—-^\ а так как /2^2 =1^2 — напряже-
нию на, зажимах вторичной обмотки, то
или вторичное напряжение
Это уравнение подобно уравнению напряжения на зажимах источника электроэнергии.
С увеличением мощности трансформаторов (при неизменных номинальных
напряжениях) г, и Г2 уменьшаются относительно jc, и JC2. Увеличение сечения проводника
обмоток уменьшает их активное сопротивление. В то же время индуктивность мало
уменьшается, так как она зависит, главным образом, от длины, а не от сечения проводов. По этой
причине у больших и средних трансформаторюв можно считать, что полное внутреннее
сопротивление их обмоток является чисто индуктивным, создаваемым потоками
рассеяния.

6.6
ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА
НАГРУЖЕННОГО
ТРАНСФОРМАТОРА
Внутренние соотношения напряжений и токов в нагруженном трансформаторе
наглядно показывают его векторные диаграммы. Как и в случае холостого хода векторную
диаграмму нагруженного трансформатора целесообразно начинать с вектора основного
магнитного потока Фт (рис. 103, а). По отношению к Фт вектор /ю опережает его на
угол а. Вектор э. д. с. £2» индуктируемый основным потоком, отстает от него на 90"".
Сдвиг фаз \^2 между этой э. д. с. и током /г зависит от отношения реактивных п активных
сопротивлений вторичной цепи. Если нагрузка Zu складывается из активного
сопротивления г„ и индуктивного jc„, что имеет место в большинстве случаев, то tgV2 " ^^ ^ ^".
Построив под углом \|/2 вектор тока /2, нужно затем определить вектор вторичного
напряжения и2 = Ё2 — /2 Z2' Следовательно, нужно вычесть из £2 векторы /2 г2 и iiJX2.
Чтобы вычесть /2/л:2> опускаем из конца вектора £2 перпендикуляр на направление /2
и на этом перпендикуляре от конца £2 откладываем величину /2^:2- Ее вектор направлен
навстречу £2. Затем, чтобы вычесть /2Г2, проводим через начало I2JX2 прямую,
параллельную /з и на ней откладываем значение /2Г2. Векторы /2''2 и /2^:2 являются катетами
треугольника внутренних падений напряжений вторичной обмотки. Гипотенуза этого
130
103.
Векторная диаграмма грансформа-
юра:
,1- при акчивно-имлу к I ИННОЙ нагрузке, о - при
cMKociHoM iiai р\ iKc

треугольника — 12 г^- Соединив начало координат с началом /г ^2, получаем вектор
вторичного напряжения U^-
На основании уравнения токов (78), чтобы построить bcktoj^ первичного тока /,,
нужно сначала построить вектор 1'^ — приведенного вторичного тока. Он
противоположен по направлению вектору /г- Складывая геометрически /ю и /з, находим:
Вектор t/j строим в общем так же, как его строили на диаграмме холостого хода:
Вектор (—£",) строим в сторону опережения под углом 90° к Ф^- К нему прибавляем
вектор /,г,, параллельный /i, и вектор /Jxi, опережающий 1^ на 90". Гипотенузой
треугольника внутренних падений напряжения служит вектор l\Z^, Соединив его конец с
началом координат, получаем вектор первичного напряжения Uj. Сдвиг фаз Ф1 между
первичными напряжением и током будет больше, чем сдвиг фаз ф2 в цепи нагрузки. Это
результат влияния индуктивного намагничивающего тока /ю и внутренних индуктивных
сопротивлений двух обмоток трансформатора.
Если во вторичной цепи трансформатора сдвиг фаз емкостный, при котором
вторичный ток /2 опережает напряжение IJ2-> то хотя порядок построения векторной диаграммы
остается тем же, но общий вид ее заметно изменяется. Из-за емкостной нагрузки ток
опережает по фазе э. д. с. £2 на угол Ф2 == arctg ^" Т^^-
Из ряда особенностей такой диаг|>аммы (рис, 103, б) отметим, что в ней С/2 может
быть больше £2 из-за того, что емкостное сопротивление нагрузки в некоторой степени
компенсируется индуктивным сопротивлением вторичного рассеяния.
Векторные диаграммы трансформатора обычно изображают не количественную,
а качественную сторону явлений в трансформаторе, В них для наглядности приходится
очень сильно преувеличивать внутренние падения напряжения и ток холостого хода.
В реальном трансформаторе падения напряжения не превышают нескольких процентов
от первичного и вторичного напряжений.
Отношение первичного и вторичного напряжений обычно достаточно велико
(например, 6000 и 220 В), вследствие чего затруднительно изобразить на векторной диа- ^
грамме величины первичных и вторичных напряжений и токов в одном и том же
масштабе. По этой причине векторные диаграммы обычно строят для приведенного
трансформатора, у которого Wt ^ W2 и, следовательно, К^2 = Ь кроме того, здесь Еу = Е2, Г2= h
и т. д. Такое условие принципиально не изменяет соотношений в первичной и вторичной
цепях, но зато дает возможность непосредственно сопоставлять первичные и вторичные
величины. Векторные диаграммы (см. рис. 103) построены для такого приведенного
трансформатора (Ei =^- Е2, 12 = i'l)- Приведение трансформатора к J^i2 = 1 широко
используется при расчетах. Выражения приведенных величин через действительные
вторичные величины следующие: £2 ^^£2J ^'2 "=^^2 и соответственно ^'2" у\Г^2^
^ 1^ 2 '''- w\^^^'2 " ^ ^^' '^^ ^Ф" приведении сопротивлений должны остаться псизмепсииы-
ми энергетические условия, поэтому /'2=(^|)^'*2^ ^'2 (^)^^2. 131

6.7
ОПЫТ
КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
ТРАНСФОРМАТОРА
Следует различать короткое замыкание в эксплуатационных условиях и опыт
короткого замыкания.
Коротким замыканием трансформатора называется его режим, когда вторичная
обмотка трансформатора замкнута накоротко или на относительно весьма малое
сопротивление. В эксплуатационных условиях короткое замыкание является аварией, при
которой внутри трансформатора выделяется большое количество теплоты, способное
его разрушить.
Опыт короткого замыкания выполняется при сильно пониженном до небольшого
значения первичном напряжении (примерно 5—10% от номинального первичного
напряжения). Его значение выбирают так, чтобы сила тока h в первичной обмотке была
равна номинальному значению, несмотря на короткое замыкание вторичной обмотки.
При помощи комплек7а измерительных приборов (рис. 104) посредством опыта
определяются напряжения 1/,^, ток /ik и мощность Pik, потребляемая трансформатором.
Сила тока h при номинальном значении /j также будет иметь номинальную величину.
Э. д. с. £"2 при этом опыте будет лишь покрывать внутреннее падение напряжения,
т. е. Егх ^= ^222, а при номинальной нагрузке
поэтому Е2ж составляет лишь несколько процентов от Ег^ Малой э. д. с. £2 соответствует
малый основной магнитный поток. Потери в стали магнитопровода пропорциональны
квадрату магнитного потока, поэтому при опыте короткого замыкания они
незначительны. Но по обеим обмоткам при этом опыте проходят номинальные токи, поэтому потери
в обмотках такие же, как и при номинальной нагрузке. Следовательно, мощность Р]к,
получаемая трансформатором из сети при опыте, затрачивается на потери в проводах
обмоток:
Вместе с тем на основании напряжения короткого замыкания определяется (в 1% к
первичному напряжению) падение напряжения в трансформаторе при номинальной
нагрузке. По этим соображениям напряжение короткого замыкания (при короткозамкнутой
обмотке низшего напряжения) всегда указывается на щитке трансформатора.
132
104.
Схема опыта
короткого замыкания

6.8
ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА
И РАБОТЫ ТРЕХФАЗНЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
Описание рабочих процессов относится как к однофазным, так и к трехфазным
трансформаторам, в последнем случае — к одной фазе трансформатора, нагруженного
симметрично. Трансформирование трехфазной системы токов может осуществляться
трансформаторной группой — тремя однофазными трансформа! орами, работающими как
один агрегат. Но можно объединить три однофазных трансформатора в один трехфазный
аппарат и при этом достигнуть экономии материалов. Это было сделано изобретателем
трехфазного трансформатора М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г. Покажем наглядно,
как создается экономия материала при построении трехфазного трансформатора.
Представим себе три однофазных трансформатора (рис. 105, а). Составляя сердечник для
трехфазного трансформатора, оставим без изменения те части сердечников однофазных
трансформаторов, на которых расположены обмотки, а свободные части этих трех
сердечников соединим в один общий магнитопровод (рис. 105, б). Такое построение
магнитной системы можно сопоставить с соединением трех электрических цепей по схеме звезды. ^
Но в трехфазной системе при равномерной нагрузке нулевой провод не нужен;
отказываясь от него, получаем экономию меди. Нулевому проводу в магнитной системе
трехфазного трансформатора соответствует средний общий стержень. При наличии
симметричной трехфазной системы потоков этот стержень не нужен и может быть удален
(рис. 105, в)у так как алгебраическая сумма этих потоков всегда равна нулю. Поток в
стали трансформатора можно считать прямо пропорциональным напряжению и
отстающим от него по фазе почти на 90°. Три первичных напряжения трехфазной системы,
следовательно, должны обусловливать три потока одинаковой амплитуды, сдвинутых
по фазе, по отношению друг к другу на одну треть периода (120°).
Показанный на рис. 105, в симметричный сердечник неудобен для изготовления и
в настоящее время заменен несимметричным магнитопроводом (рис. 105, г), который
можно мыслить как выпрямленный вариант магнитопровода (рис. 105, в). Симметричная
трехфазная система первичных напряжений трансформатора возбуждает и в таком
несимметричном магнитопроводе симметричную систему магнитных потоков. Но из-за
неравенства магнитных cdnpoi ивлений намагничивающие токи отдельных фаз между
собой не равны. Однако эта несимметрия намагничивающих токов для основных
соотношений существенного значения не имеет. Физически в каждый данный момент поток
одного стержня замыкается через два других стержня магнитопровода (рис. 106).
Отметим, что для фазных напряжений и токов при симметричной нагрузке
справедливы те же отношения, что и для однофазного трансформатора. Эти условия нарушаются
лишь в некоторых случаях при несимметричной нагрузке трехфазных трансформаторов.
Группа из трех однофазных трансформаторов дороже, чем трехфазный трансформа- *
тор той же мощности, занимает больше места, а ее к. п. д. несколько ниже. Зато в качестве
резерва на случай аварии или ремонта при такой группе достаточно иметь один
однофазный трансформатор, так как маловероятно одновременное повреждение всех трех фа i
трансформатора, а периодический ремонт их может осуществляться поочередно
Но при трехфазном трансформаторе в качестве резерва необходим второй трехфазный
трансформатор. Таким образом, трехфазная группа обеспечивает большую надежность 1 33

105.
Схема npeo6paiOBaHM4
трех однофазных гране-
форма горов в один
трехфазный
106.
^Кривые мгновенных значений
магнигных поIоков трехфазного
грансформагора и распределение
погоков в сердечнике
при эксплуатации; наконец, перевозка и установка трех однофазных трансформаторов
при больших МОЩНОСТ51Х значительно проще перевозки и установки трехфазного
трансформатора большой мощности.
Практически большинство трансформаторов малой и средней мощности выполняют
трехфазными (рис. 107), а больших мощностей — с учетом конкретных условий установки.
Согласно ГОСТу трехфазные трансформаторы изготовляют мощностью до 60 000 кВА,
но, уже начиная с мощности 3 х 600= 1800 кВА, допускается применять трехфазные
группы.
Зажимы трехфазного трансформатора согласно ГОСТу должны размечаться в
порядке чередования фаз: на стороне высшего напряжения зажимы А, В, С — начала
обмоток, Х^ У, Z— их концы; на стороне низшего напряжения — соответственно а, Ь, с
и X, у, Z (см. рис. 105, г).
Основными способами соединения обмоток трехфазного трансформатора являются
соединения по схеме звезды и по схеме треугольника.
Самым простым и дешевым из них является соединение обеих обмоток
трансформатора звездой, при котором каждая из обмоток и ее изоляция (при глухом заземлении
нулевой точки) должны быть рассчитаны только на фазное напряжение и линейный ток;
так как число витков обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению,
то, следовательно, соединение звездой требует в каждой из обмоток меньшего
количества витков, но большего сечения проводников с изоляцией, рассчитанной лишь на фазное
напряжение. Соединение обеих обмоток звездой широко применяют для
трансформаторов небольшой и средней мощности (примерно до 1800 кВА). Соединение звездой является
наиболее желательным для высокого напряжения, так как при нем изоляция обмоток
рассчитывается лишь на фазное напряжение. Чем выше напряжение и меньше ток, тем
относительно дороже соединение треугольником.

107.
Трехфазный масляный
трансформатор с трубчатым баком в частичном
разрезе:
/ - катки, 2 - спускной кран лля масла. 3 -
изолируюший цилиндр, 4 - обмотка высшего
напряжения. 5 - обмотка низшего ннгфяжения
б - сердечник. 7 - термометр. 8 - вывод1.г
низшего напряжения, 9— выволы ныстего
напряжения, /^> ~ расширитель лля масла. П - тя-
зовые реле. /-?-указатель уровня масла,
/j - радиаторы
Соединение треугольником конструктивно удобнее при больших токах. По этой
причине соединение У/Л широко применяется для трансформаторов большой мощности
в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нулевого провода.
При трехфазной трансформации только отношение фазных напряжений С^1ф lUz^
всегда приближенно равно отношению чисел витков первичной и вторичной
обмоток W1/W2; что же касается линейных напряжений, то их отношение зависит от способа
соединения обмоток трансформатора. При одинаковом способе соединения (YlY
или Л/А) отношение линейных напряжений равно фазному коэффициенту
трансформации. Однако при различном способе соединения ( Y/A и Л/ У) отношение линейных
напряжений меньше или больше этого коэффициента в раз. Это дает возможность
регулировать вторичное линейное напряжение трансформатора соответствующим
изменением схемы соединения его обмоток.
6.8
ГРУППЫ СОЕДИНЕНИИ
ОБМОТОК
ТРАНСФОРМАТОРОВ
Ток во вторичной обмотке трансформатора согласно принципу Ленца должен Иметь
направление, противоположное направлению первичного тока; что же касается
относительного направления тока в приемнике, то при соответствующем выборе зажимов
вторичной обмотки (рис. 108) ток и напряжение в приемнике могут совпадать по фазе
с первичным напряжением и током или быть им противоположными по фазе. В первом 135

случае направление тока в приемнике будет таким, каким оно было бы при
непосредственном включении приемника в первичную цепь. Относительное направление тока
определяет относительную фазу вторичной величины, что весьма важно при
параллельном соединении трансформаторов, в измерительных трансформаторах и т. д. Деление
трансформаторов по группам соединения служит для условного обозначения сдвига фаз
вторичного напряжения по отношению к первичному. При определении группы
соединений трансформатора первичным напряжением считается его высшее напряжение,
а вторичным — низшее напряжение.
Величина угла сдвига фаз между линейными высшим и низшим напряжениями
является основанием для деления трансформаторов по группам соединений. У двух
трансформаторов с одинаковой группой соединений этот сдвиг фаз должен быть одинаков.
Обозначение групп соединений основано на сопоставлении относительного
положения векторов высшего и низшего линейных сопряжений с положением минутной и
часовой стрелок. Для сопоставления минутная стрелка мыслится установленной на цифре 12
и с ней совмещается вектор линейного высшего напряжения, а часовая стрелка
совмещается с вектором линейного низшего напряжения. Угол ЗО"", равный центральному углу
между двумя соседними цифрами часового циферблата, служит единицей при отсчете угла
сдвига фаз. Отсчет угла производится от минутной к часовой стрелке по направлению
их вращения. Наименование группы соединений определяется на основании положения
часовой стрелки.
У однофазного трансформатора вектор низшего напряжения может составлять с
вектором высшего напряжения приближенно или 0°, или 180°. В первом случае это
соответствует положению обеих стрелок на цифре 12, поэтому такое соединение именуется
группой О (нуль часов). Во втором случае часовая стрелка должна быть поставлена на 6,
т. е. это будет группа 6. В последнем случае первичная и вторичная обмотки намотаны
в разных направлениях.
Согласно ГОСТу для однофазных трансформаторов установлена одна стандартная
группа соединений — 0.
У трехфазных трансформаторов возможны все двенадцать различных групп
соединений, но желательно иметь минимальное число различных групп, поэтому для трех-
108.
Схема относительного
направления токов в об- ^^
мотках однофазного Ю"-
трансформатора и в на- Схемы группы соединений 11 и векторная диаграмма
грузке для этой группы

фазных трансформаторов установлены только две стандартные группы: 11 и 0. Группе 11
соответствует два способа соединения: звезда/треугольник (К/А ) и звезда с выведенной
нулевой точкой/треугольник (К/А). Группе О соответствует один способ соединения:
звезда/звезда с выведенной нулевой точкой ( Y/Y). Специальный знак (К) во втором и
в третьем случаях показывает, что при данном соединении обмоток нулевая точка имеет
вывод. В числителе обозначения всегда указывается способ соединения обмотки высшего
напряжения.
Группа О—Y /Y применяется для трансформаторов с высшим напряжением до 35 кВ
включительно при/низшем напряжении 230 В и мощности до 560 кВА или при том же
пределе высшего напряжения с низшим напряжением 400 В и мощностью до 1800 кВА. Оба
способа соединения по группе 11 предназначены для более мощных трансформаторов и
более высоких напряжений.
В качестве примера на рис. 109 показано, как при соединении К/А вектор низшего
(вторичного) линейного напряжения 1/аъ образует с вектором высшего (первичного)
линейного напряжения Uab угол 330"", который равен углу между стрелками в 11 ч;
следовательно, этот способ соединений должен быть отнесен к группе 11.
В зарубежной практике трансформаторостроения применяются и другие
нестандартные в ОССР группы соединений.
6.10
АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ
Первичное напряжение U, « 4,44/WlФm; при его постоянном значении
поддерживается почти неизменным поток Фда. Последний индуктирует в каждом витке
обмотки э. д. с, тоже практически не зависящую от тока, проходящего по обмотке. Вследствие
этого можно считать постоянным и почти не зависящим от силы тока обмотки
распределение напряжения между отдельными ее частями. Указанное обстоятельство
используется в автотрансформаторе — аппарате, основанном на том же принципе, что и
трансформатор, но имеющем лишь одну обмотку высшего напряжения wi ( рис. ПО), часть
которой служит обмоткой низшего напряжения vv^. Обмотка высшего напряжения может
служить первичной или вторичной обмоткой аппарата. Можно рассматривать обмотку
автотрансформатора как образованную наложением независимых первичной и
вторичной обмоток. Напряжения и токи автотрансформатора связаны теми же приближенными
соотношениями, как и в трансформаторе:
Но в общей части обмотки Wj проходят одновременно два тока /i и /2- Результирующий
ток этой части обмотки равен их геометрической сумме, а так как эти токи почти
противоположны по фазе, то, пренебрегая влиянием намагничивающего тока, можно считать,
что в части обмотки Wj проходит ток h—/i-
Если коэффициент трансформации ki2= Wj/w2 лишь немного отличается от
единицы, то токи /j и /2 мало отличаются друг от друга, а их разность Ij —/j является по
сравнению с каждым из них малой величиной. Это позволяет вьшолнить часть обмотки,
которая заменяет две обмотки обыкновенного трансформатора с нужным числом вит- 137

110.
Схема соединений автотрансформатора:
а - IU»HHA;iHHHOt о. о — ПОВЫНКИОЩС! о
111.
Схема трехфазного
автотрансформатора
ков, но из значительно более тонкой проволоки, поэтому обмотка автотрансформатора
оказывается более дешевой. Вместе с тем для ее размещения требуется меньше места,
и таким образом можно уменьшить окно сердечника автотрансформатора, а
следовательно, и размеры сердечника.
Преимущества автотрансформатора уменьшаются с увеличением коэффициента
транс1|)ормации. Вместе с тем при увеличении коэффициента трансформации
необходимо учитывать принципиальный недостаток автотрансформаторов — наличие
электрического соединения цепей высшего и низшего напряжений. Пока высшие и низшие
напряжения одного порядка, электрическое соединение цепей не встречает препятствий.
Но автотрансформатор нельзя применить, например, для питания распределительной
сети 220 В от сети высокого напряжения 6000 В, так как это не только привело бы к
необходимости рассчитать изоляцию распределительной сети на 6000 В и, следовательно,
чрезвычайно удорожило бы ее, но было бы опасно для жизни всех лиц, пользующихся
распределительной сетью. Вследствие этого автотрансформаторы применяются лишь
в тех случаях, где требуется сравнительно небольшое изменение напряжения: при высоких
напряжениях — не более чем в 1,5—2, при низких — не более чем в 3 раза.
112.
Лабораторный регулируемый
автотрансформатор:
а — уст ройство. 6 ~ схема

Трехфазные автотрансформаторы обычно соединяют по схеме звезды с выведенной
нулевой точкой (рис. 111) или без нее. Для лабораторных работ разного рода широко
применяют ЛАТРы (лабораторные автотрансформаторы регулировочные). В них
регулирование вторичного напряжения достигается изменением положения точки а (см.
рис. 110) по отношению к обмотке. В соответствующих лабораторных
автотрансформаторах (ЛАТР) одним из зажимов вторичной цепи служит подвижный рычажный контакт
(рис. 112). Так как щетка этого контакта замыкает накоротко один-два витка обмотки,
то она должна иметь повышенное сопротивление, чтобы предупредить возникновение
значительных токов короткого замыкания. Обычно эта щетка делается угольной.
Контрольные вопросы
1. Что такое трансформатор и из каких частей он состоит?
2. На каком электромагнитном явлении основано устройство трансформатора?
3. Какая обмотка трансформатора называется первичной и какая вторичной?
4. Чему равен коэффициент трансформации трансформатора?
5. Что такое уравнение электрического равновесия со стороны первичной обмотки?
6. Какие физические процессы происходят в нагруженном трансформаторе?
7. Из каких величин складывается первичный ток в нагруженном трансформаторе?
8. Какие потери имеют место при передаче энергии в трансформаторе?
9. Каковы приближенно соотношения между первичными и вторичными напряжениями и
токами?
10. Почему на трехфазный трансформатор затрачивается значительно меньше материалов, чем
на три однофазных трансформатора, сумма номинальных мощностей которых равна
мощности трехфазного трансформатора?
11. За счет чего достигается экономия в габаритах автотрансформатора по отношению к
трансформатору той же мощности и на те же напряжения?
12. При каких условиях целесообразно применять автотрансформатор вместо тренсформатора ?

Глова ШШт ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ПРИБОРЫ

7.1
ЭЛЕКТРОННАЯ
И ДЫРОЧНАЯ
ПРОВОДИМОСТИ
Полупроводниковые приборы основаны на управлении явлениями электрического
тока в твердой среде сложной структуры, обладающей большим удельным
сопротивлением.
Полупроводниковые приборы благодаря ряду существенных преимуществ
быстро вытесняют из многих областей электротехники электронные лампы и ионные
приборы.
В электронике часто применяется классификация наиболее распространенных
приборов по числу их электродов, причем наименования образуются путем объединения двух
греческих слов: соответствующего числительного и окончания слова «электрод».
Например, двухэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два активных слоя
полупроводников (вентиля), и двухэлектродная электронная лампа называются «диод» (дио —
два и «электрод»). Таким же способом образуются наименования «триод», «тетрод»
и т. д.
Полупроводниковые диоды применяют главным образом в качестве вентилей.
Полупроводниковые триоды, имеющие три слоя полупроводников и три электрода,
чаще называемые транзисторами, используются преимущественно в усилителях и
генераторах переменных токов повышенной и высокой частоты.
Полупроводниковые тетроды, содержащие четыре слоя полупроводников, в
большинстве случаев применяются в качестве управляемых вентилей. Они более известны под
именем тиристоров.
Полупроводниками принято называть вещества, промежуточные между
проводниками и диэлектриками, значение удельной проводимости которых при комнатной
температуре лежит в пределах от 10^ до 10^^ Ом'* см ^
Граница между полупроводниками и диэлектриками ycJювнa, так как диэлектрики
при соответствующем значительном повышении температуры становятся подобными
полупроводникам, а чистые полупроводники при весьма низкой температуре ведут
себя как диэлектрики. В металлах число носителей заряда в единице объема, т. е.
концентрация носителей заряда, практически не зависит от температуры, а в полупроводниках
носители заряда возникают лишь вследствие поглощения энергии внешнего источника
(тепловой, лучистой, электрической и т. д.).
Если поступление энергии извне (например, повышение температуры) сообщает
электрону атома энергию, достаточную для того, чтобы порвать парно-электронную
связь, то, освободившись, электрон становится носителем заряда — электроном право-
димости. 141

Электрон, освобождаясь, образует в кристаллической решетке вещества
незаполненную междуатомную связь — дырку проводимости. Освободившееся здесь место
может быть заполнено электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний из
соседнего нейтрального атома. Но на месте, где был этот электрон, создается новая
дырка. Ее может заполнить электрон следующего атома и т. д. Последовательное заполнение
свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в полупроводнике в
противоположном направлении.
Под воздействием внешних электрического и магнитного полей дырка во всем ведет
себя как положительно заряженная частица, масса которой приблизительно равна массе
электрона. При наличии внешнего электрического поля в полупроводнике дырки
дрейфуют по направлению поля, а электроны — в противоположном направлении.
Следовательно, в полупроводнике имеются два типа носителей тока — дырки проводимости
и электроны проводимости, а общая проводимость проводника является суммой
дырочной проводимости—/7-проводимости* и электронной проводимости — л-проводимо-
сти**. с каждым освобождением электрона при поглощении энергии возникает дырка,
поэтому в чистом полупроводнике концентрация электронов равна концентрации дырок.
Дырка относительно недолговечна. Она рекомбинирует (т. е. соединяется) со
встретившимся свободным электроном. Концентрация электронно-дырочных пар в
полупроводнике в условиях стационарного режима определяется р^новесием между процессами
термогенерации пар и их рекомбинации. Такая концентрация создает собственную
электропроводность полупроводника. Электропроводность быстро возрастает с повышением
температуры вследствие дополнительного освобождения электронов и образования
дырок. Проводимость увеличивается несмотря на уменьшение длины свободного пробега
и скорости электронов из-за тепловых колебаний положительных ионов в узлах
кристаллической решетки полупроводника, мешающих перемещению свободных электронов.
В этом существенное отличие полупроводников от металлов, у которых с повышением
температуры электропроводность уменьшается.
Собственная проводимость применяемых в настоящее время полупроводников
относительно весьма мала, причем при определении ее приходится иметь в виду, что она
сильно зависит от малейших следов, примесей: чем лучше очистка полупроводника, тем
выше его удельное сопротивление. При 300 К (27° С) удельное сопротивление германия
р 47 Ом • см. Но достаточно добавить к 10® атомам германия один атом примеси и
удельное сопротивление снижается до 4 Ом см.
7.2
ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ
ПРОВОДИМОСТЬ
На практике используется исключительно примесная проводимость
полупроводников, создаваемая путем добавления к тщательно очищенному полупроводнику весьма
малого (10"^ —10~^%), но точно установленного количества определенной примеси.
Хотя относительная концентрация такой примеси мала, но ее абсолютная концентрация
достаточно велика (10^"^—10^* атомов/см^) и создаваемые ею носители заряда количе-
* От лат. слова positivus — положительный.
^^2 ** Or лат. слова negativus — отрицательный.

113.
Плоскостная модель образования в
решетке германия электронной
проводимости примесью мышьяка
114.
Плоскостная модель образования в
решетке германия дырочной проводимости
примесью индия
ственно во много раз (например, 20 000) превосходят носителей заряда собственной
проводимости.
Вместе с тем примесь придает проводимости полупроводника резко выраженный
определенный характер /^-проводимости или л-проводимости.
В полупроводнике примеси могут отдавать свой электрон, создавая электронную
проводимость; такие примеси называются донорными. Другие же примеси захватывают
электрон из кристаллической решетки, создавая дырочную проводимость; это —
акцепторные примеси.
В настоящее время в полупроводниковых приборах широко применяют два элемента
IV группы периодической системы Менделеева: кремний (Si) и германий (Ge), имеющие
кристаллическую решетку алмазного типа. У них каждый атом связан с соседними
четырьмя атомами силами парно-электронной связи: каждая пара валентных* электронов
принадлежит в равной мере двум соседним атомам.
Электронная примесная проводимость возникает, когда у атома примеси одним
валентным электроном больше, чем у атома полупроводника. По отношению к германию
и кремнию донорами могут служить элементы V группы — мышьяк, сурьма и фосфор.
Например, когда атом мышьяка замещает в кристаллической решетке германия один
его атом, то четыре валентных электрона мышьяка и четыре электрона соседних атомов
германия образуют устойчивую оболочку из восьми электронов (рис. 113). При этом
пятый валентный электрон мышьяка оказывается слабо связанным с атомом и легко
становится свободным, а примесный атом — неподвижным положительным ионом.
Если же у атома примеси одним валентным электроном меньше, чем у атома
полупроводника, то создается дырочная примесная проводимость. По отношению к
элементам FV группы акцепторами** могут служить элементы Ш группы — индий, бор, гелий,
алюминий. В этом случае атом 1П группы, заняв место в кристаллической решетке
полупроводника, отбирает из основной решетки валентный электрон соседней связи, чтобы
образовать устойчивую восьмиэлектронную оболочку. Таким образом создается в ре-
* Валентность соответствует номеру группы, к которой принадлежит элемент
НИИ и кремний имеют по четыре валентных электрона.
** От лат. слов: donator — даритель и acceptor — получатель.
герма-

шетке незамещенное место — дырка, следовательно, возникает дырочная проводимость
(рис. 114).
Отметим, что термины «электронный (w-тип)» или «дырочный (р-тип)»
полупроводник указывают лишь, что в данном полупроводнике основными носителями заряда
являются электроны или дырки. Но наряду с ними в полупроводашке имеются (обычно
в малом количестве) неосновные носители заряда, создаваемые термогенерацией
электронно-дырочных пар и определяющие собственную проводимость полупроводника. Однако
с повышением температуры число неосновных носителей заряда очень быстро растет
и при относительно невысокой температуре применяемые в настоящее время
полупроводники теряют свои специфические свойства. Их примесная проводимость становится
мала по сравнению с собственной, поэтому в полупроводниковом устройстве при работе
температура германия не должна превышать примерно 60° С, кремния 150*^ С и арсенида
галлия 250°С.
7 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
# 3 ДИОДЬ!
В куске монокристаллического полупроводника, на границе между двумя слоями с
различного рода проводимостями, образуется электронно-дырочный переход,
называемый также р—л-переходом или запирающим слоем. Этот слой обладает вентильными
свойствами, т. е. односторонней проводимостью. Это явление можно пояснить
следующими положениями. Концентрация электронов в м-области во много раз больше, чем
их концентрация в /^-области, где они служат неосновными носителями тока. Вследствие
этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации —/?'-область. Здесь
они рекомбинируют с дырками акцепторов и таким путем образуют пространственный
(объемный) отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторов, не
скомпенсированный положительным зарядом дырок — основных носителей тока в этой
области.
Одновременно происходит диффузия дырок в л-область. Здесь создается нескомпен-
сированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов доно<
ров. Таким путем между двумя областями полупроводника возникает двойной слой
пространственного заряда (рис. 115), обедненный основными носителями заряда. Из-за
наличия пространственных зарядов возникает перепад электрического потенциала
между р- и «-областями. Его называют потенциальным барьером, а его величину ф^ — ф„ —
высотой потенциального барьера.
Электронно-дырочный переход нельзя получить, наложив одну на другую пластины,
изготовленные из полупроводников с различной примесной проводимостью, так как
между пластинами неизбежно наличие поверхностных пленок или очень тонкого слоя
воздуха. Такой переход создается лишь посредством образования областей с различными
проводимостями в одной пластине полупроводника.
Если положительный полюс источника электроэнергии соединен с р-областью, а
отрицательный — с л-областью, то электрическое поле источника ослабляет до малой
величины действие пространственных зарядов — снижает потенциальный барьер,
вследствие чего резко возрастает диффузия и вместе с ней ток через переход/?—п. Такое соеди-

нение источника является прямым. При обратном соединении, когда с /^-областью
соединен минус источника напряжения, а с w-областью — плюс этого источника, внешнее
поле усиливает поле пространственных зарядов и удаляет носителей заряда с обеих сторон
перехода. Через переход р—п проходит в этОхМ случае лишь весьма малый ток,
создаваемый движением неосновных носителей. Но из-за этого тока обратное сопротивление
полупроводникового диода является конечной величиной. Отношение обратного
сопротивления к прямому сопротивлению, равное отношению прямого тока /пр к обратному
току /об» называется статическим коэффициентом выпрямления:
, /пр /"об
/Св. ст'^'т— ^ '
^ об Гщ
причем прямые и обратные величины должны быть измерены при одинаковом по
величине напряжении. Но в рабочих условиях прямое и обратное напряжения отнюдь не равны,
так как последовательно с вентилем соединяется нагрузочное сопротивление Гн.
Напряжение источника распределяется между нагрузкой и вентилем пропорционально их
сопротивлениям, и так как обычно Гн»Тпр*, то при прямом токе напряжение на вентиле
мало. Но при обратном токе, так как г^ ^ Гр&, почти все напряжение обратной
полуволны приходится на вентиль и создает через него соответствующий обратный ток.
Руководствуясь этим, для характеристики условий работы вентиля применяют динамический
коэффициент выпрямления, определяемый как отношение средних значений прямого
и обратного токов в реальных условиях работы в цепи переменного тока (следовательно,
при малом прямом напряжении и большом обратном напряжении):
"Щь
ШШ'
ШШ2
так как прямое и обратное сопротивления зависят от напряжения. Коэффициент
выпрямления уменьшается с увеличением мощности диода. Однако у германиевых и кремниевых
диодов даже у весьма мощных к в. дин > 1000.
Мощность вьшрямленного тока пропорциональна выпрямленному напряжению,
а предельное допускаемое значение последнего тем больше, чем выше длительно
допустимое обратное напряжение. Таким образом, наибольшая допускаемая вентилем-диодом
мощность определяется его средним выпрямленным током и допустимым обратным
напряжением.
Когда обратное напряжение превышает некоторое
предельное значение, происходит пробой вентиля, вследствие которого
прекращается вентильное действие диода, так как его обратное
сопротивление уменьшается до величины того же порядка, что
и прямое сопротивление. Следуе! различать пробивное
напряжение диода, разрушающее его при кратковременном
воздействии, и значительно меньшее длительно допускаемое обратное
напряжение. Когда последнее меньше рабочего напряжения це-
пи, применяют последовательное соединение вентилей, причем
в случае германиевых и кремниевых диодов часто приходится » > '>-
шунтировать вентили сопротивлениями для выравнивания рас- ro^vbe^^^n^ei^'-
пределения напряжения между ними. хода
10-819
145

Размеры диода зависят от допустимого для него среднего выпрямленного тока,
следовательно, от допустимой для данного типа диодов плотности тока. Плотность тока
выбирают так, чтобы диод не перегревался. Нагревание диода определяется его прямым
и обратным сопротивлениями. Оно тем меньше, чем меньше прямое сопротивление и чем
больше обратное сопротивление, причем ввиду малости обратного тока влияние
обратного сопротивления на нагревание незначительно. Падение напряжения при прямом
токе AUnp пропорционально прямому сопротивлению. Таким образом, в качестве
величин, характеризующих нагрузочную способность полупроводникового вентиля, обычно
указывают: допустимую плотность тока (А/см^), прямое падение напряжения,
максимально допустимое обратное напряжение (В) и максимально допустимую температуру
окружающей среды С су Чем больше нагревостойкость диода, тем меньше могут быть его
габариты при том же к. п. д.
В настоящее время широко применяют три вида полупроводниковых
диодов: селеновые, германиевые, кремниевые и пока относительно редко из арсенида
галлия.
Селеновый выпрямитель собирается из выпрямительных пластин, изготовляемых
в виде круглых дисков (шайб) или прямоугольных пластин. Эти пластины при
последовательном или параллельном их соединении образуют выпрямительный элемент
требуемой мощности (рис. 116).
Основой германиевого диода является пластинка толщиной около 0,3 мм, вырезанная
из монокристалла* германия, обладающего электронной проводимостью, т. е. с
примесью одного из элементов пятой группы (обычно сурьмы или мышьяка). Площадь
пластинки должна быть тем больше, чем больше сила тока, на которую изготовляется
диод. На эту пластинку наложен кусочек элемента третьей группы — индия (рис. 117),
который сплавлен с германием в вакуумной печи. Во время этой термообработки в ре-
* Монокристалл — тело с правильным строением кристалла. Такое тело может иметь
природную структуру кристалла или эта структура может быть создана искусственно.
116.
Столбик из
селеновых диодов
117.
Схема получения оп-
лавным методом
перехода р — п

зультате термодиффузии атомы индия проникают в пластину германия и, будучи
акцепторами, образуют в германии слой, обладающий дырочной проводимостью. К кусочку
индия сверху припаивается металлический токоотвод, соединяющий пластинку с верхним
электродом. Нижний электрод должен образовывать с германием омический контакт,
т. е. не образовывать вентильный переход. Выпрямитель помещается в
герметизированный корпус, необходимый для защиты от внешних влияний.
Недостатками германиевых вентилей являются: во-первых, их чувствительность
к повышению температуры — при температуре выше 55—60° С в них происходят
необратимые изменения электрических параметров; во-вторых, из-за различия во
внутренних сопротивлениях при последовательном соединении эти вентили не поровну делят
напряжение, и для выравнивания частичных напряжений вентили приходится
шунтировать активными сопротивлениями, а это снижает к, п. д. и коэффициент выпрямления
установки.
Основной частью кремниевого вентиля служит тонкая пластина кремния,
обладающего электронной проводимостью. Эта пластина сплавляется с куском алюминия —
элемента третьей группы: вследствие проникновения атомов алюминия в кремний в
последнем образуется слой, обладающий дырочной проводимостью, а в пластине
возникает р—w-переход.
Если сравнивать селеновые и германиевые диоды, то последние обладают
высоким к, п. д. и малыми габаритами, однако селеновые диоды дешевле, по этой причине
наша промышленность продолжает выпускать селеновые выпрямители. Они
устанавливаются в тех случаях, когда нужны относительно небольшие мощности постоянного
тока, а их к. п. д. и габариты имеют второстепенное значение. Масса селенового
вентиля, включая арматуру, на 1* Вт выпрямленной мощности в среднем 15—18 г. Один
селеновый элемент выдерживает длительно 12—36 В. Отметим, что следует
различать пробивное напряжение вентиля (50—80 В для селенового) от длительного
допустимого.
В ряде случаев приходится учитывать особый недостаток селенового выпрямителя —
расформовку. Если такой выпрямитель долго не работал, то после включения на
напряжение он не сразу начинает нормально выпрямлять, а в течение некоторого времени
формуется. Для электроизмерительных устройств и автоматики такая работа вентиля
неприемлема.
Кремниевые вентили имеют несколько большее прямое сопротивление, чем
германиевые, зато их обратное сопротивление примерно на порядок больше. Кроме того,
весьма существенным преимуществом кремниевых диодов является то, что они
допускают повышение рабочей температуры до 180—200° С, следовательно, и значительно
большую плотность тока. В результате при равной мощности габариты кремниевых
выпрямителей значительно меньше. Однако получение необходимого для полупроводниковых
приборов сверхчистого кремния и сохранение его в подобном состоянии связано с очень
большими трудностями. Вследствие этого кремниевые полупроводниковые приборы
стоят дорого, несмотря на то, что кремний является наиболее распространенным после
кислорода элементом в земной коре.
Общая тенденция развития техники — замена кремниевыми выпрямителями всех
других видов выпрямителей (например, в электрической тяге замена ионных — ртутных
выпрямителей кремниевыми тиристорами дала очень большие технико-экономические
выгоды).

7.4
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ
ТРИОД (ТРАНЗИСТОР)
Полупроводниковый триод, называемый транзистором*, обладает усилтельными
свойствами, подобными усилительным свойствам электронных ламп. Однако схемы
соединений усилителей на транзисторах хотя имеют много общего со схемами ламповых
усилителей, но вместе с тем содержат специфические особенности.
Плоскостной транзистор можно рассматривать как соединение двух плоскостных
диодов. В частности, германиевый транзистор строится на основе очень тонкой
пластинки, выпиленной из монокристаллического германия. С двух сторон этой пластинки в нее
вплавляют по капле индия (рис. 118). По отношению к германию индий является
акцепторной примесью, поэтому атомы индия, проникая в германий, образуют в нем под
застывшими каплями индия два слоя с дырочной проводимостью. Этим способом в
пластинке-германия создаются два р—w-перехода, по отношению к которым слои индия
можно использовать как два электрода; к последним припаиваются проводники для
соединения прибора с внешней цепью
Таким образом, полупроводниковый триод состоит из трех слоев, разделенных
двумя переходами. В частности, в германиевом триоде два крайних слоя обладают
дырочной — /7-проводимостью, а внутренний слой имеет электронную — w-проводимость,
в соответствии с чем прибор именуется триодом типа р—п—р (рис. 119). Кремниевые
триоды чаще изготовляют типа п—р—п. Но принцип действия триодов обоих типов
один и тот же — различие состоит лишь в выборе полярности присоединяемых
источников электроэнергии. В дальнейшем мы будем рассматривать германиевые триоды р—п—р.
Один из крайцих с;юев гриода соединяется через свой электроде источником
постоянного напряжения в 1гроводяп1ем направлении прилегающего к нему перехода. В
триоде/?—п—р — это сдой, соединяемый с положительным полюсом источника напряжения
(рис. 120). Слой/? -л--/? используегся при работе прибора в качестве основного
источника носителей ^аряла и на '.ьпиююя iMummepoM** неосновАых носителей заряда через эмит-
терный переход р -п. Средний слой пластины германия, сохранивший исходную
электронную проводимость пластины, называется базой. Через базу носители заряда
проникают во в горой переход р—п и поступают в слой коллектора., являющегося собирателем
носителей заряда, инжектированных эмиттером и прошедших через слой базы. В
принципе полупроводниковый триод является симметричным прибором, т. е. можно поменять
местами в цепи эмиттер и коллектор, а триод будет продолжать рабс»тать. Но в
соответствии с собирательной ролью коллектора при изготовлении триода площадь
коллекторного перехода/?—п делается больше площади эмиттерного перехода (см. рис. 118), что
соответственно нарушает симметрию прибора.
Так как движение дырок эквивалентно движению положительных зарядов, то на-
* Термин «тран'шстор», обра юванный путем слияния лвух английских слов transfer —
передача и resistor — сопротивление, надо понимать как передающее сопротивление. Иногда
его относят ко всем полупроводниковым приборам, но мы будем пользоваться им только для
полупроводниковых приборов, в которых имеет место усиление. Понятие «транзистор» шире
понятия «полупроводниковый триод», так как относится и к многоэлектродным
полупроводниковым приборам.
** От лат,слова emitto — испускаю.

118.
С1рук'1уриая схема (сОмскс-
ма усгройсчва (6)
плоскостного германиевого 1риола
(1ранjMciopa)
119.
Условные графические
обозначения 1риолов innaj
р-п-р и п-р-п I
120.
Схема соелинения
транзистора р-п-р с ИС1очниками
электрознергии
правление тока в триоде р—п—р через эмиттер в базу, а в триоде п—р—п из базы в
эмиттер показывается стрелкой при условном графическом обозначении этих приборов
(см. рис. 119).
С помощью тока в цепи эмиттера в триоде осуществляется управление током в цепи
коллектора. Обе цепи должны иметь соответствующие источники электроэнергии (см.
рис. 120) — источник с меньшей э. д. с. Е^ в цепи эмиттера и источник со значительно
большей 3. д. с. £к в цепи коллектора.
Для создания тока в цепи эмиттера достаточно небольшой э. д. с. £"э, так как эми1-
терный переход включен в проводящем направлении и его прямое сопротивление огио-
сительно мало. Но появление тока в цепи эмиттера вызывает изменение сопрогивления
коллекторного перехода, вследствие чего в цепи коллектора возникает ток /к, примерно
равный по силе эмиттерному току /э. Изменения силы тока эмиттера А/э вызывают
пропорциональные изменения силы тока коллектора Д/к. Таким образом, ток маломощной
цепи эмиттера, имеющей относительно малое сопротивление, управляет током в
значительно более мощной цепи коллектора, обладающей относительно большим
сопротивлением. Большая мощность цепи коллектора обусловливается тем, что э. д. с. Ек
значительно больше, чем э. д. с. Еэ (например, 10 и 0,5 В). В результате этих соотношений
при одинаковом, примерно, изменении силы тока эмилтера А/э и коллектора А/к
изменение мощности в цепи коллектора АРк значительно больше изменения мощности в
цепи эмиттера АРэ, в чем и выражается усиление мощности полупроводниковым
триодом. При этом источником питания служит батарея в цепи коллектора.
Воздействие тока эмиттера на ток коллектора можно пояснить следующим. Ток
эмиттера вносит в базу дырки, являющиеся для базы неосновными носителями тока.
Небольшая часть дырок рекомбинирует в базе с ее электронами, но большая часть
вследствие диффузии, вызываемой беспорядочным тепловым движением, достигает
перехода р—я-коллектора. Поступление носителей тока —»дырок в область перехода
коллектора существенно уменьшает сопротивление этого перехода, что и вызывает увеличение
силы тока коллектора, пропорциональное числу дырок, достигших этого перехода.
Коэффициент передачи тока а^- —-— при Ик
const является одним из основных
параметров полупроводникового триода. У плоскостных триодов а < 1. Если пренебречь
рекомбинацией дырок в области базы, т. е. считать, что все дырки, прошедшие эмиттер-

121.
Семейство коллекторных характеристик транзистора при общей базе
ный переход, достигают коллектора и предположить, что весь ток эмиттера создается
только движением этих дырок, то в таком идеальном случае h = /к.
В действительности, пока дырки движутся через слой базы, они могут рекомбини-
ровать со свободными электронами — основными носителями тока базы. Для того
чтобы большая часть дырок достигала коллектора, слой базы должен иметь малую
толщину. В современных триодах толщина слоя базы 0,025—0,005 мм, а коэффициент
передачи тока а = 0,95—0,99. Следовательно, если считать ток эмиттера входным, а ток
коллектора выходным током триода, то в полупроводниковом триоде нет усиления
тока, но в нем имеет место усиление мощности и напряжения.
Основными характеристиками полупроводникового триода — транзистора
являются коллекторные характеристики /к ^F(Vk), На рис. 121 дано семейство таких
характеристик, полученных при различных значениях силы тока эмиттера. В правой части
рисунка показаны начальные части этих характеристик в увеличенном масштабе.
Характеристики эти являются статическими, т. е. снятыми при постоянном токе.
>Они показывают, что при увеличении коллекторного напряжения (по абсолютной
величине), начиная от нуля, коллекторный ток h сначала быстро увеличивается. Но когда
этот ток по силе становится близким к току эмиттера, наступает насыщение, и дальнейшее
122.
Зависимость коэффициента а
передачи тока от тока эмиттера/э и от
напряжения Коллектора Uk
123.
Переходная
характеристика транзистора
при общей базе и
использование ее для
передачи сигнала

повышение коллекторного напряжения практически не увеличивает коллекторный ток.
В этих условиях почти все носители заряда, инжектируемые током эмиттера в область
коллекторного перехода, достигают области коллектора. С увеличением силы тока
эмиттера пропорционально возрастает сила тока коллектора.
Но при /э = О коллекторный ток ho > О, поэтому /к =^ а/т + /ко ^ а/э, так как в
нормальных рабочих условиях ho -^ а/э.
Отметим, что при наличии эмиттерного тока для запирания коллекторного перехода
необходимо небольшое положительное коллекторное напряжение.
При изменениях эмиттерного тока в определенных пределах а остается почти
постоянной (рис. 122). В соответствии с этим зависимость тока коллектора от тока эмиттера
при а== const имеет линейный участок (рис. 123). На основании этой переходной
характеристики транзистора легко построить кривую изменений коллекторного тока,
вызываемых изменениями эмиттерного тока 1э ^ F{t); переменная составляющая эмиттерного
тока может быть током сигнала.
7.5
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ
УПРАВЛЯЕМЫЙ
ВЕНТИЛЬ-ТИРИСТОР
За последнее десятилетие широкое применение в промышленном злск грооборудова-
нии нашел кремниевый управляемый вентиль — тиристор. Основные ею преимущества:
способность переходить из непроводящего состояния в проводящее под действием
относительно слабого входного сигнала, высокий к. п. д. и малые габариты.
От транзистора тиристор обличается наличием третьего р—w-перехода (рис. 124).
Входной электрод для J ока, управляемого тиристором, — анод, выходной электрод —
катод, т. е, проводящее направление тиристора — от анода к катоду. Третий,
управляющий электрод чаще расположен со сгороны катода, но иногда применяются тиристоры 1
с анодным управляющим элекгродом.
Иногда для тиристора применяют термины, употребляемые для транзисторов: 1
внешний /?j слой именуют коллектором, внешний П2 слой — эмиттером, а слой, соеди- i
ненный с управляющим электродом, — базой.
Когда между анодом и катодом тиристора приложено в проводящем направлении
не очень большое постоянное напряжение, то два внешних перехода П] и Я} оказываются
включенными в прямом, проводящем направлении, а средний переход fli — в обратном,
непроводящем направлении, вследствие чего он запирается. Так как сопротивление
запертого перехода //> во vnioi о раз превышает прямое сопротивление переходов fJi и Яз, .
то, распределяясь прямо пропорционально сопротивлениям, практически все
напряжение Uk, приложенное к тирисюру, приходится на переход Яг. В таких условиях тиристор
заперт. Он пропускает лишь малый ток, создаваемый в переходе Яг неосновными
носителями. При эгом ток в цепи управляющего электрода равен нулю. В таких условиях
при повышении входною напряжения Ua сила тока медленно возрастает — тиристор
ведет себя как полупроводниковый диод (вентиль) под воздействием напряжения в
непроводящем направлении, или как транзистор под воздействием одного лишь
коллекторного напряжения (при оборванной цепи базы).
Два впепишх слоя i ирис юра pi и «2 изготовляются малоомными (с относительно
значительными примесями), вследствие чего они богаты соответствующими носителями 151

заряда. Два внутренних слоя rii и pj изготовляются с относительно малой примесной
проводимостью. Когда тиристор заперт, электрическое поле внешнего напряжения
удаляет носителей заряда от перехода Пг и на этот переход приходится все внешнее
напряжение [/к. Но оно создает сильное электрическое поле в тонком слое перехода, а это поле
увеличивает скорости электронов и дырок во время их свободного пробега. Наконец,
когда приложенное напряжение достигает критического значения — напряжения
отпирания С/к. о г, скорость электрона (или дырки) становится так велика, что этот носитель
заряда, воздействуя в области перехода на атом полупроводника, может разорвать одну
из его валентных связей и образовать таким путем новую пару носителей заряда —
свободный электрон и дырку. Последние также включаются в процесс образования
носителей тока, разрывая другие валентные связи. Происходит ионизация области перехода.
Во внутренние слои тиристора обильно поступают носители тока из внешних малоом-
ных слоев. Тиристор отпирается; происходит лавинный пробой перехода Яг. Сила тока
резко возрастает (рис. 125). Она ограничивается лишь внешним сопротивлением.
Но благодаря обилию носителей заряда в переходе Пг напряжение на нем при
лавинном пробое резко понижается до величины порядка одного вольта. При таком малом
напряжении относительно мала энергия, выделяющаяся в переходе /72 (и во всем
транзисторе). Поэтому при правильном конструировании и использовании тиристора
лавинный пробой и большая сила тока не вызывают каких-либо необратимых изменении в
структуре прибора. При обратном направлении входного напряжения тиристор
запирается. По отношению к обратному напряжению переход Hj включен в проводящем
направлении, а переходы 77i и Я3 — в непроводящем. Между ними делится обратное
напряжение, вследствие этого пробоя не происходит.
В вольт-амперной характеристике тиристора (см. рис. 125) следует различать три
участка. Первый участок от Uk^O до Uk = Uk.ot соответствует запертому состоянию
тиристора. В пределах этого участка дифференциальное сопротивление тиристора
/•д =^-~— положительно, велико и почти постоянно. Но когда входное напряжение
приближается к значению (/к.от, то это сопротивление быстро убывает и на границе
первого участка оно равно нулю. В пределах второго участка Гд ^ д"^ oiрицагель-
но. Здесь увеличение силы тока вызывает увеличение избытка напряжения (—Амк),
что связано с дальнейшим повышением силы тока и т. д. Режим, соответствующий этому
участку характеристики, неустойчив. Тиристор от условий второго участка спонтанно
124.
Условное обозначение и
структурная схема ги-
ристора
125.
Вольт-амперная
характеристика тиристора

(самостоятельно) переходит к условиям
отпертого состояния, соответствующего третьему
участку характеристики; при этом
сопротивление Гд сначала становится равным нулю,
а затем положительным. Если параметры
внешней цепи, напряжение источника энергии U
и сопротивление нагрузки Гн постоянны, то на
основании вольт-амперной характеристики
тиристора и нагрузочной характеристики (Л =
= F(I) легко определить графически три
режима тиристора: запертое и отпертое состояния
и промежуточное неустойчивое. Входное
напряжение тиристора 126.
U.^-U-tr^.
ilnarpuMMa изменений режима
тиристора
Это уравнение прямой линии, которая пересекает ось абсцисс в точке 17, а ось ординат —
в точке / - (У/г„ (рис. 126). Характеристику тиристора эта прямая пересекает в трех
точках л, b и с, соответствующих заперто\*у, неустойчивому, и отпертому состояниям
прибора.
При увеличении сопротивления нагрузки Гн и постоянном V нагрузочная прямая
поворачивается вокруг точки V против часовой стрелки (точки ^i, /)i и ri). Наконец, когда
эта прямая становится касательной к характеристике (точка с г), тиристор может
находиться только в запертом состоянии, соответствующем точке а\. Точка с определяет
удерживающий ток /уд. Этот ток наименьший, который необходим для поддержания
прибора в ионизированном состоянии, т. е. отпертым.
Работа тиристора при отключенной цепи управления (7у - 0) называется режимом
динистора, при котором тиратрон служит лишь бесконтактным ключом, отпирающим
цепь при определенном напряжении. Регулирование напряжения отпирания
осуществляется посредством управляющего электрода: напряжение отпирания уменьшается при
воздействии через этот электрод положительного напряжения (/у =- 0). Оно вводит во
внутренний слой р^ дополнительные носители заряда ^- дырки, вследствие чего
уменьшается напряжение отпирания.
В настоящее время тиристоры широко применяют для управления значительными
мощностями в промышленности и на транспорте: для управляемого выпрямления
переменного тока; для управляемого преобразования переменного тока в переменный же ток,
но другой регулируемой частоты, непосредственно или же с промежуточным звеном
постоянного Tc^jca; для управляемого преобразования постоянного тока в переменный;
для преобразования постоянного тока в постоянный же, но другого напряжения,
непосредственное или с промежуточным звеном переменного тока и трансформатором.
7.6
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
Фотоэлемент - это прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического
лиапазона (область инфракрасных, видимых и ультрафиолетовых лучей) вызывает
временное обратимое изменение электрических свойств. Свет управляет в фотоэлементе 153

электрическим током или электронным потоком. Фотоэлемент служит «электрическим
глазом», не знающим утомления или ошибок. В настоящее время широко
распространены три типа фотоэлементов:
1) фоторезисторы (фотосопротивления), являющиеся фотоэлементами с внутренним
фотоэффектом, так как воздействие светового потока увеличивает число носителей
электрических зарядов внутри самого фотоэлемента;
2) фотоэлементы с запирающим слоем, в которых воздействие светового потока
создает разность потенщ1алов на границах электронно-дьфочного перехода в
полупроводнике (фотогальванический эффект);
3) вакуумные фотоэлементы или фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Они
принадлежат к числу электронных и ионных приборов.
Фоторезисторы (фотосопротивления) по устройству своему и технике применения
являются простейшими из фотоэлементов. В фотосопротивлениях лучистая энергия,
поглощаемая слоем полупроводника (селен, сернистый висмут, сернистый кадмий,
сернистый свинец и т. д.), вызывает значительное увеличение числа носителей зарядов
(электронов или дырок), а следовательно, уменьшение сопротивления элемента. Вентильным
действием фотосопротивления не обладают.
Большинство фоторезисторов изготовляют на стеклянном основании в виде пластины
(рис. 127), на которую нанесен тонкий слой металла, не подверженного коррозии, —
серебра, золота, платины. Этот металл служит для образования омических контактов с
полупроводником. В металле прорезается извилистая щель таким образом, чтобы
образовались два гребнеобразных электрода. Сверху напыляется слой полупроводника, толщина
которого должна быть не больше средней глубины проникновения в проводник света.
Таким образом, длина фотосопротивления равна ширине щели, т. е. весьма мала, а
поперечное сечение относительно велико, так как равно произведению толщины слоя
полупроводника на суммарную длину щели между электродами (0,01—0,5 см^). При таких
соотношениях сопротивление фотоэлемента не очень велико, несмотря на большое
удельное сопротивление самого полупроводника. Этим обеспечивается достаточная
чувствительность фотоэлемента. Покровный слой прозрачного лака защищает
полупроводник от внешних воздействий.
Фоторезистор включается последовательно с управляемым им устройством и
источником электроэнергии (рис. 128).
127.
Фоторезистор:
а — схема устройства,
'б — внешний вид
128.
Схема соединений
фоторезистора с источником
электроэнергии и с
исполнительным механизмом

Темновым сопротивлением Гтем называется сопротивление фотоэлемента, когда он
не освещен. В этих условиях через фотоэлемент под действием напряжения U источника
электроэнергии проходит небольшой темповой ток:
Когда фоторезистор освещается, его проводимость сильно возрастает, вследствие
чего увеличивается сила тока в управляемой цепи, а это вызывает срабатывание
исполнительного механизма ИМ. В большом числе случаев ток фоторезистора можно
использовать непосредственно без применения промежуточного усилителя для приведения в
действие исполнительного механизма — в этом существенное преимущество
фоторезистора, перед другими типами фотоэлементов.
Динамическая чувствительность фотоэлемента есть отношение изменения фототока
(в микроамперах) к изменению светового потока (в люменах):
при постоянном напряжении. Но ток через фоторезистор возрастет также с увеличением
напряжения, поэтому в фоторезисторе принято различать интегральную
чувствительность, определяемую при максимально допустимом рабочем напряжении и измеряемую
в микроамперах на люмен, и чувствительность, соответствующую единице напряжения,
измеряемую в микроамперах на люмен-вольт. Интегральная чувствительность
определяется путем умножения чувствительности фоторезисторов на номинальное
напряжение. Чувствительность фоторезисторов — величина порядка 1000—5000 мкА/лм, В при
максимальном рабочем напряжении (от 15 до 400 В в зависимости от типа
фоторезистора). Интегральная чувствительность фоторезистора относительно высока — от 50 до
1200 мА/лм.
Рабочая чувствительность фоторезистора зависит от относительной величины
сопротивления нагрузки Гн, соединяемой с ним последовательно (рис. 128). В каталогах
обычно приводится чувствительность фоторезисторов при короткозамкнутой цепи и
в области крутого подъема световой характеристики (рис. 129).
Ток, проходящий через фоторезистор, при постоянном напряжении зависит
нелинейно от светового потока F. Он пропорционален примерно V^. При больших световых
потоках чувствительность фоторезистора сильно понижается.
Зависимость фототока от напряжения, т. е, вольт-амперная характеристика
фоторезистора практически линейна — сила фототока растет пропорционально напряжению.
Но условия нагревания фоторезисторов ограничивают возможности увеличения
чувствительности путем повышения напряжения.
При освещении фотоэлемента ток в нем достигает своего конечного значения лишь
спустя некоторый промежуток времени, а при затемнении фотоэлемента он уменьшается
с некоторым запозданием. Таким образом, фоторезисторы обладают заметной
инерционностью. Их постоянная времени — величина порядка сотых долей секунды^ поэтому
на кратковременные световые импульсы они не реагируют.
На большую часть фоторезисторов, как на все полупроводники, сильно
воздействуют изменения температуры.
Спектральная характеристика фоторезисторов зависит от их материала. Путем
соответствующего подбора последнего можно построить фотоэлемент, чувствительный
к любой части видимого спектра. Некоторые из фоторезисторов обладают большой 155

130.
Схема устройства селенового
фотоэлемента с запирающим
слоем:
/ — контактное кольцо, 2
3 — опирающий слой, 4
юлотая пленка,
селен, 5 — сталь
156
129.
Световая (а) и вольт-амперная (б)характсри'
стики фоторезистора
чувствительностью к инфракрасной части спектра, что дает возможность использовать
их для наблюдения и регистрации излучений слабо нагретых тел.
В настоящее время преимущественно применяют фоторезис! оры, материалом
которых служат сернистые соединения. Селеновые фоторезисторы используют редко.
Фотоэлементы с запирающим слоем извесгны также под названием ветильных
фотоэлементов или фотоэлементов с гальваническим эффектом. Они представляют собой
обширную группу приборов, в которых поглощение лучистой энергии в обласги вокруг
электронно-дырочного перехода вызывает возникновение новых пар носителей заряда —
электронов и дырок, вследствие чего возникает разность потенциалов между электродами
фотоэлемента. Разность потенциалов (называемую фото-э. д. с.) можно использовать
для образования тока во внепшей цепи (вентильный режим) или для изменения силы тока,
создаваемого в цепи внешним источником электроэнергии. В последнем случае режим
работы фотоэлемента с запирающим слоем сходен с режимом фотосопротивления.
Наибольшее распространение в настоящее время имеют фотоэлементы из селена,
сернистого серебра и кремния, а также германиевые фотодиоды и фототриоды.
Рассмотрим устройство и рабочий процесс простейшего фотоэлемента с
запирающим слоем в условиях вентильного режима, т. е. когда в электрической цепи он
является единственным источником энергии.
Светочувствительный слой полупроводника (например, селена) наносится на
опорный металлический электрод (рис. 130). Этот слой покрывается тонкой прозрачной
пленкой из инертного металла (часто из золота). Для соединения с внешней цепью на края
этой пленки накладывается контактное металлическое кольцо. Пленку от внешних
воздействий защищает слой прозрачного лака,
В зависимости от технологии изготовления запирающий слой (электронно-дырочный
переход) может быть создан внутри полупроводника у прозрачной металлической пленки
(фотоэлемент с фронтовым фотоэффектом) или же вблизи от опорного металлического
электрода (фотоэлемент с тыловым фотоэффектом).
При работе фоторезистора световой поток через прозрачную пленку проходит
в полупроводник. Поглощение лучистой энергии здесь вызывает образование новых
пар носителей заряда — дырок и свободных электронов. Но у пере;^ода существует
электрическое поле, созданное разделением ос1ювиых носителей. Пол действием

этого ПОЛЯ на неосновные носители заряда электроны из дырочной области
полупроводника и дырки из электронной области удаляются через переход р—п\ электроны в л-об-
ласть, дырки в р-область. Вследствие увеличения зарядов областей потенциал дырочной
области повышается, а электронной понижается. Чем больше освещенность
фотоэлемента, тем больше дырок и свободных электронов образуется в полупроводнике и
тем больше разность потенциалов (фото-э. д. с.) между областями р и п.
Два проводника — прозрачная металлическая пленка и опорный электрод —
соединены с двумя областями полупроводника. Таким образом, под действием света
металлической пленке и вместе с ней контактному кольцу сообщается заряд одного знака, а
опорному металлическому электроду — другого знака.
Такой фотоэлемент может служить источником тока и не требует каких-либо
вспомогательных источников энергии. В нем лучистая энергия непосредственно преобразуется
в электрическую.
Фототок этого фотоэлемента, возникающий при замыкании элемента на внешнее
сопротивление, пропорционален освещенности лишь при условии, что внешнее
сопротивление относительно мало.
С одной стороны, чувствительность фотоэлементов с запирающим слоем весьма
высока — 0,5—10 мА/лм. С другой стороны, тончайший запирающий слой с двумя
проводящими областями, его окружающими, образует относительно большую емкость
(порядка 0,25 мкФ/см^ в селеновых фотоэлементах), вследствие этого фотоэлемент
обладает значительной инерционностью. Затруднительно также соединить этот фотоэлемент
с усилителем, так как при работе он должен быть замкнут на относительно малое
сопротивление, а такое сопротивление нельзя включать между сеткой и катодом
усилительной лампы, т. е. на вход усилителя. Следовательно, необходим специальный
промежуточный трансформатор.
Тем не менее фотоэлементы с запирающим слоем широко используются во всех
тех случаях, когда желательно применить фотоэлемент в качестве единственного
источника электроэнергии; в частности, в измерительных устройствах — в люксметрах,
фотометрах, экспонометрах, денсиметрах (приборах для измерения прозрачности сред) и т. д.,
а кроме того для получения электроэнергии в значительных количествах в солнечных
батареях, устанавливаемых, например, на искусственных спутниках земли.
Коэффициент полезного действия кремниевых фотоэлементов, применяемых для таких батарей,
достигает 11%. Более широкое распространение подобных батарей пока затруднительно
из-за их высокой стоимости.
Контрольные вопросы
1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. Чем отличается проводимость полупроводников от проводимости металлов?
3. Что такое полупроводниковый переход?
4. Чем отличается примесная проводимость полупроводника от собственной его
проводимости?
5. Какие полупроводники широко применяют в современной электронике?
6. Что такое коэффициент передачи тока транзистором?
7. Какой вид усиления имеет место в транзисторе при соединении по схеме с общей базой?
8. Какую зависимость выражает переходная характеристика транзистора?
9. Какие основные виды фотоэлементов применяют в современной электронике?
10. Какие физические явления используются в фоторезисторе?
11. Как работает фотоэлемент с запирающим слоем?

Главе ^% ЭЛЕКТРОННЫЕ
И ИОННЫЕ ПРИБОРЫ
8

8.1
ОСОБЕННОСТИ
ЭЛЕКТРОННЫХ
И ИОННЫХ ПРИБОРОВ
Электронные приборы основаны на использовании явлений электрического тока в
высоком вакууме. В таком приборе движение носителей заряда свободных электронов —
между электродами — происходит практически без столкновений с молекулами газа.
Но так как число носителей заряда в электронных приборах относительно мало, то они
пропускают сравнительно малые токи, а их внутреннее сопротивление велико. Зато
токами в электронных приборах легко управлять посредством электрических и магнитных
полей.
К электронным приборам относятся: электронные лампы (диод, триод, пентод,
гексод и др.), электроннолучевые трубки, электронные сверхвысокочастотные
приборы (СВЧ) — клистроны, магнетроны и пр., фотоэлементы с фотоэлектронной эмиссией
(с внешним фотоэффектом), рентгеновские трубки и т. д.
Из числа электронных ламп двухэлектродная лампа — диод используется в качестве
вентиля в выпрямителях.
На рис. 131 схематически показано устройство трехэлектродной лампы — триода.
Эта лампа является основным электронным прибором. В ней в откачанном до высокого
вакуума стеклянном баллоне помещены три электрода: накаливаемый катод, служащий
источником свободных электронов, анод, охватывающий катод, — приемник электронов
и между ними управляющий потоком электронов электрод, называемый сеткой, а в
действительности имеющий часто форму проволочной спирали. Малейшие изменения
потенциала сетки вызывают значительные изменения электронного потока, а
следовательно, тока лампы, что дает возможность использовать триод в качестве усилителя
колебаний. Тетрод и пентод по существу являются лишь более совершенными усилителями
колебаний. Триод, тетрод и пентод используются также в генераторах переменного тока
высокой и повышенной частоты. Гексод, гептод и октод — лампы специального
назначения, служащие, в частности, для преобразования частоты переменного тока.
Принципиальная схема устройства простейшей электроннолучевой трубки показана
на рис. 132. В этой трубке электрическое поле отклоняющих пластин управляет
направлением электронного луча, исходящего из электронного прожектора внутри трубки.
Электроннолучевые трубки используются в телевидении (кинескопы), в осциллографах,
радиолокаторах, электронных микроскопах, электронных коммутаторах и т. п.
Появление электронных усилителей дало возможность использовать для
практических целей внешний фотоэффект — эмиссию электронов металлом под действием света.
На основе этого принципа был построен электронный прибор — фотоэлемент с электрон- 159

131. 132.
Схема устройства элект- Упрощенная схема устройства
ронного триода электроннолучевой трубки
ной эмиссией. В настоящее время он широко применяется в звуковом кино, в различной
аппаратуре автоматического управления и т. д.
Ряд побочных процессов в электронных приборах возникает вследствие того,
что хотя разрежение в баллонах этих приборов может быть относительно велико
(10~^ —10"* мм рт. ст.), тем не менее в баллоне остается еще большое число молекул газа
(при указанных разрежениях 10® —10^ молекул в 1 см^).
В ионных приборах движение электронов между электродами происходит в
пространстве, заполненном разреженным газом или парами металла. Здесь при многочисленных
столкновениях электронов с частицами газа или паров металла образуется ионизация
частиц, увеличивающая число носителей тока, а следовательно, уменьшающая
внутреннее сопротивление прибора. Вследствие этого ионные приборы пропускают
относительно значительные токи, но инерционны и для переменных токов высокой частоты
непригодны.
К ионным приборам относятся: газотрон, тиратрон,^ртутный вентиль, стабилитрон
и др. В основном они используются для неуправляемого и управляемого выпрямления
переменного тока. Еще недавно ртутный выпрямитель — прибор с холодным ртутным
катодом — являлся самым распространенным мощным устройством для преобразования
с малыми потерями переменного тока в постоянный. В настоящее время его быстро
вытесняют полупроводниковые вентили.
Для управляемого выпрямления относительно небольших мощностей служит
ионный прибор с накаливаемым или холодным катодом, снабженный управляющей
сеткой, — тиратрон. Роль его в общем та же, что и полупроводникового прибора —
тиристора.
Приборы электроники в настоящее время применяют почти во всех отраслях техники,
где они входят как составная часть в устройства для измерения, контроля, автоматизации
и программирования. Большими преимуществами электронных приборов являются их
весьма высокая чувствительность (с помощью электрометрических электронных ламп
можно измерять токи порядка 10" ^^ А) и весьма малая инерционность (время
срабатывания некоторых электронных устройств измеряется микросекундами). Но важнейшим
прибором современной техники является электронный усилитель. Малый сигнал, подан-

ный на вход такого усилителя, на выходе достигает величины, достаточной для
приведения в действие того или иного исполнительного устройства.
Применение электронных приборов дало возможность осуществлять относительно
простыми средствами автоматизацию сложных производственных процессов, так как
посредством электронной аппаратуры можно измерять и контролировать не только
любые электрические величины (силу тока, э, д. с, сопротивление, мощность, частоту,
сдвиг фаз и т. д.), но и почти все физические величины: температуру, давление, силу света,
цвет, расстояние, размеры, время, вакуум и т. д.
Наконец, большое значение для всего народного хозяйства имеют электронные
вычислительные машины, снабженные запоминающими устройствами, рассчитывающие
и планирующие.
По некоторым показателям электронные приборы пока стоят выше
полупроводниковых (например, в отношении взаимозаменяемости), и ряд электронных приборов в
настоящее время даже в перспективе не имеет полупроводниковых заменителей
(например, электроннолучевые приборы).
8.2
ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Для создания внутри электронного прибора в вакууме между электродами потока
электронов используют явление электронной эмиссии^ т. е. выход свободных электронов
в вакуум или в газ из поверхностей твердых или жидких тел. В металле свободные
электроны находятся в движении, но их кинетическая энергия недостаточна, чтобы преодолеть
силы притяжения металла. Когда электрон выходит из металла, то тем самым он
отнимает у металла свой отрицательный заряд. Таким образом, металлу сообщается
положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Положительный заряд
притягивает вышедший электрон обратно в металл. Для преодоления силы,
противодействующей выходу электрона, должна быть совершена определенная работа.
Работой выхода называется та наименьшая дополнительная энергия, которую
необходимо затратить, чтобы вывести из проводника в вакуум один электрон. Эта работа
измеряется в электрон-вольтах (эВ). Она зависит от структуры проводника и ее величина
характерна для различных материалов. Например, для платины — 5,32, вольфрама —
4,60, ртути — 4,52, меди — 4,26, тория — 3,35, цезия — 1,81.
Электронная эмиссия похожа на испарение жидкости. При испарении затрачивается
теплота на парообразование, ей соответствует работа выхода электрона. Испарение
вызывает охлаждение жидкости, выход электрона — охлаждение проводника.
В условиях комнатной температуры кинетическая энергия электрона внутри
проводника недостаточна для того, чтобы электрон мог покинуть самостоятельно металл.
Для этого необходимо сообщить электронам дополнительную энергию.
Виды электронной эмиссии классифицируются в зависимости от способа передачи
этой энергии. В электронных и ионных приборах практическое значение имеют
следующие виды эмиссии: термоэлектронная, фотоэлектронная и электростатическая
(автоэлектронная).
\ Эмиссия создается обычно на катоде электронного прибора, поэтому в зависимости
от вида эмиссии классифицируются и виды катодов электронных и ионных приборов: \Ъ\

133.
Катоды:
а — прямонакальный, 6 —
подогревный
термоэлектронные катоды, фоюкатоды и холодные катоды (электростатические — пр
принципу действия). Термоэлектронная эмиссия имеет место, когда дополнтельная
энергия сообщается электронам путем нагревания тела, в частности нагреванием катода.
Чем меньше работа выхода для данного металла, тем ниже температура его нагрева,
необходимая для получения определенной эмиссии электронов. Это очень существенно
для электронных приборов. Таким образом, в качестве материала для катода жела гельно
иметь тугоплавкий металл с малой работой выхода. Таким магериалом является
вольфрам (температура плавления около 3400"" С). Катоды из чистого вольфрама применяют
в мощных и сверхмощных электронных лампах.
Работа выхода существенно снижается, если на поверхность основного металла
(вольфрама, молибдена, никеля и др.) нанести тонкий слой другого металла с меньшей
работой выхода — произойдет активирование катода. В частности, тончайший
(одноатомный) слой тория на вольфраме снижает работу выхода до 2,63 эВ (хотя рабола
выхода тория 3,35 эВ, а вольфрама 4,52 эВ). Такие торированные катоды применяю! в
мощных лампах. Но особенно широко используется активирование катода из ryi оплав-
кого металла смесью окислов щелочноземельных металлов: бария, стронция и кальция
с небольшим количеством чистого бария. Такой оксидный катод имеет работу выхода
около 1,1 эВ.
По конструкции термокатоды подразделяют на прямонакальные и подо! ревные.
Прямонакальный катод (рис. 133, а) может быть изготовлен из чистого мегалла
с оксидным покрытием.
Подогревный катод (предложенный академиком А. А. Чернышевым в 1918 i.)
состоит из нагревателя (рис. 133, г7), при помощи которого катод нагревается до нужной
температуры, и собственно катода, эмиттирующего электроны. Обычно кагод имес!
форму полого цилиндра, на внешнюю поверхность которого нанесен оксидный с;юй.
Внутри этого цилиндра помещен нагреватель, изготовленньГй из вольфрамовой
проволоки. Для изоляции от катода нагреватель покрьп слоем алунда (чистого глинозема).
Применение подо!ревного кагода дает возможность: во-первых, питать naipcBaicjn,
электронной лампы переменным током, так как благодаря значигельной тепловой
инерции подогревного катода периодические колебания переменного гока не вызываю! !1уль-
саций эмиссии; во-вторых, изоляция (депи накала от катода дает возможность ни !а!ь
все электронные лампы устройства от одного общего источника электроэнергии. Однако
из-за тепловой инерции подогревного катода нормальная эмиссия устанавливается >
него лишь после прогрева в течение 30—60 с.
Кроме термоэлектронной эмиссии, в электронных лампах имеет место вторичная
эмиссия — выход электронов из металлических, полупроводниковых и диэлектрических
поверхностей вследствие бомбардировки этих поверхностей потоком первичных
электронов. При таком воздействии энергия, сообщаемая первичными электронами части
электронов бомбардируемого тела, оказывается больше работы выхода, и эти вторичные
электроны выходят из поверхности в вакуум или газ. Такие вторичные электроны
появляются у анодов всех электронных ламп, когда энергия первичных электронов превышает

несколько десятков электрон-вольт. Но вторичная эмиссия для большего числа
электронных ламп не имеет практического значения. В них вторичные электроны,
освобожденные на положительно заряженном аноде, возвращаются назад на анод и не влияют на ток
между электродами. Но в других лампах (например, в тетродах) вторичная эмиссия
создает вредный эффект обратного тока.
8.3
устройство,
характеристика
и параметры диода
Диод является простейшей из электронных ламп. Его основными частями служат
стеклянный или металлический баллон, откачанный до глубокого вакуума, и два
электрода— анод и катод, помещенные внутри баллона (рис. 134). Устройство катодов как
прямолинейного, так и подогревного мы уже рассмотрели.
Никелевый или молибденовый анод имеет цилиндрическую или коробчатую форму.
Он охватывает катод. Выводы электродов в виде штырьков впрессованы в
пластмассовое основание цоколя лампы. Анод имеет один вывод, катод прямого накала — два
вывода, подогревный катод — три вывода (один собственно катода и два подо! ревателя).
Для накала катода применяют различные источники электроэнергии низкого
напряжения (2—30 В), например, таким источником может служить небольшая батарея
накала и» (рис. 135), состоящая из гальванических элементов или аккумуляторов. Ток этого,
источника (ток накала) /„ нагревает катод и под действием термоэлектронной эмиссии
электроны выходят из катода в вакуум. Чтобы эмиттированные электроны перемещались
к аноду, необходимо создать между катодом и анодом электрическое поле, направленное
от анода к катоду. Для этого служит анодный источник напряжения, например, батарея Ua
(20—100 В). Ее отрицательный полюс соединяется с катодом, положительный полюс
через сопротивление нагрузки г„ — с анодом.
Электроны, эмиттированные катодом, под действием сил поля движутся к аноду,
создавая анодный ток в вакуумном промежутке, условно направленный от анода к
катоду, т. е. в сторону, противоположную движению электронов. Но если бы плюс анодной
батареи был соединен с катодом, а минус — с анодом лампы, то ток в лампе должен был
бы прекратиться, так как под действием сил поля электроны термоэмиссии возвращались
бы обратно на катод. Следовательно, диод является вентилем — он пропускает ток
только в одном направлении — от холодного анода к нагретому катоду, чему соответ-
; 134.
i Схема устройства диода
135. I
Соединение диода с ис- i
точником электроэнер- |
гии 1^3

136.
Электронное облачко (а) и эквива-
лентный объемный отрицательный
заряд вокруг катода (6)
ствует движение свободных электронов в обратном направлении от катода к аноду.
Пока ка год iie нагрет и отсутствует термоэлектронная эмиссия, поле между электродами
можно считать равномерным, т. е. напряженность его постоянна, а потенциал от катода
к аноду возрастает линейно. Но когда катод нагрет и в пространстве между электродами
появляются свободные электроны (рис, 136, а), поле перестает быть равномерным.
Движущиеся электроны представляют собой отрицательные заряды. Их наличие в
пространстве между электродами эквивалентно некоторому неподвижному отрицательному
объемному заряду (рис. 136, б). Поле этого объемного заряда, накладываясь на анодное
поле, является для электронов термоэмиссии тормозящим, стремящимся вернуть их
назад на катод. Это так называемый потенциальный барьер на пути электронов.
Тормозящее действие объемного заряда наглядно можно уподобить отталкивающему действию
«электронного облачка», расположенного вблизи катода. Из-за противодействия
объемного заряда не все электроны термоэмиссии участвуют в образовании анодного тока.
Часть из них возвращается обратно на катод. Однако если значительно повысить анодное
напряжение, то все электроны термоэмиссии будут достигать анода. Такие условия
называются режимом тока насыщения.
Вольт-амперная характеристика диода (рис. 137) — это зависимость анодного тока
от приложен1юго между анодом и катодом анодного напряжения h ^ /^(t^a) при
неизменном токе накала /н. Последний при нормальной работе лампы должен иметь
номинальное значение: не должно быть как перекала, так и недокала.
При равенстве анодного напряжения нулю, но при нормальном токе накала /«, диод
все же проводит некоторый небольшой ток. Он создается теми электронами
термоэмиссии, кинетическая энергия которых достаточна для достижения анода. Чтобы уничтожить
этот весьма малый ток, нужно подать на анод отрицательное запирающее напряжение
порядка —0,5 В, которое создает между электродами тормозящее поле.
С увеличением положительного анодного напряжения анодный ток возрастает
сначала почти линейно, так как с увеличением анодного напряжения все большее число
электронов преодолевает отталкивающее действие объемного заряда у катода. Но по-
ciencHHo, по мере увеличения напряжения, начинает сказываться влияние насыщения,
что соответствует отклонению кривой вольт-амперной характеристики в сторону оси
абсцисс. Теоретически предел увеличению анодного тока определяется величиной
термоэлектронной эмиссии. Если все электроны, эмиттируемые катодом, достигают анода,
то дальнейший рост анодного напряжения не увеличивает силу анодного тока.
В действительности на вольт-амперной характеристике нет резкого перехода к
режиму насыщения из-за неравномерности распределения температуры вдоль реального

137.
Вольт-амперная характеристика диодов i
катода, неодинаковых эмиссионных свойств отдельных его участков, неоднородности
электрического поля вдоль катода (плотность объемного заряда вблизи слабо нагретых
участков катода значительно меньше) и т. д.
Сама термоэлектронная эмиссия несколько зависит от анодного напряжения, С
увеличением этого напряжения возрастает напряженность поля у катода, что несколько
облегчает выход электронов из катода. Такое увеличение эмиссии с возрастанием
анодного напряжения особенно сильно выражено у ламп с оксидным катодом.
При работе диода значительное количество тепла выделяется на аноде из-за
бомбардировки анода электронами анодного тока. Энергия, отдаваемая лампе анодной
батареей, переходит в тепло. Эту энергию анод при установившемся температурном режиме
должен отдавать в окружающую среду. Для улучшения теплоотдачи анодом его
поверхность часто чернится, а мощные лампы снабжаются радиаторами, соединенными с
анодом.
Расчеты электронных устройств в большом числе случаев ведутся на основании
некоторых средних величин, характеризующих данный тип лампы и называемых
параметрами лампы.
К числу основных параметров диода принадлежит его внутреннее сопротивление г,
и крутизна характеристики S.
Внутренним сопротивлением всех электродных ламп называется отношение
изменения анодного напряжения Л (/а к изменению анодного тока Ala, т. е. дифференциальное
сопротивление
••■'■■' . - • ^ii* ■ •• ~'-
/:-'г:^ШЩ^, : (79)
л/а
а величина
называется статическим сопротивлением. Это сопротивление пропорционально
тангенсу угла наклона вольт-амперной характеристики и постоянно в пределах линейного
участка этой характеристики.
Крутизна характеристики S электронной лампы есть отношение изменения тока Л1к
в цепи одного электрода лампы к изменению напряжения Л1/, другого электрода лампы:
rS'^^ J (80)
Ai/i
165

138.
Двойной диод:
а — частичный разрез, б-
колевка
Для диода величина S, обратная внутреннему сопротивлению, равна
дифференциальной проводимости диода:
5-'^f'---g.. (81)
At/a ''/
Мощность выделяющаяся на аноде диода, и потеря напряжения тем меньше, чем
больше крутизна характеристики S.
Область применения диода, кроме внутреннего сопротивления г,- и крутизны
характеристик S, определяют следующие величины: предельно допустимые максимальное /а.м
и среднее h значения анодного тока, предельно допустимая мощность, рассеиваемая
анодом и стеклом баллона, предельно допустимое максимальное значение обратного
напряжения С/ов. м.
Напряжение между анодом и катодом диода при прямом направлении тока
сравнительно невелико. Но при обра1ном направлении обратное напряжение достигает
значения амплитуды переменного напряжения. У современных выпрямительных диодов,
называемых часто кенотронами^ допустимое обратное напряжение лежит в пределах
от 1 кВ до нескольких сотен киловольт.
В большинстве случаев диод служит для выпрямления переменного тока. Чтобы
использовать обе полуволны тока и получить таким путем двухполупериодное
выпрямление, необходимы два диода. Для экономии габаритов два диода, нужные при двухполу-
периодном выпрямлении, часто изготовляют в виде одной комбинированной лампы
(рис. 138). Она состоит из двух диодов, помещенных в общий баллон и разделенных
металлическим экраном. Нагреватели двух катрдов соединены последовательно. На
рисунке виден в разрезе только один из диодов; спиралеобразный его нагреватель
охватывается трубчатым катодом, а последний, в свою очередь, находится внутри цилиндра
анода.
Кроме выпрямления, диоды используются для диодного детектирования, т. е. для
выделения из модулированного высокочастотного колебания колебаний звуковой
частоты в радиоприемниках.

Цоколевкой лампы называется схема соединения электродов лампы со штырьками,
укрепленными в пластмассовом цоколе лампы. Двойной диод имеет октальный цоколь,
т. е. его семь штырьков расположены по вершинам правильного восьмиугольника,
причем одна из вершин оставлена свободной. Цоколь снабжен пластмассовым ключом —
выступом с направляющим ребром, помещенным в его середине. Наличие такого ключа
исключает возможность вставить неправильно лампу в ламповую панель. Цоколевка
показывает расположение выводов лампы, если смотреть на нее снизу. Нумерация
штырьков ведется по ходу часовой стрелки и начинается от штырька, ближайшего к ребру ключа.
8.4
УСТРОЙСТВО,
ХАРАКТЕРИСТИКА
И ПАРАМЕТРЫ ТРИОДА
Триод (трехэлектродная лампа) отличается от диода тем, что между катодом и
анодом в нем помещен промежуточный электрод — сетка. В современных лампах последний
часто выполняется в виде проволочной спирали, круглой или плоской, витки которой
привариваются к металлическим пруткам и траверсам, а последние укрепляются на
изолирующих держателях (рис. 139). Сетка является весьма чувствительным управляющим
электродом триода, так как посредством малого изменения напряжения между сеткой и
катодом можно вызвать значительное изменение потока электронов между катодом и
анодом, образующего анодный ток. Усилительное действие сетки объясняется тем, что
она расположена значительно ближе к катоду, чем анод, и частично экранирует катод от
действия поля анода. Вследствие этого значительно более интенсивное поле создается
при напряжении, приложенном между сеткой и катодом по сравнению с полем такого же
напряжения, приложенного между анодом и катодом.
При наличии сетки электроны, эмиттированные катодом, могут пролетать к аноду
через промежутки между витками сетки. Но при отрицательном потенциале сетки между
ее витками будет возникать потенциальный барьер, отталкивающий электроны назад
а - схема, 6 - цоколевк;. АнОДНО-СеТОЧНЫе ХараКТС-
ристики триода
167

141.
Схема для получения
статических характеристик
триода
на катод. Однако в этом барьере возможны отверстия, через которые могут пролететь
электроны. Таким образом, изменение потенциала сетки дает возможность изменить
анодный ток от нуля до тока насыщения.
Режим триода определяется воздействием двух независимых друг от друга
напряжений: анодного С/а и сеточного Uq. Первое приложено между анодом и катодом, а
второе — между сеткой и катодом. Каждая из основных характеристик триода строится как
зависимость тока одного из электродов от одного из напряжений, причем второе
напряжение сохраняется неизменным. Если такие зависимости определять при нескольких
значениях второго нерегулируемого напряжения, то получается семейство характеристик.
Таким образом, для триода можно построить четыре семейства характеристик.
Важнейшими из них являются анодно-сеточные характеристики (рис. 140).
Характеристики, снимаемые при постоянных токах в цепях лампы, называются
статическими. На рис. 141 дана схема для получения статических характеристик триода. Для
изменения знака сеточного напряжения в ней предусмотрен переключатель в цепи сетки.
Все характеристики следует снимать при номинальном напряжении накала.
Семейство анодно-сеточных характеристик показывает управляющее действие сетки
при различных анодных напряжениях. Так как анодное напряжение всегда положительно,
то для уменьщения анодного тока /а до нуля необходимо отрицательное сеточное
напряжение. Следовательно, исходные точки анодно-сеточных характеристик должны
находиться слева от начала координат. Чем больше анодное напряжение, тем дальше влево
смещается характеристика. Участки характеристик, лежащие вправо от оси ординат,
изгибаются в сторону оси абсцисс. Это следствие перехвата части потока электронов
положительно заряженной сеткой и возникновения сеточного тока.
При управлении работой триода посредством изменения сеточного напряжения в
большинстве случаев нежелательно возникновение сеточного тока, так как он нагружает
цепь сигнала, воздействующего на сетку, уменьшая входное сопротивление триода;
это вызывает искажение кривой передаваемого сигнала. Если между сеткой и катодом
включать только переменное напряжение сигнала, то потенциал сетки будет то
отрицательным, то положительным, а при положительном потенциале будет возникать
нежелательный сеточный ток. Чтобы потенциал сетки при работе триода всегда оставался
отрицательным, кроме напряжения сигнала на сетку подается от некоторого источника
небольшое постоянное напряжение отрицательного смещения С/см (рис. 142). Оно
должно быть таким по величине, чтобы переменное напряжение сигнала никогда не могло
поднять потенциал сетки выше некоторого отрицательного значения. Следовательно,
под действием напряжения сигнала потенциал сетки колеблется вокруг значения С/см-
Эти колебания потенциала сетки вызывают соответствующие изменения анодного тока,
168 которые можем определить, пользуясь анодно-сеточной характеристикой триода, причем

в нижнем левом квадранте координат изображаем напряжение сигнала как функцию
времени (рис. 143), а в правом верхнем квадранте строим кривую й =^F{t),
В ряде случаев целесообразно вместо особого источника получать необходимое
напряжение смещения (автоматическое смещение) как падение напряжения от
постоянной составляющей анодного тока. Для этого последовательно с катодом включается
постоянное активное сопротивление г» (рис. 144), которое шунтируется относительно
большой емкостью Cr. Емкостная проводимость <лСк конденсатора должна быть
достаточно велика, чтобы емкость практически закорачивала г^ для переменной составляющей
анодного тока.
Основными параметрами триода являются коэффициент усиления ц, внутреннее
сопротивление г/ и крутизна характеристики S. Вместе с номинальными значениями
электрических величин — напряжений и токов — эти три параметра определяют область
применения триода.
Коэффициент усиления является наиболее важным из параметров триода. Он
определяется как отношение изменения анодного напряжения Aua к изменению сеточного
напряжения Auc при условии, что анодный ток сохраняется неизменным. Например,
с увеличением по абсолютной величине отрицательного сеточного напряжения на 0,1 В
уменьшается анодный ток, и, чтобы его восстановить, необходимо увеличить
положительное анодное напряжение на 10 В.
Изменения Аи^ и Auc должны быть всегда различны по знаку, поэтому коэффициент
усиления
^ М (82)
при неизменном анодном токе h =^ const.
Значения коэффициента усиления триодов ориентировочно лежат в пределах 4—100.
Внутреннее сопротивление триода определяется так же, как и диода; это —
дифференциальное сопротивление
Ака/••-'■
142.
Схема получения
отрицательного . --
смещения ттосред- ^-^ 144.
ством вспомога- i4o. Схема получения
автотельного источ- Диаграмма передачи сигнала трио- матического отрица-
ника э. д. с. дом тельного смещения

при постоянном сеточном напряжении Мс- В зависимости от типа триода внутреннее
сопротивление имеет величину от 300 Ом до 100 кОм.
Крутизна характеристики S триода определяется при постоянном анодном
напряжении как отношение изменения анодного тока Aia к изменению сеточного напряжения
Д«г , вызвавшему это изменение тока S^—^— при Ма '-'■ const.
Связь между тремя параметрами триода определяется так называемым
внутренним уравнением триода:
'■■Щ^^~Щ^ (83)
Следует учитывать, что рассмотренные три параметра в действительности
существенно изменяются в зависимости от режима триода. Важной технической
характеристикой триода является степень постоянства его параметра.
Помимо этих параметров д, г, и S, на работу триода при высоких частотах могут
существенно влиять его междуэлектродные емкости между сеткой и анодом С^а, между
сеткой и катодом Сек и между анодом и катодом Сак (рис. 145). На рис. 145 эти емкости
условно показаны вне триода, присоединенными к его соответствующим электродам.
Влияние этих емкостей в той или иной степени мешает работе триода при высокой
частоте. Наиболее важно влияние емкости Сса между сеткой и анодом, так называемая
проходная емкость триода, так как через нее переменная составляющая анодного
напряжения — выходное напряжение триода, может воздействовать обратно на вход триода —
на напряжение сетки, нарушая тем самым работу устройства. Наличие значительной
проходной емкости (порядка нескольких пикофарад) затрудняет его применение для
высоких частот.
8.5
МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ
ЛАМПЫ
Чтобы уменьшить проходную емкость усилительной лампы, была разработана
четырехэлектродная лампа — тетрод, основным конструктивным отличием которой от
триода является наличие второй экранирующей сетки (рис. 146). Эта сетка помещена
между анодом и управляющей сеткой; назначение последней остается тем же, что и в
триоде. Вторая сетка именуется экранирующей, так как ее основная задача —
экранирование области вблизи катода от действия поля анодного напряжения. Потенциал этой
сетки поддерживается постоянным, равным 15—100% от номинального значения
анодного напряжения лампы. Экранирующая сетка значительно уменьшает емкость между
сеткой и анодом — проходную емкость лампы (примерно до 0,01—0,05 пФ). Это
особенно важно для работы лампы в устройствах высокой частоты.
Вместе с тем существенно ослабляется воздействие анодного поля на электроны
вблизи катода, а воздействие поля управляющей сетки остается без изменения.
Следовательно, чтобы поддержать неизменным анодный ток при изменении Auc
сеточного напряжения, в тетроде необходимо значительно большее изменение Ама
анодного напряжения. Но отношение AuJAuc = —й- По этим причинам коэффициент
усиления тетрода оказывается в десятки и сотни раз больше, чем триода.

145
Схема междуэлектродных
емкостей триода
146.
Экранирующая сетка в тетроде
Экранирующая сетка заряжена положительно, поэтому неизбежен перехват ею части
электронного потока, направляющегося к аноду. Следовательно, возникает ток
экранирующей сетки /э порядка 25—30% анодного тока. Наличие этого тока часто
используется для получения на экранирующей сетке положительного постоянного напряжения (Л,
несколько меньшего, чем анодное напряжение. С этой целью сетка включается под
анодное напряжение через добавочное сопротивление Гэ (рис. 147). Вследствие падения
напряжения в этом сопротивлении напряжение на экранной сетке (Л ^ U^ —/э'*э может
быть значительно ниже анодного напряжения. Но при таком соединении колебания
анодного тока при работе лампы должны вызывать нежелательные колебания t/э. Чтобы
устранить такие колебания, между экранирующей сеткой и катодом включается
значительная емкость Сэ, которая для переменной составляющей экранного тока практически
замьпсает накоротко экранирующую сетку и катод.
Однако использование преимуществ тетрода — большого коэффициента усиления
и малой проходной емкости — затруднено его существенным недостатком — наличием
падающего участка у анодной характеристики (рис. 148) из-за влияния вторичной эмиссии
с анода.
При малых значениях анодного напряжения скорости электронов, ударяющихся в
анод, недостаточны, чтобы вызвать вторичную эмиссию. Когда скорости достигают
определенной величины, то возникает вторичная эмиссия — движение электронов от
анода к экранирующей сетке — навстречу электронам анодного тока, вследствие чего при
повышении напряжения в определенных пределах понижается анодный ток — это
провал анодной характеристики.
Пентод (пятиэлектродная лампа) свободен от недостатка тетрода — провала
анодной характеристики, так как имеется третья сетка, помещенная между экранирующей
сеткой и анодом. В простейших схемах эта сетка соединяется непосредственно с катодом
(рис. 149). Отрицательный по отношению к аноду потенциал защитной сетки отталкивает
147.
Схема включения сеток
тетрода
148.
Анодная характеристика I
тетрода I 171

I электроны вторичной эмиссии обратно на' анод и,
таким образом, препятствует возникновению тока вто-
I ричной эмиссии.
I Вместе с тем защитная сетка осуществляет неко-
I торое дополнительное экранирование поля вблизи
катода от действия анодного напряжения, следствием
чего является некоторое увеличение коэффициента
усиления м и внутреннего сопротивления п пентода по
' ^"" сравнению с триодом и тетродом. Иногда пентод ис-
Схема включения сеток пен- пользуется в качестве триода или диода путем
соединения сеток между собой.
Ввиду специального характера более сложных многоэлектродных ламп ограничимся
только кратким упоминанием их назначения.
Гексод — шестиэлектродная четырехсеточная лампа, применяется в качестве
смесительной лампы в радиоприемниках.
Гептод — семиэлектродная пятисеточная лампа, служит преобразователем частоты.
Принципы,действия гептода в общем те же, что и гексода.
Октод — восьмиэлектродная шестисеточная лампа, представляет собой гептод,
снабженный защитной (антидинатронной) сеткой.
8.6
ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ
ТРУБКИ
Электронный луч является характерной особенностью большой группы электронных
приборов. Это сфокусированный пучок потока электронов. В электронных лампах длина
пробега электронов между электродами измеряется в большинстве случаев в
миллиметрах, а электронный луч имеет длину порядка 10—20 см. В электроннолучевых приборах
осуществляется управление направлением этого луча и его интенсивностью.
Основные виды электроннолучевых приборов следующие: 1) электроннолучевые
трубки, преобразующие электрические сигналы в видимое изображение на экране (трубки
электронных осциллографов, индикаторные трубки радиолокаторов, телевизионные
приемные трубки и т. п.); 2) телевизионные передающие трубки, преобразующие видимое
изображение в электрические сигналы; 3) трубки электронных микроскопов.
Электроннолучевая трубка — это электронный вакуумный прибор, основными
частями которого являются: электронный прожектор (рис. 150), отклоняющие луч устройства
и люминесцирующий экран. На последнем под действием электронного луча возникает
светящееся пятно, смещающееся по экрану под воздействием электрического или
магнитного поля отклоняющего устройства.
Электронный прожектор (электронная пушка) служит для получения электронного
луча необходимой интенсивности. Он содержит источник свободных электронов —
обычно оксидный подогревный катод, дающий удельную эмиссию (т. е. эмиссию с 1 см^)
порядка 0,2—1,0 А/см^. Катод этот имеет форму стаканчика, на торцевую поверхность
которого нанесен оксидный слой.
Катод помещен внутри цилиндра управляющего электрода — модулятора. В
середине дна этого цилиндра сделано отверстие, которое служит диафрагмой для
электронного луча. Модулятору сообщается напряжение, обычно отрицательное по отношению

150.
Схема устройства электроннолучевой трубки (а) и сопоставление ее злектроста-
гических линз с опшческичи линзами (6):
I - молуляюр, J — П0Д01 реваюль, 3 — кагол, 4 — диафрагмы, -^" — jKpaH. 6 — свеговое пя1но, 7 — второй анол,
Н — первый анол
К катоду. Отрицательный заряд модулятора отталкивает часть электронов катодной
эмиссии обратно на катод; остальные под действием электрического поля модулятора
пролетают через отверстие диафрагмы, образуя относительно сжатый пучок. Роль
модулятора в электроннолучевой трубке в общем та же, что и роль управляющей сетки в
электронной лампе. Изменение потенциала модулятора дает возможность управлять
интенсивностью электронного луча, а при определенном, достаточно большом по абсолютной
величине отрицательном потенциале модулятора луч запирается.
Электрическое поле, ускоряющее электроны луча, возбуждается высоким
напряжением, приложенным между катодом и анодами, расположенными вдоль пути луча.
Придав специальную форму этим анодам, можно сфокусировать электронный луч на экране
трубки. Но если нужно обеспечить весьма малые размеры пятна на экране (например,
в приемных трубках телевизоров), то применяют магнитную фокусировку луча
посредством воздействия специальных фокусирующих катушек, надетых на узкую часть трубки.
Соответственно принято различать трубки с электростатической фокусировкой и трубки
с магнитной (точнее с электромагнитной) фокусировкой.
При электростатической фокусировке два анода (рис. 150) представляют собой
полые цилиндры с диафрагмами в виде перегородок с отверстиями. Между вторым
анодом и катодом включается источник постоянного высокого напряжения. На первый анод
посредством делителя подается напряжение, составляющее только 10—30% напряжения
второго анода.
Электрическое (или магнитное) поле может воздействовать на поток электронов
совершенно так же, как оптическая линза на световой поток, в соответст вии с чем принято
называть электронными и магнитными линзами электрические и магнитные поля
соответствующей конфигурации. Такая система называется электронной оптикой.
В электронном прожекторе две электронные линзы образуют фокусирующую
систему. Роль первой линзы играет электрическое поле, создаваемое между первым анодом,
модулятором и катодом. Она собирает луч в первый фокус между модулятором и первым
анодом.
173

пройдя через первый фокус, траектории электронов вновь несколько расходятся.
Для их фокусирования на экран трубки служит вторая электронная линза, образуемая
полем между первым и вторым анодами. На рис, 150 две электронные линзы
сопоставлены с линзами оптической системы, также дважды фокусирующей луч света.
Рабочая фокусировка луча осуществляется регулированием напряжения первого
анода. С помощью такого регулирования можно изменять радиусы кривизны
электронных линз.
При магнитной фокусировке применяется по существу смешанная система линз;
сохраняется упомянутая первая электростатическая электронная линза, но вторая линза
делается магнитной. Вторым анодом при этом иногда служит слой графита, нанесенный
на часть цилиндрического участка трубки и на ее конусную составляющую, прилегающую
к экрану.
Магнитная линза возбуждается постоянным током, пропускаемым по катушке.
Последняя надевается на цилиндрическую часть баллона трубки (рис. 151). Большой диаметр
магнитной линзы по сравнению с электростатической обеспечивает меньшие размеры
пятна на экране. Фокусировка луча на экране выполняется посредством управления
постоянным током, что изменяет радиус кривизны магнитной линзы.
Для управления положением луча на экране применяют электростатические и
магнитные отклоняющие устройства.
Простейшая электростатическая отклоняющая система состоит из двух пар плоских
параллельных пластин (рис. 152), между которыми возбуждаются два взаимно
перпендикулярных электрических поля. Посредством изменения напряжения на этих двух парах
пластин можно сместить светящееся пятно в любую точку экрана.
Смещение пятна на экране пропорционально напряжению между пластинами, но
оно же обратно пропорционально анодному напряжению Ua. Последняя зависимость
имеет простую физическую причину: анодному напряжению пропорциональна скорость v
электрона, и чем выше эта скорость, тем кратковременнее воздействие отклоняющей
силы на электрон, а следовательно, и меньше отклоняющая скорость.
Практически в большинстве случаев простые плоско-параллельные пластины
заменяются пластинами более сложной формы, например, изогнутыми, с расходящимися
краями, тем самым получают большие углы отклонения луча, уменьшается
расфокусировка луча при отклонении и т. д.
151.
Катушка магнитной фокусировки
152.
Дв& пары пластин
электростатической отклоняющей
системы

154.
Схема пути луча по
экрану
телевизионной трубки
153.
155.
Импульсы на
экране радиолокацион-
Катушки магнитной отклоняющей системы ной трубки
Магнитное отклонение луча осуществляется посредством магнитного поля,
поперечного по отношению к оси трубки. Магнитное поле возбуждается током, проходящим
по отклоняющим катушкам, устанавливаемым снаружи цилиндрической части баллона
трубки (рис. 153). Таким образом, оси отклоняющих катущек должны быть
перпендикулярны оси фокусирующей катушки. Магнитное управление требует значительно большей
затраты мощности, чем электростатическое.
Отклоняющие катушки для низких частот снабжаются ферромагнитными
сердечниками, для более высоких састот их изготовляют без сердечников. Но из-за значительной
индуктивности самих катушек предельной частотой отклоняющего тока является
примерно 10 МГц.
В телевизионной приемной электроннолучевой трубке под действием периодически
изменяющихся отклоняющих полей луч обегает строчку за строчкой весь экран трубки
(рис. 154), но при этом под действием электрического сигнала на потенциал модулятора
изменяется интенсивность луча, а следовательно, и свечение пятна на экране. Так, на
экране образуется видимое изображение, состоящее из светлых и темных точек.
В радиолокационных устройствах электроннолучевая трубка служит для отсчета
положения на экране двух импульсов (рис, 155).
Первый из них создается воздействием на радиоприемное устройство, соединенное
с трубкой, электромагнитной волны, посылаемой радиолокационной станцией. Второй
импульс, во много раз более слабый, вызывается воздействием на то же приемное
устройство электромагнитной волны, отраженной от обнаруживаемого объекта (обычно
металлического), например от корабля в тумане. Расстояние между этими двумя импульсами

на экране трубки пропорционально расстоянию от радиолокационной установки до
объекта обнаружения.
Электроннолучевая трубка, применяемая в электронном микроскопе^ снабжена
электронным прожектором такого же типа, как вышеописанные, только катод в нем
изготовляется из вольфрама без слоя оксида, так как испарения оксида в вакууме могли бы
повлиять на исследуемый объект. Узкий поток электронов, собранный линзой,
пронизывает изучаемый объект — просвечивает его. Полученное «теневое изображение»
объекта увеличивается системой электронных линз. Результирующее увеличение изображения
наблюдается на люминесцентном экране или фотографируется. Получаемое при этом
полезное увеличение может достигать 100 000.
Электронный микроскоп применяют для исследования тонкой структуры вещества.
Отметим, что исследуемый объект находится в вакууме и представляет собой тонкий слой,
доступный для электронного просвечивания.
8.7
ИОННЫЕ ПРИБОРЫ
В ионных приборах разреженный газ, введенный в предварительно откачанный до
высокого вакуума баллон, при возникновении ионизации сильно уменьшает внутреннее
сопротивление и потерЛ) напряжения. В результате этого существенно повышается к. п. д.
ионного прибора, работающего обычно в качестве вентиля.
У большинства ионных приборов рабочее давление газа (или паров ртути)
относительно мало — порядка долей миллиметра ртутного столба. Это необходимо для того,
чтобы средний свободный (т. е. без столкновений) пробег электронов в разреженном
газе был достаточно велик. Во время пробега даже при невысоких напряженностях поля
электроны приобретают энергию, достаточную для неупругого взаимодействия с
атомами или молекулами газа или пара. Происходят возбуждение и ионизация атомов
газа или паров, т. е. создаются дополнительные носители тока — свободные' электроны
и положительные ионы. Но так как скорость движения легких электронов во много раз
больше скорости движения относительно тяжелых положительных ионов газа, то и в
ионных приборах, как и в электронных, основными носителями тока остаются
свободные электроны. Доля тока, образуемого движением положительных ионов, составляет
примерно менее одной десятой силы тока через газовый разрядный промежуток.
Полезная роль положительных ионов заключается в Том, что они своими зарядами
нейтрализуют объемный отрицательный заряд электронов. В разрядном промежутке образуется
плазма — среда, для которой характерна высокая концентрация одинакового числа
зарядов обоих знаков (порядка 10^—10'^ пар зарядов в 1 см ^). Вследствие того, что
проводимость газовой плазмы близка к проводимости металлов, через газовый промежуток
ионного т1рибора могут проходить относительно большие токи при сравнительно малом
падении напряжения.
Но в то же время ионР1ЫЙ характер проводимости делает процесс прохождения тока
через прибор инерционным, что существенно отличает ионные приборы от электронных.
После исчезновения анодного напряжения в течение времени деионизации часть ионов и
электронов в баллоне рекомбинирует, т. е. соединяется в нейтральные атомы газа у сте-
176 "ок баллона. Но если прибор служит вентилем, то под действием электрического поля,

создаваемого обратным напряжением, эта часть носителей тока уходит к электродам j
и образует, таким образом, небольшой ток в непроводящем направлении прибора. '
Часть ионных приборов работает в условиях несамостоятельного разряда (газотрон,
тиратрон). Для возникновения и поддержания такого разряда необходим источник I
энергии, создающий носители заряда в разреженном газе. Таким источником свободных
электронов является термоэлектронная эмиссия нагреваемого катода, j
Другие ионные приборы (ртутные вентили) работают при самостоятельном
дуговом разряде, для возникновения и поддержания которого достаточно наличия
соответствующего электрического поля в газовом разрядном промежутке. В большинстве слу- '
чаев ионные приборы могут быть заменены превосходящими их в ряде отношений
полупроводниковыми, поэтому последние быстро вытесняют из технической практики ионные |
приборы.
Тиратрон представляет собой управляемый ионный вентиль. Баллон его заполнен ,
разреженным инертным газом или парами ртути.
Прибор снабжен термоэлектронным катодом. При работе в баллоне тиратрона
поддерживается несамостоятельный дуговой разряд. Благодаря наличию сетки (рис. 156) ^
напряжение зажигания тиратрона можно регулировать: отрицательный потенщ1ал сетки
повышает напряжение зажигания, а положительный потенциал его понижает. Сетка I
своим потенциалом может держать тиратрон запертым или отпирать его, но не может
регулировать анодный ток. Как только в баллоне установился дуговой разряд между 1
катодом и анодом, напряжение сетки перестает влиять на силу анодного тока:
положительные ионы газа обволакивают сетку и компенсируют ее отрицательный заряд.
Тем самым создается возможность свободного прохода электронов сквозь отверстия I
сетки.
При переменном анодном напряжении зажигание повторяется каждый период и про- |
исходит тем позже, чем больше по абсолютной величине отрицательное сеточное
напряжение. От величины этого напряжения зависит, в течение какой части полупериода ти- j
ратрон пропускает ток. Следовательно, изменяя сеточное напряжение, можно
регулировать длительность горения тиратрона и вместе с тем среднее значение выпрямленного
тока (рис. 157). Часто удобнее подать на сетку переменное напряжение той же частоты,
что и анодное, а регулировать выпрямленный ток путем изменения сдвига фаз между
сеточным и анодным напряжениями. Для этой цели применяют фазорегуляторы и фазо-
вращающие схемы.
Время деионизации у тиратрона с накаленньп^ катодом — величина порядка Ю"** с
и соответственно предельная частота переменного тока, при которой он может работать,
15—20 кГц.
Ртутный вентиль является ионным прибором с жидким ртутным катодом, В нем
самостоятельный дуговой разряд происходит в баллоне, заполненном парами ртути.
Этот вентиль служит основной частью ртутного выпрямителя, к. п. д. последнего при
значительной мощности весьма высок, поэтому его применяют для выпрямления
больших мощностей.
В ртутных вентилях для получения носителей тока используется электростатическая
(автоэлектронная) эмиссия — вырывание свободных электронов из поверхности ртути
катода действием электрического поля высокой напряженности. Эти электроны
ускоряются анодным полем и ионизируют пары ртути, вследствие чего между катодом и
анодом возникает светящийся столб мощного дугового разряда. Такая дуга служит быстро- \ 77
12--8I9 _ .

156.
Устройство тиратрона
157.
Вольт-амперная
характеристика тиратрона
при двух различных
напряжениях на сетке
158.
Схема соединений двух-
анодного стеклянного
ртутного выпрямителя:
/ — трансформатор анодов
возбуждения, 2 — первый анод,
3 — баллон, 4 — главный
трансформатор, 5 — второй анод, 6 —
анод возбуждения, 7 — катод,
8 ~- анод зажигания, 9 —
нагрузка, 10 — дроссель
178
действующим переключающим устройством, при помощи которого осущес гвляется
выпрямление переменного тока.
Применение жидкой ртути в качестве катода дает ртутному вентилю два
преимущества: неограниченную эмиссию и неограниченную долговечность катода.
Двуханодный стеклянный ртутный выпрямитель (рис. 158) — это относительно
простой аппарат, на котором легко проследить важнейшие особенности рабочего
процесса ртутного вентиля. Основные части ртутного выпрямителя: ртутный вентиль в
стеклянном баллоне и трансформатор. В стеклянных рукавах баллона помещены два главных
анода, железные или графитовые. Они соединяются с зажимами двух концов вторичной
обмотки трансформатора. В стекло нижней части баллона впаян молибденовый стержень
с укрепленным на нем внутри баллона молибденовым диском или графитовым
цилиндром. Цилиндр погружен в ртуть, которой наполнена нижняя часть баллона. Через этот
стержень ртутный катод соединяется с внешней цепью. По отношению к внешней цепи
катод вентили является положительным полюсом. Отрицательным полюсом служит

средняя точка вторичной обмотки трансформатора. Этот трансформатор играет роль
делителя напряжения, посредством которого на аноды подаются два переменных
напряжения, противоположных по фазе.
Основанием дуги разряда является ярко светящееся катодное пятно на поверхности
ртути —^ источник свободных электронов, ионизирующих пары ртути. Под действием
температуры пятна (200—500° С) в вакууме на поверхности пятна происходит сильное
испарение ртути, т. е. пятно служит источником ртутных паров в баллоне. Поток
свободных электронов направляется к тому из анодов, который в данный момент имеет
положительный потенциал по отношению к катоду, например к аноду At (рис. 159). Но
потенциал анодов меняется вместе с изменением переменного напряжения, подаваемого
трансформатором. Когда потенциал анода Ai становится отрицательным, то в это время
принимает положительное значение потенциал анода Аг и к нему перебрасывается дуга
разряда. Таким образом, дуга — это практически безынерционное переключающее
устройство, соединяющее катод и цепь нагрузки с тем из анодов, который в данный момент
имеет положительный потенциал. Вследствие этих переключений источником тока
служит попеременно то одна, то вторая половина вторичной обмотки трансформатора, но
направление тока в нагрузке сохраняется неизменным. Однако такой выпрямленный ток
сильно пульсирует, следовательно, в нем содержатся значительные нежелательные
переменные составляющие. Для подавления их в цепь выпрямленного тока включается
индуктивность — дроссель.
Разряд в парах ртути является самостоятельным, так как при самом разряде
необходимые, для его существования свободные электроны освобождаются непрерывно на
катоде, а ионы возникают вследствие столкновений электронов с молекулами паров
ртути. Это ионизиров1анные пары, образующие светящийся разрядный столб дуги, находятся
в состоянии плазмы, т. е. в единице объема столба содержится примерно одинаковое
количество положительных ионов и электронов, поэтому падение напряжения в столбе
относительно мало. Но в непосредственной близости к катоду положительные "ионы
нейтрализуются и плазма отсутствует. Здесь образуется электрическое поле столь высокой
напряженности (100—1000 кВ/см), что он вырывает свободные электроны с поверхности
ртути, в чем заключается электростатическая эмиссия.
При увеличении тока нагрузки возрастает электронная эмиссия и усиливается
ионизация паров ртути, вследствие этого возрастает сечение разрядного столба и у\ еньшается
159.
Разрядная дуга в колбе
ртутного вентиля как
коммутационное
устройство
12*
179

I 160.
Схема устройства
анода зажигания
стеклянного
ртутного вентиля:
/ — стальной якорь, 2 —
стекло, 3 — угольный анод
зажигания, 4 — ртуть, 5 —
\ катод, 6 ~ электромагнит,
7 — кнопка, S — пружина
его сопротивление, а падение напряжения в вентиле мало изменяется. Однако при
первоначальном пуске дуговой разряд самостоятельно не возникает. Для его существования
необходимо образование катодного пятна. В ртутных выпрямителях с дугой возбуждения
(называемых также экситронами) катодное пятно при пуске выпрямителя создается при
помощи анода зажигания (см. рис. 158).
В стеклянных выпрямителях этот анод устанавливается внутри колбы на пружине
и снабжается стальным якорем (рис. 160). На якорь может воздействовать поле пускового
электромагнита, укрепляемого вне баллона под рукавом анода зажигания. При
замыкании пусковой цепи (кнопка) электромагнит сквозь стекло притягивает якорь анода
зажигания и конец этого анода опускается в ртуть катода. Таким образом половина вторичной
обмотки трансформатора (см. рис. 158) оказывается замкнутой через анод зажигания и
ртуть катода на половину обмотки дросселя. В цепи зажигания проходит небольшой
ток. Затем кнопку следует разомкнуть, вследствие чего электромагнит отпустит якорь
и пружина поднимет анод зажигания из ртути. При-размыкании цепи зажигания между
анодом зажигания и ртутью возникает небольшая электрическая дуга с маленьким
катодным пятном на поверхности ртути. Электроны, эмиттируемые при этом, движутся
к тому из главных анодов (или анодов возбуждения), который имеет в данный момент
положительный потенциал; попутно они ионизируют пары ртути. Этого достаточно для
возникновения главной дуги.
Уменьшение нагрузки в цепи выпрямленного тока сужает разрядный столб дуги и
уменьшает катодное пятно. При токе меньше 3—5 А катодное пятно гаснет и дуга
обрывается. Чтобы предупредить погасание дуги при малых нагрузках, большинство ртутных
выпрямителей снабжается анодами возбуждения: одним анодом, если цепь возбуждения
питается от источника постоянного тока, или двумя анодами, если она питается
переменным током. Во втором случае по устройству и принципу действия эти аноды подобны
главным (см. рис. 158), но установлены они значительно ближе к поверхности ртути.
Аноды возбуждения через обмотки реактивной катушки подключены к зажимам
вторичной обмотки небольшого трансформатора возбуждения. Середина этой обмотки соеди-
I 180 нена с катодом вентиля. Таким образом, в цепи возбуждения осуществляется такое же

двухполупериодное выпрямление, как и в цепи главных анодов — дуга возбуждения
образует небольшое катодное пятно. Но цепь возбуждения всегда замкнула, а
следовательно, ее катодное пятно не зависит от нагрузки и служит для поддержания главной дуги
при любых условиях нагрузки, в частности, для зажигания этой дуги при включении
нагрузки.
8.8
ВАКУУМНЫЕ
ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
В фотоэлеметах с внешним фотоэффектом световой поток вынуждает электроны
фотока! ода покидать последний и выходить во внешнюю среду — в вакуум или сильно
разреженный газ. По устройству своему и технике применения они являются наиболее
сложными, так как должны работать совместно с усилителями, тем не менее область
применения их значительно шире, чем остальных фотоэлементов. Фотоэлементы с
внешним фотоэффектом подразделяются на вакуумные и газонаполненные; принцип действия
их в основном один и тот же, но характеристики существенно различаются.
Внешний фотоэффект заключается в том, что падающий на фотокатод прибора
световой поток сообщает электронам фотокатода такую энергию, что они выходят во
внешнюю среду — в вакуум или сильно разреженный газ. Эти электроны служат носителями
тока, проходящего через фотоэлемент, когда он освещен. Электроды такого
фотоэлемента (рис. 161) — анод и катод — помещены в стеклянный баллон, тщательно
откачанный или наполненный после откачки сильно разреженным (давление порядка сотых
долей миллиметра ртутного столба) инертнь1м газом. Фотокатодом служил слой
щелочноземельного металла, нанесенный на серебряную подложку (слой серебра).
Последняя осаждена непосредственно на внутренней стороне стекла баллона и соединена с
соответствующим выводом баллона. Покрытая серебром большая часть баллона
образует с внешней стороны характерную зеркальную поверхность. В ней оставлено оконце
достаточной величины для светового потока, направленного внутрь баллона на активную
поверхность фотокатода. Анод выполняется часто в виде проволочного кольца,
помещенного в колбе перед катодом.
161. I
Схема устройства вакуумного
фотоэлемента:
/ — вывод катода, 2 -
4 ~ вывод анода
катод, 3 — а но л.
181

162.
Вольт-амперная (а) и
световая (б)
характеристики вакуумного
фотоэлемента
Как и во всех электронных приборах, потенциальный барьер, возникающий на
границе металлов и вакуума, препятствует выходу электронов из фотокатода. Но при
воздействии лучистой энергии светового потока электрон, поглощая один фотон,
приобретает энергию, большую, чем работа выхода щелочноземельного слоя фотокатода.
Вследствие этого электрон выбрасывается в вакуум. Для практических целей весьма важно, что
число электронов, выходящих в вакуум, строго пропорционально числу падающих на
активный слой фотонов и, следовательно, фотоэлектронная эмиссия пропорциональна
световому потоку, освещающему фотокатод (закон Столетова). Чтобы создаль ток
через фотоэлемент, необходимо воздействовать на освобождаемые светом электроны
электрическим полем. Для этой цели, так же как в ламповом диоде, необходим источник
постоянного анодного напряжения L/a-
Вольт-амперная характеристика i ■ F{Ua) вакуумного фотоэлемента (рис. 162, а)
напоминает вольт-амперную характеристику лампового диода. При малых значениях
анодного напряжения фототок растет вместе с увеличением напряжения, но когда при
данной освещенности Ff или F^ фотокатода все эмиттируемые им электроны достигают
анода, то устанавливается ток насыщения, и дальнейшее повышение напряжения
практически не изменяет тока фотоэлемента. Этот ток зависит лишь от величины
фотоэмиссии, а следовательно, только от освещенности фотоэлемента. Это ценное качество
вакуумного фотоэлемента с внешним фотоэффектом.
Зависимость фототока от освещенности — световая характеристика вакуумного
фотоэлемента —линейна (рис. 162, 5), что является следствием закона Столетова.
Некоторое нарушение этой линейности возможно при значительных фототоках из-за
возникновения объемного заряда у катода. Кроме того, при продолжил ельном освещении имеет
место «утомление» фотоэлемента — уменьшение фогоэмиссии из-за истощения запаса
свободных электронов в поверхностных слоях фотокатода и медленного поступления
их из глубже лежащих слоев вследствие большого электрического сопротивления
полупроводника, служащего активным слоем.
Чувствительность (динамическая) вакуумного фотоэлемента с внешним
фотоэффектом определяется отношением изменения его фототока (в микроамперах) к изменению
163.
Схема устройства
фотоэлектронного
умножителя !

светового потока (в люменах): Si^~- Ai/AF. Она относительно мала — порядка 20—
80 мкА/лм.
Фототок фотоэлемента с внешним фотоэффектом в большинстве случаев
недостаточен для приведения в действие исполнительных механизмов, вследствие чего эти
фотоэлементы приходится соединять с ламповыми или полупроводниковыми усилителями.
Пока фотоэлемент не освещен, триод заперт, так как на его сетку подан отрицательный
ютенциал от батареи смещения. При освещении фотоэлемента через него сетка
соединяется с плюсом анодной батареи, вследствие чего триод отпирается и его анодный ток
$ызывает срабатывание исполнительного^ механизма.
К фотоэлементам с внешним фотоэффектом принадлежат и фотоэлектронные
умножители. В них усиление фототока осуществляется внутри баллона прибора путем
использований вторичной электронной эмиссии. Поток электронов, освобождаемых под
действием света фотокатодом К, направляется электрическим (рис. 163) или магнитным полем
последовательно на эмиттеры ЭВ — вспомогательные электроды. При прохождении
каждого эмиттера поток электронов увеличивается за счет вторичных электронов,
освобождаемых эмиттером, под действием ударов электронного потока. Таким образом,
вследствие многократного использования вторичной эмиссии поток электронов у анода,
называемого в фотоэлектронных умножителях коллектором, оказывается во много раз
больше потока фотоэмиссии катода прибора. Благодаря такому внутреннему усилению
чувствительность фотоэлектронных усилителей чрезвычайно высока и достигает
1 —10 А/лм. Однако не следует думать, что фотоэлектронные умножители рассчитаны
на большие выходные токи, эти токи у них не превышают 10—15 мА. Чтобы подчеркнуть
то, что фотоэлектронные умножители рассчитаны на работу при очень малых освещен-
ностях и дают небольшие выходные токи, их чувствительность часто указывается в
микроамперах на микролюмен (1—10 мкА/мкл). Их область применения — измерение
светового потока при очень малых освещенностях.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается различие между электронными и ионными приборами?
2. Каково направление тока внутри диода по отношению к его электродам?
3. Как возникает и какое практическое значение имеет электронное облачко?
4. Каким путем при цоколевке электронных ламп предупреждается возможность их
неправильной постановки в колодке?
5. Почему желательна работа триода при отрицательном потенциале сетки?
6. Чему равны дифференциальное сопротивление и крутизна характеристики диода?
7. Чему равна крутизна характеристики триода и его коэффициент усиления?
8. Почему коэффициент усиления выражается отрицательным отношением изменения двух
напряжений триода?
9. Что такое вторичная эмиссия?
10. Каково назначение отдельных сеток в пентоде?
11. Какие устройства служат для фокусировки электронного луча?
12. Какие отклоняющие приспособления применяются в электроннолучевых трубках?
13. Чем отличается тиратрон от вакуумного триода?
14. Для чего служат аноды возбуждения в ртутном выпрямителе?
15. Почему вакуумный фотоэлемент называется также фотоэлементом с внешним фотоэффектом?

^ш
Глово ^^ ЭЛЕКТРОННЫЕ
ВЫПРЯМИТЕЛИ,
УСИЛИТЕЛИ
И ГЕНЕРАТОРЫ

9.1
НАЗНАЧЕНИЕ
И СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Выпрямителем называется устройство для непосредственного преобразования
переменного тока в постоянный. Выпрямитель состоит из электрических вентилей и
вспомогательных устройств (трансформатора или автотрансформатора, фильтров и т. д.).
Особую группу образуют механические выпрямители, в которых преобразование
переменного тока в пульсирующий одного направления происходит посредством
синхронного замыкания контактов.
В современных выпрямителях в большинстве случаев используют
полупроводниковые вентили: кремниевые, германиевые, для небольших мощностей и напряжений —
селеновые. Область применения ионных вентилей быстро сокращается; среди них
практическое значение имеют одноанодные ртутные вентили типа игнитронов для
выпрямления значительных мощностей и управляемые вентили — тиратроны для выпрямления
небольших мощностей. В электронной аппаратуре, кроме того, иногда применяют
выпрямители малой мощности, работающие на электронных лампах.
Схему выпрямления выбирают в зависимости от принципа действия вентиля,
мощности устройств и других технических требований. Простейшей является однополупериод-
ная схема (рис, 164); в ней посредством вентиля В ток пропускается через нагрузку г„
в течение одной половины периода. В этом случае при синусоидальном переменном
напряжении, идеальном вентиле (прямое сопротивление Гпр^^О, обратное сопротивление
Гоб = "») и чисто активной нагрузке среднее значение выпрямленного тока Iq (постоянная
составляющая пульсирующего тока) связано с амплитудным значением 1т соотношением
/o=-^/m = 0,32/m, а действующее значение выпрямленного тока /=^ (рис. 165). Среднее
значение выпрямленного напряжения UQ^^Um. Активная мощность цепи P-AyUI
=0,7075, здесь U — действующее значение напряжения на зажимах всей цепи. Недостаток
однополупериодного выпрямления: выпрямленный ток получается только в течение
одного полупериода выпрямленного напряжения, и в нем имеются значительные
переменные составляющие.
В двухполупериодной схеме выпрямления с делителем напряжения (рис. 166)
посредством вентилей 1 и 2 к трансформатора получают выпрямленный ток, соответствующий
обеим полуволнам переменного тока. Первый полупериод ток проходит через вентиль У,
а второй полупериод — через вентиль 2, причем каждая из двух половин обмотки
трансформатора нагружена током только в течение полупериода; схема рис. 166 называется
однотактной. При двухполупериодной мостовой схеме выпрямления (рис. 167) при одном
направлении переменного напряжения ток г, проходит через вентиль У, нагрузку г„ и 185

1Ь4.
Схема однополупериод-
ного выпрямления
165.
Кривые переменного
напряжения и
выпрямленного тока при одно-
полупериодном
выпрямлении
166.
Схема двухполупериод-
ного однотактного
выпрямления
1§7.
Мостовая двухтактная
схема выпрямления
вентиль i, а при обратном направлении ток ij проходит через вентили 2 и 4 и нагрузку
в том же направлении, что и ток ij; такая схема называется двухтактной. При обеих
формах двухпол у пери одного выпрямления Uq^—^, /о-=0,64 1т, P=UI, f^IJ"^ и кривая
выпрямленного тока содержит только четные гармонические составляющие, причем
частота основной волны пульсации в два раза больше частоты переменного тока.
Пульсации сильно уменьшаются, а частота их значительно возрастает при
многофазном выпрямлении. В трехфазной однотактной схеме (рис. 168) в каждый данный
момент ток проходит только через тот вентиль, анод которого соединен с зажимом обмотки
трансформатора, имеющим наибольший положительный потенциал по отношению
к нулевой точке обмотки; поэтому выпрямленное напряжение изменяется по кривой,
огибающей системы положительных полуволн фазных напряжений вторичной обмотки.
Частота пульсаций здесь в три раза больше частоты переменного тока. Однотактные
многофазные системы могут быть катодного типа, когда соединены все катоды в один
узел, или же анодного типа, когда соединены в один узел все аноды. Первый тип
соединения применим как для одно-, так и для многоанодных (ртутных) вентилей, второй —
только для одноанодных.
168.
Трехфазная одно-
тактная схема
выпрямления (а) и
кривая выпрямленного
напряжения (б)

169.
Трехфазная лв\х1акг-
ная схема
выпрямления:
а — схема Л. И. .lapiioiiomj.
6— крииая иыирям.юнмого
жтрчжсиия
170.
Трансформа юр,
служащий лля
преобразования 1рехфазной
системы п Н1ес1ифаз-
ную:
i/ — схема соелинеиим. 6 ~
схема усгройСЕва
В двухтактной многофазной схеме выпрямления (рис. 169) одна половина вентилей
образует катодную группу, другая половина вентилей — анодную, В каждый данный
момент ток проводит тот вентиль из катодной группы, у которой анод имеет
наибольший положительный потенциал, и вентиль из анодной группы, катод которого имеет
наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал. Для такой схемы
частота пульсаций напряжения в шесть раз больше частоты переменного тока, т. е. такая
же, как при однотактном выпрямлении шестифазного тока.
Но сглаживание пульсаций на стороне выпрямленного тока, обеспечиваемое
трехфазным выпрямлением, часто оказывается недостаточным при выпрямлении больших
мощностей. Кроме того, при трехфазном выпрямлении в первичной обмотке
индуктируются значительные высшие гармонические составляющие, нежелательные в сети
трехфазного тока. При питании шестифазным током происходит дальнейшее существенное
сглаживание пульсаций и подавляются нежелательные побочные явления.
Шестифазная система токов может быть получена от специального трансформатора,
преобразующего трехфазную систему в шестифазную. Такой трансформатор имеет три
первичные фазные обмотки и шесть вторичных фазных обмоток (рис. 170). Чтобы
получить шестифазную систему напряжений на зажимах вторичной обмотки трансформатора,
следует соединить в общей нулевой точке все вторичные обмотки, что создаст шести
лучевую звезду, но при этом на каждом из стержней сердечника две вторичные обмотки
должны быть соединены встречно, т. е. по отношению к общей нулевой точке их э.д.с. должны
быть противоположны по фазе. Практически, при использовании того же принципа
преобразования системы применяют более сложные схемы ввиду некоторых недостатков
соединения по схеме шести лучевой звезды.

При шестифазной системе возможно применять как однотактную, так и
двухтактную схемы выпрямления (в последнем случае частота пульсаций в 12 раз больше частоты
переменного тока). Для относительной оценки пульсаций часто критерием является
коэффициент пульсаций q„ =-Jr^, равный отношению амплитуды гармонической сослав-
ляющей напряжения к среднему значению напряжения. При двухполупериодном
однофазном выпрямлении <?„ =0,667, при трехфазном однотактном ^„--0,250, при
трехфазном двухтактном или шестифазном однотактном q^ -=0,057. Для уменьшения пульсаций
между выпрямителем и приемником часто включают сглаживающие электрические
фильтры, что, однако, создает дополнительные потери энергии.
9.2
ОБЩИЙ ПРИНЦИП
ДЕЙСТВИЯ
И КЛАССИФИКАЦИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Усилителем называется устройство, посредством которого относительно малая
входная мощность (мощность колебаний) Рвх, называемая также мощностью сигнала,
непрерывно управляет значительно большей выходной мощностью Рвых. Выходная
мощность передается от источника питания через усилитель нагрузке, включенной в
выходную цепь усилителя (рис. 171, а).
Приборами, управляющими мощностью внутри.усилителя, являются транзисторы
или электронные лампы. В соответствии с чем усилители делятся на полупроводниковые
(транзисторные) и ламповые.
Любой усилитель представляет собой со стороны входных зажимов некоторое
входное сопротивление Гвх (рис. 171, б), являющееся нагрузкой по отношению к источнику
сигнала. Последний можно рассматривать как источник э.д.с. £"сиг, обладающий
внутренним сопротивлением г сиг- Со стороны выходных зажимов усилитель является
источником энергии, обладающим внутренним сопротивлением Гвых.
Задача усилителя заключается в повышении уровня мощности сигнала, т. е. в том,
чтобы мощность колебаний на выходе усилителя была больше мощности колебаний ни
его входе. Но часто это усиление мощности не характерно для особенностей работы
усилителя. В большинстве случаев необходимо предварительно увеличить амплитуду
колебаний напряжения или тока сигнала и лишь после этого подать усиленный сигнал на вход
усилителя для усиления мощности. При таком предварительном усилении мощность
сигнала увеличивается, но по своей абсолютной величине она незначительна. Здесь более
характерны и важны усиление напряжения или силы тока. По этим причинам в усили-
171.
Схема входа (а) и
выхода (б) усилителя

тельной технике принято делить усилители на усилители: напряжения, тока и мощности.
Усилитель напряжения должен иметь относительно большое входное
сопротивление Гвх для того, чтобы минимально загружать источник сигнала, а его выходное
сопротивление Гвых должно быть во МНОГО раз меньше сопротивления нагрузки г„ или
входного сопротивления следующего каскада усиления.
Усилитель тока должен иметь относительно малое входное сопротивление и
относительно большое выходное.
Усилитель мощности должен быть рассчитан на передачу максимально возможной
мощности при определенном сопротивлении нагрузки. Условием для такой передачи
является согласование сопротивлений — выходное сопротивление усилителя мощности
должно быть приблизительно равно сопротивлению нагрузки. Тогда к.п.д. передачи
энергии составляет только 50%, т. е. половина энергии источника питания теряется внутри
усилителя. Но эти потери по абсолютной величине обычно малы и покрываются за счет
источника питания, а потому они не имеют решающего значения.
Важнейшей количественной характеристикой усилителя служит его коэффициент
усиления. Это отношение численного изменения выходной величины к численному
изменению входной величины. Если усиливаемая величина является гармоническим
колебанием, то коэффициент усиления напряжения Ки=^Цпвых1^твх'> коэффициент усиления тока
Ki^lnBuiJImBx, коэффициент усилсния мощности Кр^Рвих/Рвх, здссь Р — соотвстствую-
щая средняя мощность, а Цп и /т — амплитудные значения соответствующих напряжений
и токов.
Усиление, получаемое посредством одного транзистора или электронной лампы,
в большинстве случаев недостаточно для приведения в действие исполнительного
механизма (например, репродуктора). Чтобы увеличить усиление сигнала, последовательно
соединяют усиливающие элементы — образуется сложный усилитель, состоящий из
нескольких каскадов (иначе ступеней) усиления. В нем переменная составляющая
напряжения выходной цепи первого от входа транзистора подается на вход второго транзистора
(вход второго каскада) и т. д. В таком многокаскадном усилителе принято называть
первый каскад — входным, а предпоследний — предвыходным или предоконечным и
соответственно последний каскад — выходным или оконечным.
В многокаскадных усилителях часто первые кас1^ады служат усилителями
напряжения, а последние два — усилителями мощности, но усилитель может быть и однотипным,
т. е. состоять лишь из усилителей напряжения.
От способа осуществления связи между каскадами зависит ряд свойств усилителя.
Основные способы связи: емкостной (через конденсатор), трансформаторный (через
трансформатор) и гальванический (через резистор). В транзисторных усилителях
преимущественно применяют емкостную связь. Трансформаторную связь используют
преимущественно на выходе усилителя мощности для согласования сопротивлений нагрузки г„
с выходным сопротивлением усилителя. Сопротивление нагрузки г„, включенное через
трансформатор с коэффициентом трансформации /ci2^Wj/w2, эквивалентно
сопротивлению, включенному непосредственно в выходную цепь, равному ri^/c^2 '*н-
Следовательно, согласование сопротивлений может быть осуществлено путем подбора
трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации (соотношением числа витков)
с тем, чтобы Гвых "'^ 12 ''н-
Применение реактивных элементов — конденсаторов и трансформаторов для связи
между каскадами усилителя упрощает задачу использования одного источника энергии 189

для питания всех каскадов усилителя, так как эти элементы пропускают только
переменный ток и таким образом разделяют цепи постоянного тока отдельных каскадов.
Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению
коэффициентов усиления его отдельных каскадов.
Цепи усилителя содержат реактивные элементы. Одни из них составляют часть
рабочей схемы усилителя — это конденсаторы и трансформаторы. Но кроме них в
усилителе неизбежно наличие паразитных реактивных параметров: емкостей между
отдельными частями усилителя, внутренних емкостей электронных ламп и т. д. Проводимости
всех реактивных элементов зависят от частоты и поэтому коэффициент усиления
усилителя в той или иной степени также зависит от частоты; в соответствии с чем важной
характеристикой усилителя является его полоса пропускания. Она определяется
граничными частотами — верхней и нижней. В пределах между этими частотами работу данного
усилителя можно считать удовлетворяющей определенным требованиям.
Номинальным значением коэффициента усиления считается значение,
соответствующее некоторой частоте, при которой можно пренебречь влиянием реактивных элементов
в усилителе.
9.3
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
В УСИЛИТЕЛЯХ
Обратной связью в технике принято называть воздействие выходной величины yci рой-
ства на его вход. Обратная связь отрицательна, если она направлена против входной
величины, в противном случае она положительна.
Обратная связь широко используется при автоматизации производственных
процессов. В частности, отрицательная обратная связь часто служит для стабилизации
выходной величины, например, напряжения, скорости вращения машины и т. п.
В электронных усилителях обратная связь применяется для подавления искажений
формы кривой сигнала при усилении, для придания большего постоянства коэффициенту
усиления и т. д.
В ряде случаев может возникать нежелательная паразитная обратная связь,
вызывающая искажения сигнала.
Обратная связь может быть последовательной или параллельной по напряжению
или по току.
В эл^ктро1П1ых усилителях характерна
последовательная обратная связь по напряжению (рис. 172). При
наличии такой связи напряжение на входных зажимах
самого усилителя будет:
£/вх^^ёиг + </оа.с. (84)
Напряжение Ооб. с, переданное обратной связью на вход
усилителя, пропорционально выходному напряжению
^обс Р^^вых^ здесь р — коэффициент обратной связи
по напряжению.
Коэффициент усиления усилителя при отсутствии
172. обратной связи
Схема последователь- ^.
ной обратной связи по '-'"•: •'■^/ ■'■ й^ ф Ущ^ ,
напряжению '• ^%'%Д^Г-:^.^Д.^>?Й'£/,вх^"- '• '".--^"'^:

г. е. равен отношению выходного напряжения усилителя к его входному напряжению.
При наличии обратной связи коэффициент усиления всего устройства будет:
' , t/вых
1/СИГ
на основании чего
t/сиг == :т}-'
..;::.. л у -.-.,
Подставив выражения частичных напряжений через коэффициенты усилия в формулу (84),
после сокращения получим:
Гу Лу
л у л V
Таким образом результирующий коэффициент усиления устройства
при наличии обратной связи
A:^^«_At^ . (85)
Последнее выражение показывает, что при отрицательной обратной связи соответственно
уменьшается результирующее усиление. Но зато в таких условиях гармоническая
составляющая, возникающая внутри усилителя и искажающая кривую сигнала на выходе,
подается на вход и усиливается, а так как эта усиленная величина противоположна по фазе
гармонической составляющей, возникшей в усилителе, то такая гармоническая
составляющая в определенной степени подавляется. Для электронных усилителей это очень
ценнбе свойство отрицательной обратной связи.
9.4
ТРАНЗИСТОРНЫЕ
УСИЛИТЕЛИ
Для транзисторных усилителей возможны три основные схемы включения (рис. 173)
в зависимости от выбора общего электрода усилительного каскада, т. е. электрода,
входящего одновременно во входную и выходную цепи прибора. Общий электрод обычно
заземляется. Схема соединения транзисторов с общей базой, сокращенно называемой
схемой ОБ, приведена на рис. 173, а. Условия этой схемы позволяют наиболее наглядно
показать физические свойства транзистора. Но у нее имеются недостатки: отсутствует
усиление тока, ее входное сопротивление относительно мало, а выходное Гвь1х"=Гк =
^-At/к/А/к велико; усиление мощности относительно небольшое, так как оно
обусловливается только усилением напряжения. По этим причинам в большинстве случаев
предпочтение отдается второй схеме — схеме с общим эмиттером ОЭ (рис. 173, б), где входным
током является ток базы /б, а выходным — ток коллектора /к. Отношение этих токов
определяет коэффициент усиления по току схемы ОЭ. В общем случае для данной
частоты усиливаемого переменного тока коэффициент усиления тока ki — величина комплекс-

173.
Три схемы соединения транзисторов:
а- с общей базой, б— с общим эмиттером, в — с
общим коллектором
174.
Коллекторные характеристики для схемы
с общим эмиттером
пая так же, как и коэффициент передачи тока а. Так как на основании первого закона
Кирхгофа /к /э—/б, а /к =а/э, то
/; ^.;.... ..•../>• ■,-. ■■.■■■ it'. .
Величину " д ^р приняю называть коэффициентом передачи базового тока. В данной
схеме она равна коэффициенту усиления (приближенно, так как не учтен /ко) по току.
Этот коэффициент р-=20—50 при обычных значениях а=0,95—0,98.
Коллекторные характеристики (рис. 174) для этой схемы далеко не так пологи, как
для схемы ОБ. Вследствие этого р больше зависит от эмиттерного тока и коллекторного
напряжения, чем а. Но эти и другие недостатки схемы ОЭ перекрываются преимуществом
большого усиления моищости и усиления тока.
Схема (см. рис. 173, в) с общим коллектором ОК по своим свойствам имеет много
общего со схемой с общим эмиттером, но применяется значительно реже.
Для питания цепей коллектора и эмиттера обычно нет необходимости в двух
отдельных источниках электроэнергии. Они могут быть заменены одним источником,
соединенным с делителем напряжения Гд1, Гд2 (рис. 175).
Отметим, что при любом способе включения транзисторного усилителя возникает
обратная связь через ветвь общего электрода, это приходится учитывать при расчетах
усилителей.
В большинстве случаев транзисторные усилители выполняют многокаскадными и
между каскадами устанавливают емкостную связь. На рис. 176 показана схема одного
каскада такого усилителя. Постоянные сопротивления Гх и Гэ предназначены для того,
чтобы сделать сопротивления ветвей эмиттера и коллектора мало зависящими от
изменений сопротивлений транзистора при работе, в результате этого распределение
напряжений между коллектором и эмиттером останется относительно постоянным
(стабилизация рабочей точки). Чем меньше сопротивления делителя напряжения г д1 и Гдз, тем лучше
стабилизация напряжения, но тем больше потребление мощности от источника энергии
и тем меньше входное сопротивление каскада. Емкость Cj соединяет каскад с входом уси-

175.
Применение делителя
напряжения (Гд, и Гдг) для питания
цепей }миттера и коллектора
1 76.
j Схема одного каскада на
транзисторном усилителе с
емкостной связью между каскадами
лителя, а вторая емкость С2 — с выходом усилителя или с входом следующего каскада.
Назначение емкости Сш, шунтирующей сопротивление Гэ,— пропускать переменную
составляющую эмитгерного тока помимо сопротивления Гэ.
В транзисторном усилителе каждый из каскадов должен быть рассчитан на передачу
определенной мощности, так как служит ступенью в усилении мощности в отличие от
лампового усилителя, где лишь выходной каскад служит для передачи значительной
мощности, а остальные каскады являются только усилителями напряжения.
9.5
ЛАМПОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ
В ламповых усилителях обычно связь между каскадами осуществляется посредством
конденсаторов. На рис, 177 показана основная схема трехкаскадного усилителя с
емкостной связью и нагрузкой в анодной цепи. Здесь выходное напряжение каждого из каскадов
создается падением напряжения в активном сопротивлении — резисторе; такой вид связи
часто именуется также резисторно-емкостной.
Напряжение усиливаемого сигнала подается на сетку триода Л у первого каскада
усиления через разделительный конденсатор Ci\ емкостное .сопротивление последнего при
частоте сигнала должно быть достаточно мало настолько, чтобы практически все
напряжение сигнала (переменная составляющая входного напряжения усилителя) было подано
на сетку первого триода.
Напряжение сигнала Mci ^ t/вх, воздействуя на сетку триода j7,, при наличии усиления
Ml создает переменное напряжение piMci в анодной цепи, благодаря чему возникает
соответствующая переменная составляющая /^1 в анодном токе. Ток /ai обусловливает
пропорциональное сигналу падение напряжения «ai "='ai''ai на сопротивлении Ган
представляющем собой анодную нагрузку первого триода. Напряжение и ai через малое емкостное
сопротивление второго разделительного конденсатора Cj воздействует на сетку триода Л2
второго каскада усиления. Оно является, таким образом, входным напряжением второго
каскада.
В первом приближении рабочий коэффициент усиления каскада можно определить
как
f^-Kyy. (86)
13 819

177.
Основная схема лампового
грехкаскадного усилителя с
емкостной связью
194
Но анодный ток можно приближенно определить как
/а1 '
здесь Гц — внутреннее сопротивление триода. Подставив это выражение тока в формулу
(86), получим:
/^yi = Mt
1
(87)
1 +
/•/1
Однако здесь не учтено влияния входной цепи вюрог о каскада на анодный ток.
Во втором каскаде выходным напряжением будет напряжение i аг'" аг» которое подается
на вход третьего каскада и т. д.
На выходе усилителя конденсатор Сд пропускает только переменную составляющую
напряжения анодной цепи третьего триода, т. е. усиленное напряжение сигнала.
Коэффициент усиления одного из каскадов усилителя
л уп =*
Us
а коэффициент усиления усилителя
Ку-
Ub
Uh
Uhs
но выходное напряжение каждого из каскадов является входным напряжением
следующего каскада:
с/вых и =* Ub\ (// + I) .
Следовательно, можем преобразовать выражение коэффициента усиления усилителя
следующим образом:
Ку
с/вых 3 t/выч 3 Ub
Us
Ubx\
и,
вх 3
^вх 2 Ubx\
-Ку1Ку2К\

178.
Основная схема лампового двух-
каскадного усилителя с
трансформаторной связью
т. е. коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления
составляющих его каскадов.
Все лампы каскада работают с автоматическим смещением. Чтобы получить такое
смещение, в катодную цепь каждой из ламп включено активное сопротивление г^^,
шунтированное конденсатором Gm. Емкостное сопротивление этого конденсатора для
частоты сигнала настолько мало, что он для переменной составляющей анодного тока как
бы замыкает накоротко сопротивление Гсм, вследствие чего напряжение смещения
создается только постоянной составляющей анодного тока лампы. Большие по своей величине
сопротивления г^-^ Гсз нужны для того, чтобы подать на сетки отрицательное смещение.
Триоды имеют общий источник анодного напряжения, отрицательный полюс которого
обычно заземляется. В большинстве случаев источником анодного напряжения служит
ламповый выпрямитель с фильтром.
При трансформаторной связи каскады лампового усилителя соединяются через
трансформаторь). На рис. 178 дана схема двухкаскадного усилителя с трансформаторной
связью. В нем изменения анодного тока одного триода через трансформатор
воздействуют на потенциал сетки триода следующего каскада. В данной схеме предусмотрено
автоматическое смещение, для чего в катодные цепи триодов включены сопротивления
''cMi и Гсм2 и шунтирующие их емкости Q^i и Семг- При наспичии трансформаторов
коэффициент усиления напряжения в каждом из каскадов можно сделать больше статического
коэффициента усиления напряжения ц соответствующего триода. Это увеличение
усиления можно приближенно пояснить следующим образом: предположим, что
трансформатор идеальный, т. е. у него равны нулю ток холостого хода и внутренние потери
напряжения. При наличии такого идеального трансформатора в анодной цепи триода и в самом
триоде отсутствует переменная составляющая анодного тока, а следовательно, нет и
потери напряжения в триоде. При таких условиях амплитуда напряжения на входных
зажимах трансформатора будет:
здесь и ел — напряжение на сетке триода.
Отношение входного напряжения трансформатора Увхл к выходному 1/вых.т можно
считать равным отношению чисел витков обмоток трансформатора:
С/вЫХ. Т Н'2 195

179.
Диаграмма передачи
сигнала усилителем
при различных
классах усиления
Но выходное напряжение трансформатора (/вых.т, подаваемое на сетку следующего
каскада, является вместе с тем выходным напряжением каскада, а так к'ак коэффициент
усиления каскада равен отношению выходного напряжения к входному, то
\ ic =' ^Bbix. т ^ Уйх. т ji ^ _М^ ^ ^. VV2 ,
. -Uc.j k^iUsx.T кг2 W]'
т.е. лри у\'2>н'1 увеличивается коэффициент усиления напряжения.
Однако в междуламповых трансформаторах коэффициент /c2i W2/W, имеет значение
только около 5. Увеличение этого коэффициента вызывает нежелательное увеличение
потоков рассеяния обмоток трансформатора.
Трансформаторная связь используется для согласования сопротивлений усилителя
и нагрузки, т. е. для осуществления условия отдачи максимума мощности в цепи нагрузки.
При наличии трансформаторной связи сужается полоса пропускания усилителя;
по сравнению с емкостной она обус:ювливает большие массу, 1абариты и стоимость
уси;штеля.
Рабочий режим ycиJштeля определяется величиной постоянного отрицательного
сеточного смещения. По режиму рабогы в зависимости от части периода, в течение
которой проходит анодный юк, усилители делятся на классы А, АВ, В, С. (рис. 179).
Рхли это смещение примеряю рав1Ю напряжению запирания лампы, то усилитель
передает только положительную полуволну гармонического сигнала (рис. 179, класс В).
При усилении по классу А сеточное смещение относительно мало, анодный ток
поддерживается в течение всего периода сигнала и весь сигнал передается усилителем, а при
работе по классу С сегочное смещение значительно превышает напряжение запирания лам-
196 "^'' гюэтому при отсутствии сигнала анодный ток равен нулю, а появляется он только

в течение части положительной волны сигнала, т. е. на время, меньшее чем половина
периода, вследствие чего передается только часть одного полупериода сигнала.
Размеры усилителя зависят от его к.п.д. Чем меньше постоянная сосгавляющая
анодного тока, тем выше к.п.д. усилителя, поэтому к.п.д. усилителя по классу А не вьппе
25%, а по классу С может достигать 80%. Усилители напряжения в большинстве случаев
работают по классу А, а усилители мощности — и по другим классам.
9.6
ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Элек1ронные генераторы применяют в большинстве случаев для получения
переменных токов высокой и повышенной частоты; для высоких напряжений —
преимущественно ламповые генераторы, для низких напряжений наряду с ламповыми также и
транзисторные генераторы. По существу эти генераторы являются устройствами,
преобразующими постоянный ток в переменный ток определенной частоты.
Область применения электронных генераторов очень широка. Мощные генераторы
устанавливают на радиостанциях; используют в промышленности для поверхностной
закалки стали, для индукционного нагрева металлов и нагрева диэлектриков действием
переменного электрического поля и т. д. Маломощные генераторы служат для самых
различных измерений.
В зависимости от характера цепи, в которой создаются колебания, генераторы
подразделяются на генераторы типа LC (генераторы с колебательным контуром) и генераторы
типа г С (релаксационные генераторы).
Основная схема лампового генератора типа LC с трансформаторной обратной
связью показана на рис. 180. В этом генераторе посредством триода источник
электроэнергии — анодная батарея У-л — покрывает потери энергии в колебательном контуре LC
и поддерживает в нем незатухающие колебания. Обратная связь в данном случае
заключается в воздействии через обмотку 2 трансформатора Т выходной величины, колебаний
силы тока в контуре LC на потенциал сети триода (Уем, а изменение потенциала сетки
вызывает изменение выходной величины — анодного тока, заряжающего емкость С.
Емкость С разряжается на индуктивность L, которую предс1авляет собой первичная
обмотка трансформатора Т. Такой разряд имеет форму синусоидальных колебаний.
Эти колебания не затухают, так как через обмотку 2 обратной связи изменения силы тока
в контуре LC вызывают изменения напряжения на сетке триода, а следовательно,
колебания анодною тока, переменная составляющего которого имеет частоту колебаний в
контуре. Обмотка / трансформатора индуктивно связана с выходной обмоткой 3 и
выходными зажимами генератора. Таким образом, между выходными зажимами
генератора создается синусоидальное переменное напряжение, частота которого определяегся
параметрами колебательного контура генератора.
Генераторы типа гС принадлежат к числу релаксационных генераторов*. Они имеют
один реактивный запасатель энергии и емкость. Колебания в цепях подобных
генераторов создаются периодическим освобождением запасенной энергии — периодическими
разрядами емкости на нелинейный элемент цепи генератора.
* От франц. слова relaxation —освобождение. 197

181.
Схема простейшего
генератора типа гС
180.
Основная схема
лампового генератора
типа LC с
трансформаторной обратной связью
182.
Пилообразная кривая
напряжения
генератора типа гС
Простейшим примером релаксационных колебаний могут служить колебания в так
называемой мигающей схеме, возникающие при разряде конденсатора С на неоновую
лампу Л (рис. 181). Вольт-амперная характеристика этой лампы подобна
характеристикам газотрона и тиратрона. Дуговой разряд в ней возникает при определенном
напряжении зажигания (/з и прекращается при значительно меньшем напряжении гашения Vv
и токе /г. Неоновая лампа соединяется последовательно с постоянным сопротивлением г,
а параллельно лампе присоединяется конденсатор С. Напряжение U источника
постоянного тока, питающего схему, должно быть больше напряжения зажигания U^, но, с
другой стороны, сопротивление г должно быть достаточно большим для того, чтобы
удовлетворять условию
и-1,г<и,,
Т. е. чтобы горение лампы было возможно только при условии дополнительного питания
электроэнергией за счет энергии, накопленной в электрическом поле конденсатора.
Сначала лампа не горит, а конденсатор постепенно заряжается током, проходящим
через сопротивление г. Напряжение на конденсаторе в таких условиях повышается
постепенно. Когда напряжение на конденсаторе достигает значения напряжения зажигания
1/з, лампа загорается. Так как сила тока, проходящего через г, меньше, чем требуется для
горения лампы, то во время горения лампы конденсатор постепенно разряжается, и
напряжение его понижается. Когда же это напряжение достигает значения Vr, лампа гаснет
и возобновляется зарядка конденсатора. В соответствии с таким ходом периодического
процесса изменения напряжения конденсатора изображаются пилообразной кривой
(рис. 182), состоящей из отрезков экспонентов.
Практически неоновая лампа в таких генераторах пилообразных импульсов
заменяется тиратроном дугового разряда, что дает возможность регулировать напряжение
зажигания 1/з. Воздействуя на сетку тиратрона соответствующим переменным
напряжением, возможно синхронизировать работу релаксационного генератора с тем или иным
процессом.
Для частот, превышающих десятки килогерц, тиратрон заменяют триодом,
соединенным по специальной схеме.
Релаксационный генератор в настоящее время часто выполняется на тиристорах.

Контрольные вопросы
1. Что такое однополупериодное выпрямление и в каких случаях оно применяется?
2. Как построена мостовая двухтактная схема выпрямления?
3. Сколько вентилей необходимо для однофазного выпрямления однотактного и двухтактного?
4. Какова частота пульсаций при трехфазном однотактном выпрямлении и при трехфазном
двухтактном выпрямлении?
5. Что такое обратная связь в усилителях?
6. Для чего служит отрицательная обратная связь и почему она называется отрицательной?
7. Какие можно назвать три основные схемы соединений транзисторов и какая из них является
наиболее распространенной?
8. Из каких'элементов состоит один каскад лампового усилителя с емкостной связью?
9. Назовите преимущества и недостатки трансформаторной связи между каскадами усилителя.
10. Что такое классы усиления А, АВ, В и С?
11. Каков рабочий процесс лампового генератора типа LC^
12. Из каких элементх)в состоит схема простейшего генератора типа г С?

Глава ri
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
И
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ

10.1
ЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ИЗМЕРЕНИЙ
Показания электроизмерительных приборов являются основой ;|ля суждений о
работе электротехнических устройств, так как органы чувств человека не могут
непосредственно наблюдать электрические величины — ток, напряжение и т. д. Этим определяется
исключительное значение измерений в электротехнике.
Но область электрических измерений не ограничивается измерениями в
электротехнических устройствах. По сравнению с другими видами измерений электрические
измерения отличаются простотой, надежностью, точностью и чувствительностью. Благодаря
этим преимуществам они применяются для измерений большинства физических
величин: температуры, давления, лучистой энергии, скорости и т. д.
Телеметрия (совокупность технических средств и методов измерения на рассгояпии
различных физических величин) применяет почти исключительно электрические методы
измерений. Она дает возможность вести измерения в труднодоступных и даже
недоступных местах (например, в глубоких буровых скважинах, на искусственных спутниках
земли).
Автоматизация производственных процессов в большей мере основана на
применении электрических измерений, так как они дают возможное!и: непосредственно
воздействовать измерительным устройством на производственные машины и аппараты (авю-
матическое регулирование), автоматически выполнять магематические операции над
измеряемыми величинами и т. д.
Область применения электрических измерений расширилась, koi да появилась
возможность соединения электроизмерительных механизмов с полупроводниковыми и
электронными приборами; использование электронного усиления сигналов сделало эти
измерения практически универсальными. В наши дни потребности почвы в различных
удобрениях а1ро1юмы определяют электрическими мегодами; разведку рудн1>1х
залежей геологи ведут магЕП1тными методами с самолетов; гемперагуру поверхносгей
звезд астрономы измеряют электрическими методами с помощью фоюэлс-
метов.
Приборостроение в СССР развивалось особенно быс1ро после Великой Огечссгвси-
ной войны — выполнение каждой послевоенной пятилетки увеличивало i одовое
производство электроизмерительных приборов в 2,5—3 раза. Государственный надзор за
всеми мерами и измерительными приборами гарантирует их необходимую ючиосгь
и высокое качество измерительной аппаратуры. 201

10.2
МЕРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
Измерение любой физической величины есть ее сравнение посредством физического
эксперимента с принятым за единицу значением однородной физической величины.
Следовательно, для измерения в общем случае необходимы мера и прибор сравнения.
Мера является вещественным воспроизведением единиш>1 измерения. Прибор
сравнения есть специальное техническое устройство, предназначенное для сравнения
измеряемой величины с мерой. Например, при взвешивании мерой служит гиря, а прибором
сравнения — весы с коромыслом.
В области электрических измерений важнейшими мерами являются измерительные
резисторы (катушки сопротивления), нормальные элементы (меры электродвижущей силы
и напряжения), меры индуктивности — измерительные катушки собственной и взаимной
индуктивности, измерительные конденсаторы.
Электрическими приборами сравнения являются измерительные мосты а\
потенциометры.
Широко применяются измерительные установки, в которых объединяются все
средства (меры, приборы сравнения и вспомогательные устройства), необходимые для
измерения одной или нескольких физических величин.
Но в большинстве случаев измерение существенно упрощается путем использования
электроизмерительных приборов непосредственного отсчета. В них численное значение
отсчитывается на шкале или циферблате. Такими приборами являются амперметры,
вольтметры, ваттметры, счетчики электрической энергии и др. При измерении подобным
прибором мера не нужна, но она была применена при градуировании шкалы прибора.
Приборы сравнения позволяют выполнять измерения с большей точностью, так как
они существенно чувствительнее, но измерение приборами непосредственного отсчета
проще, быстрее и дешевле.
10.3
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Приняю различать прямые и косвенные измерения. Путем прямого измерения
непосредственно определяется численное значение измеряемой величины, например, при
измерении силы тока амперметром. При косвенном измерении численное значение
измеряемой величины вычисляется на основании прямых измерений других физических
величин, с которыми измеряемая величина связана определенной зависимостью. Например,
косвенным является измерение сопротивления путем измерений напряжения вольтметра
и силы тока амперметром.
Методы измерений различаются способами применения приборов и мер. Основные
методы измерений: непосредственного измерения, нулевой и дифференциальный.
При непосредственном измерении измеряемая величина определяется путем отсчета
показания измерительного прибора (прямое измерение силы тока амперметром) или
сравнения с мерой (измерение длины метром). Точность такого измерения не высока,

так как верхний предел ей поставлен точностью измерительного прибора
непосредственного отсчета.
При измерении нулевым методом известная (образцовая) величина (или эффект ее
действия) регулируется и доводится до равенства с измеряемой величиной (или эффектом
ее действия). В этом случае измерительный прибор нужен лишь для установления факта
осуществления указанного равенства. В соответствии с таким назначением от прибора
требуется не точность, а высокая чувствительность; такой прибор называется нулевым
или нуль-индикатором. В измерительных устройствах постоянного тока нулевыми
приборами служат чувствительные магнито-электрические гальванометры, а в устройствах
переменного тока — электронные нуль-индикаторы, вибрационные гальванометры и
телефоны. Точность нулевых методов измерения определяется точностью образцовых
мер и чувствительностью нуль-индикаторов. Она может быть очень высокой.
При дифференциальных методах измер>ения измеряемая величина уравновешивается
известной величиной, но до полного равновесия система не доводится, а путем
непосредственного отсчета измеряется разность значений измеряемой и известной величин.
Дифференциальные методы применяют для сравнения двух величин, мало отличающихся
друг от друга.
10.4
ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
И КЛАССЫ ТОЧНОСТИ
Точность измерительных приборов — это качество, характеризующее степень
приближения показаний прибора к действительным значениям измеряемой величины.
Разнос гь между измеренным А^^ и действительным А значениями есть абсолютная
погрешность:
АА =^Ат'^ а .
Например, вольтметр показывает 120 В, а действительное значение напряжения 118 В,
абсолютная погрешность Ам - 120 В —118 В = 2 В.
Поправка равна абсолютной погрешности, взятой с обратным знаком. Чтобы
определить действительное значение, нужно к измеренной величине прибавить поправку.
Основной величиной ддя оценки точности измерения обычно служит относительная
погрешность — это отношение абсолютной погрешности к действительному значению
измеряемой величины, выраженное в процентах:
Y«^!00%, (88)
а так как разница между А^^ и А обычно мала, а А часто неизвестно, то в большинстве
случаев можно приближенно считать, что
Y«Mioo%.
Ауп
203

в нашем примере на измерение напряжения
'^^ifo ^^'^•"^-^^^
У сгрелочных измерительных приборов часто абсолютная погрешность — величина
одного и того же порядка вдоль всей шкалы, вследствие чего с относительным
уменьшением измеряемой величины (т. е. при измерении в части шкалы, близкой к нулевому
делению) быстро ра:стет относительная погрешность. По этой причине рекомендуется
выбирать пределы измерения стрелочного прибора так, чтобы отсчитывать показания в
пределах второй половины шкалы, ближе к ее концу.
Точность стрелочных измерительных приборов оценивается на основании их
приведенной погрешности — отношения абсолютной погрешности АА к верхнему пределу
измерения прибора (к номинальному значению) /4„р, выраженному в процентах;
следовательно.
в нашем примере, если напряжение измерялось вольтметром с пpeдeJЮм
измерения 150 В, приведенная погрешность
Погрешности в показаниях прибора могут быть из-за дефектов самого прибора и
из-за внешних влияний. В нормальных рабочих условиях погрешности возникают лишь
из-за дефектов самого измерительного прибора. Нормальные рабочие условия —
температура окружающей среды 20'С (или та, которая обозначена на шкале прибора),
нормальное рабочее положение шкалы (указанное условным знаком на шкале прибора),
отсутствие вблизи прибора ферромагнитных масс и внешних магнитных полей (кроме
земного) и прочие данные, указанные для определенного типа приборов (номинальные
напряжения и частота переменного тока, синусоидальная форма кривой этого тока и т. д.).
Приведенная погрешность, найденная в таких условиях, называется основной
погрешностью.
Допустимая основная погрешность определяет класс точности прибора, указываемый
на его шкале. Принадлежность прибора к данному классу точности показывает, что
основная погрешность прибора на всех оцифрованных делениях рабочей части его шкалы
не должна превышать значения, соответствующего классу точности прибора (например,
у прибора класса 0,5 допускаемая приведенная погрешность 0,5%).
Дополнительные погрешности возникают при отклонении внешних условий от
нормальных. При определенных отклонениях этих условий от нормальных ГОСТ
предусматривает допустимые значения дополнительных погрешностей.
Технические особенности электроизмерительного прибора указываются условными
204 обозначениями на шкале (табл. 3).

Таблица 3 Условное обозночение принципо действия (системы) Прибора
Название системы
Магнитоэлектрический механизм
с подвижной рамкой
Магнитоэлектрический прибор
с подвижным магнитом
Электромагнитный прибор
Электромагнитный поляризованный
прибор
Электродинамический прибор
Ферродинамический прибор
Индукционный прибор
Магнитоиндукционный прибор
Электростатический прибор
Условное обозначение
нормальный
механизм
логометр
G Q
С
Ж
га
ф
(3) (В)
ё
т

Просииж'сние mafu. 3-
Название системы
Вибрационный прибор
(язычковый)
-Тепловой прибор
(с нагреваемой проволокой)
^..^
Условное обозначение
нормальный
механизм
логомстр
Ж
Г
Биметаллический прибор
Термопреобразователь изолированный
и неизолированный
Выпрямитель полупроводниковый
У V
-►Ь
Выпрямитель электромеханический
Электронный преобразователь
Преобразователь вибрационно-
импульсный
Г
Itl

10.5
ОБЩИЕ УЗЛЫ СТРЕЛОЧНЫХ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРОВ
Устройство электроизмерительных приборов непосредственного отсчета весьма
разнообразно, но ряд деталей и узлов мало отличается у приборов различного назначения
и систем. К таким деталям относятся детали для установки подвижной части, для
создания противодействующего момента, для уравновешивания подвижной части, а также
успокоители, корректоры и арретиры.
В измерительных приборах под действием измеряемой величины подвижная часть
перемещается по отношению к неподвижной. Следовательно, важное значение имеет
установка и крепление подвижной части. В современных приборах подвижная часть
укрепляется тремя различными способами: на растяжках, на опорах и на подвесе.
В большинстве внобь изготовляемых приборов применяют установку подвижной
части на pacmHDtcKax (рис. 183) — на двух металлических нитях, прикрепленных одним
концом к подвижной части, а другим — к натягивающим их изогнутьхм плоским
пружинам (рессорам). Растяжки, если hjokho, используются также для подвода тока в
подвижную часть. Предпочтение, отдаваемое такой установке в настоящее время, объясняется
ее преимуществами: практическим отсутствием трения, большей чувствительностью
механизма и большей устойчивостью к тряске и вибрациям.
При установке на опорах подвижную часть укрепляют на оси — легкой алюминиевой
трубке (рис. 184), в концы которой запрессованы керны — отрезки стальной проволоки,
заточенные на конце и заканчивающиеся закруглением с малым радиусом (0,01—0,15 мм).
Если у прибора сквозная ось отсутствует, то керны запрессовывают в буксы,
укрепленные непосредственно на подвижной части и образующие две полуоси прибора.
Керны устанавливают в двух подпятниках — камнях из твердых синтетических или
естественных материалов: агата, корунда, специального стекла, реже стали или бронзы.
В подпятниках выточены конические кратеры, оканчивающиеся закруглением. Камень
подпятника завальцовывают в опорный винт, что дает возможность регулировать
положение подпятника. При установке на опорах подвижная часть перемещается при наличии
трения в подпятниках, а это создает некоторую погрешность в показаниях прибора.
По мере износа кернов при длительной работе погрешность от трения может быть очень
значительной.
183.
Установка подвижной части на рас- |
тяжках:
/ — пружина» 2 — растяжка 207

Установка подвижной части на подвесе (рис. 185) применяется у приборов самой
высокой чувствительности (гальванометров). Их подвижную часть подвешивают на
упругой металлической (иногда кварцевой) нити.' Чтобы подвижная часть не задевала
за ближайшие к ней неподвижные детали, приборы устанавливают в строго вертикальном
положении, для чего они снабжаются уровнями. Большинство из них имеет световой
указатель — луч света от вспомогательного источника заменяет стрелку. Этот луч,
направленный оптической системой на зеркальце, оторвавшись от последнего, образует
светлое пятно на отсчетной шкале. Такой световой указатель равноценен очень длинной
стрелке (обычно 1 м) и поэтому значительное перемешение светового указателя вдоль
шкалы имеет место при относительно малом отклонении подвижной части прибора.
Световой указатель применяют для повышения чувствительности также в
переносных приборах с установкой подвижной части на растяжках или на опорах (рис. 186). Луч
света от помещенной в приборе лампы / через линзу 2 и диафрагму 3 направляется
неподвижными зеркалами 4 и6 сквозь фокусирующие линзы 5 и 7 на зеркальце <^,
укрепленное на подвижной части прибора. Отразившись от зеркальца, а затем от неподвижных
зеркал 9 и /О, луч образует круглое светлое пятно на шкале II или 12. Шкала прибора
двустрочная: ее начальная отметка находится на верхней строке // шкалы прибора слева,
а конечная отметка шкалы — на нижней строке справа J2. При постепенном увеличении
отклонения подвижной части световой указатель проходит сначала всю верхнюю шкалу,
а затем всю нижнюю, чем достигается удвоение длины шкалы и повышение
чувствительности прибора. Чтобы осуществить такое последовательное движение указателя по двум
шкалам, подвижное зеркальце изготовлено из двух плоских зеркал, скрепленных под
определенным углом.
. Луч света при малых углах отклонения зеркальца отражается от одной половины
зеркальца и попадает на верхнюю строку, а при больших углах отклонения луч
отражается от второй половины зеркальца 8 и попадает уже на нижнюю строку шкалы.
Вращающий момент М^р создается в измерительных приборах путем использования
того или иного физического явления, сопровождающего электрический ток или
напряжение. Этот момент у большинства измерительных механизмов нелинейно зависит ог
измеряемой величины, хотя желательна линейная зависимость (например, М^^ - к^^ /).
Вращающему моменту должен быть противопоставлен противодействующий
момент. При отсутствии противодействующего момента стрелка прибора уходила бы за
184.
Установка
подвижной части на опорах:
а — подвижная часть, 6 —
опора; У — стойка, 2 — керн,
3 — ось, 4 — камень, 5 — винт
подпятника, 6 — стопорный
винт

185.
Подвес
подвижной
части на нити
186.
Схема устройства-свето-
вого указателя с
применением двойной шкалы:
/ — лампа, 2. 5 и 7 — линзы«
3 — диафрагма, ^ и б —
зеркала, 8 — подвижное зеркальце,
9 и 10— неподвижные зеркала,
У/ и 12 — шкалы
Край шкалы при любом значении вращающего момента. Противодействующий момент
должен быть направлен навстречу вращающему и возрастать с увеличением угла а,
равного повороту подвижной части. Подвижная часть под действием вращающего
момента поворачивается, пока противодействующий момент М^^ не станет равен
вращающему: Л/др = М„р. В большинстве электроизмерительных приборов
противодействующий момент создается кручением растяжек, пружин и подвесов. При таком
устройстве противодействующий момент прямо пропорционален углу закручивания: А/„р =
АпрЛ, здесь /спр— постоянная величина, зависящая от материала растяжки или пружины
и ее размеров; это удельный противодействующий момент, т. е. момент,
соответствующий единице угла а (1° или 1 радиану).
В простейшем случае, когда М^
части имеет место равенство моментов: /c^pj
чина (например, сила тока)
SCgp/, при установившемся отклонении подвижной
fe3ife
'-"^li^^'IpDfii
здесь С—постоянная прибора. У переносных приборов со шкалой, градуированной в
единицах, пропорциональных а, например 150 условных делений, постоянная прибора С
называется ценой делений. Обратная величина S=\IC = alI нгiзыв2ie^cя чувствительно-
к
стью прибора, в нашем примере чувствительностью по току. Если С = —г^ величина
постоянная вдоль всей шкалы прибора, то здесь шкала равномерная.
Пружины для электроизмерительных приборов изготовляют в большинстве случаев
из фосфористой бронзы — неферромагнитного материала для того, чтобы магнитное
поле прибора не могло повлиять на ее работу.
209
14—819

Корректор является приспособлением для установки стрелки прибора на нулевое
деление шкалы, если по каким-либо причинам стрелка прибора, не включенного в цепь
тока, с этого деления сместилась. Посредством корректора воздействуют на положение
точек крепления растяжки или нити подвеса. В случае применения пружины (рис. 187)
один конец ее 4 крепится к оси подвижной части, а второй 3 — к поводку / корректора.
При таком устройстве стрелку 5 можно смещать, поворачивая укрепленный на корпусе
прибора винт 2 корректора.
Для устранения влияния силы тяжести подвижной части на показания прибора центр
тяжести подвижной части должен совпадать с ее осью вращения. С этой целью подвижная
часть уравновещивается при помощи противовесов — грузиков б, надетых на тонкие
болты, укрепленные на оси подвижной части, обычно вместе со стрелкой. Стрелка хорошо
уравновешенного прибора, не включенного в цепь тока, при любых положениях шкалы
смещается с нуля не более чем на десятые доли деления, и его показания почти не зависят
от положения шкалы. Нарушение уравновешенности может возникнуть, например,
вследствие сильного толчка при кратковременной перегрузке прибора (может погнуться
стрелка или болты грузиков).
Подвижная часть прибора вместе с пружиной образуют систему, способную к
механическим колебаниям, поэтому при изменении измеряемой величины подвижная часть
устанавливается в новое положение после нескольких колебаний. Успокоители служат
для того, чтобы подвижная часть, а вместе с ней стрелка прибора, принимала новое
положение возможно скорее. В настоящее время широко применяют магнитоиндукционные,
воздушные и жидкостные успокоители.
Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 188) состоит из постоянных магнитов 2
и подвижной пластины 1 (сектора, диска, цилиндра), укрепленной на оси подвижной части.
При движении пластины в ней индуктируются вихревые токи, вследствие взаимодействия
которых с полем постоянных магнитов создается сила, тормозящая согласно принципу
Ленца движение пластины.
187.
Корректор с пружиной:
/ — поводок, 2 — винт, 3 1\4 ~ концы пружины,
5 — стрелка, 6 — грузики
188.
Магнитоиндукционный
успокоитель:
/ — алюминиевая пластина, 2 — постоянные

189
Воздушный кр ы ль
чаты й успокоитель
190.
Жидкостный
успокоитель:
/ — подпижиая часть, 2 ~
неподвижная часть, J — жидкость
В воздушном кры.шчатом успокоителе (рис. 189) при враи1еиии оси прибора в
закрытой камере перемещается легкое алюминиевое крыло. Из-за малого зазора между крылом
и стенками камеры по обе стороны крыла создается разнос! ь давлений и возникает
тормозящая сила.
Современные жидкостные успокоители (рис. 190) состоят из двух металлических
дисков, один из которых укреплен на подвижной части прибора, а второй на
неподвижной. Они установлены один против другого с зазором между ними порядка 0,1 мм. Зазор
заполнен вязкой жидкостью. Последняя под действием сил сцепления с поверхностями
дисков не выливается при любом положении прибора. Движение дисков в этой жидкости
создает сильное успокаивающее действие.
10.6
МЕХАНИЗМЫ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРОВ
Основными частями электроизмерительного прибора являются измерительная цепь
и измерительный механизм.
Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину (напряжение,
мощность, частоту и т. д.) в пропорциональную ей величину, воздействующую на
измерительный механизм. Например, измерительная цепь вольтметра состоит из обмотки
измерительного механизма и добавочного сопротивления. Так как сопротивление этой
цепи постоянно, то через измерительный механизм проходит ток, пропорциональный
измеряемому напряжению, и вызывает соответствующее отклонение стрелки вольтметра.
Измерительный механизм преобразует подводимую к нему электрическую энергию
в механическую энергию перемещения подвижной части и связанного с ней указателя
(например, стрелки).
Основными электромеханическими измерительными механизмами являются
магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные и
электростатические. Кроме того, существует еще значительное число систем таких механизмов
узко специализированного назначения (табл. 3).
Магнитоэлектрический механизм работает лишь при постоянном токе, но ввиду
высоких качеств его щироко применяют в соединении с различными преобразующими
211
14'

191.
Магнитоэлектрический механизм
с внешним магнитом:
/ — постоянный магнит, 2 — магнитопровод,
3 — полюсные наконечники, 4 — подвижная
катушка
192.
Магнитоэлектрический механизм
с внутрирамочным магнитом:
у — постоянный магнит, 2 — накладки, 3 — маг-
нитоп-ровод
212
устройствами для измерений переменного тока. При соединении магнитоэлектрического
механизма и полупроводникового выпрямителя получают выпрямительный
(детекторный) прибор; а если этот же механизм соединить с термопарами, образуется
термоэлектрический прибор.
В магнитоэлектрическом механизме вращающий момент создается взаимодействием
поля постоянного магнита и катушки, по которой проходит измеряемый ток. Механизмы
данной системы могут быть с подвижной катушкой и с подвижным магнитом. Последние
обладают весьма низкой точностью и применяются относительно редко.
По своим конструктивным особенностям магнитоэлектрические измерительные
механизмы с подвижной катушкой делятся на механизмы с внешним магнитом и механиз- i
мы с внутрирамочным магнитом.
Магнитная система механизмов с внешним магнитом (рис. 191) состоит из сильного
постоянного магнита i, магнитопровода 2, полюсных наконечников 3 и сердечника. Три
последние части изготовляют из легко обрабатываемой магнитномягкой стали. В
результате тщательной обработки полюсных наконечников и сердечника в воздушном зазоре
между ними создается практически равномерное радиальное магнитное поле.
В механизмах с внутрирамочным магнитом (рис. 192) сердечником служит постоян-
ный магнит 7. Его охватывает кольцевой магнитопровод i, изготовленный из магнитно-
мягкой стали. Намагничивающая сила постоянного магнита неодинакова на различных
участках воздушного зазора и при равномерном зазоре создавала бы примерно
синусоидальное распределение индукции в зазоре вдоль окружности сердечника. Но посредством
накладок 2 из магнитномягкой стали удается сделать магнитное поле в большей части
зазора практически равномерным, радиальным.
В обеих конструкциях измерительных механизмов подвижная катушка
устанавливается на растяжках или опорах и может поворачиваться относительно сердечника в
пределах примерно 90". Эта катушка наматывается на алюминиевый каркас. Такую подвижную
часть принято называть рамкой. Алюминиевый каркас служит в этом механизме магкито-
индукционным успокоителем, так как он представляет собой короткозамкнутый виток,
помещенный в поле постоянного магнита. При перемещении подвижной части меняется

потокосцепление каркаса, вследствие чего в нем индуктируется э, д. с. и возникает ток i
в каркасе. Ток, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает силу, тормозящую
колебания рамки. i
Вращающий момент в приборе определяется на основании закона электромагнитной I
силы. На каждый из проводников катушки воздействует сила
f-BIh \
здесь / — активная длина проводника, приблизительно равная высоте катушки h.
Каждый из W витков катушки имеет две активные стороны. Плечо приложения силы равно
половине ширины d катушки, на основании чего вращающий момент, воздействующий
на подвижную часть магнитоэлектрического механизма, будет:
d
а так как hd-~^S — площади катушки, то
Mbp^wSBI. (89)
Следовательно, в магнитоэлектрическом механизме вращающий момент
пропорционален магнитной индукции в воздушном зазоре и силе измеряемого тока. Так как
магнитная индукция в воздушном зазоре распределена практически достаточно равномерно,
то можно считать, что
Л/вр ■** квр1.
Противодействующий момент М„р создается кручением растяжек или пружин. Они
служат вместе с тем для подвода тока в подвижную часть, т. е. Л/^р = k^^oL.
При установившемся отклонении сила тока
лвр
Угол отклонения подвижной части прямо пропорционален измеряемому току —
магнитоэлектрический прибор имеет равномерную шкалу (поскольку индукцию можно
считать одинаковой в пределах рабочей части воздушного зазора).
Применив правило левой руки, легко убедиться, что подвижная катушка стремится
принять положение, при котором направление ее поля совпадает с направлением
основного магнитного поля, создаваемого магнитом. Направление вращающего момента
меняется при изменении направления тока, поэтому при включении в цепь переменного
тока технической частоты стрелка будет оставаться на нулевом делении, так как на
подвижную часть будут воздействовать быстро чередующиеся импульсы противоположного
направления.
Магнитоэлектрические механизмы весьма чувствительны, так как их основное
магнитное поле возбуждается постоянным магнитом, а не измеряемым током. По этой
причине для высокочувствительных нулевых приборов (гальванометров) обычно применяют
магнитоэлектрические измерительные механизмы.
Из-за большой чувствительности магнитоэлектрический механизм отличается малым
собственным потреблением энергии. 213

193.
Выпрямительные приборы:
а — олнонолупериолная схема, 6 —
лвухполупериодиая мостовая схема
194.
Мостовая двух-
венгильная схема
выпрямительного
прибора
Отсутствие намагничиваемого железа позволяет изготовить магниюэлектрические
механизмы весьма точными.
Внешние магнитные поля мало влияют на показания этих приборов в результате
собственного сильного магнитного поля и экранизирующего действия магнитопровода
из магнитномягкой стали.
Недостатком системы можно считать относительно высокую стоимость механизмов.
В приборах выпрямительной системы для измерений переменного тока магнитоэлек-
рический механизм соединяют с полупроводниковыми вентилями — меднозакисными
или германиевыми по однополупериодной или двухполупериодной схеме выпрямления
(рис. 193).
При однополупериодной схеме выпрямления ток проходит через измерительный
механизм в течение только одной половины периода. При этом измерительный
механизм ИМ и вентиль Bi шунтируются вторым вентилем ^2» включенным в обратном
направлении. Такое соединение не нарушает режима работы контролируемой цепи и при
обратном направлении тока вентиль В^ не оказывается под прлным (обратным)
напряжением цепи, таким образом исключается возможность пробоя вентиля.
Двухполупериодное выпрямление в измерительных механизмах часто осуществляется
при помощи двух вентилей и двух сопротивлений (рис. 194).
Через измерительный механизм прибора выпрямительной системы проходит
пульсирующий, постоянный по направлению ток. Подвижная часть прибора, обладая
значительной инерцией, не может поспевать за такими пульсациями, а ее отклонение
определяется средним за период значением вращающего момента. Так как вращающий момент
пропорционален току, то он же пропорционален среднему значению тока /^р и при двух-
полупериодном выпрямлении:
При однополупериодном выпрямлении этот момент в два раза меньше.

195.
Многопре;1елы{ый
выпрямительный
прибор
196.
Схема контактного
(а) и бесконтактного
(б)
термоэлектрических приборов
При синусоидальном переменном токе действующее значение тока
/-1,11 /ср. '
Хотя фактически магнитоэлектрический механизм выпрямительного прибора изме- \
ряет среднее значение тока, тем не менее для измерений в цепях переменного юка он гра- |
дуируется для действующего значения переменного тока или напряжения. Например,
при среднем значении синусоидального напряжения 108 В прибор показывает 120 В
-^- 108* 1,1. Следовал ельно, если кривая мгновенных значений переменного тока
несинусоидальна, то возникает соответствующая погрешность в показаниях прибора.
Точность выпрямительных приборов невысока из-за погрешностей, создаваемых
несовершенством выпрямительного устройства. Для частот свыше 20 кГц выпрямил ель-
ные приборы не применяют из-за шунтирующего действия внутренней емкости вентилей.
Выпрямительные приборы сохраняют ряд достоинств магнитоэлеклрической
системы: высокую чувствительность, малое собственное потребление, в определенных
пределах малую зависимость показаний от частоты. Приборы выпрямительной системы
широко применяют в качестве универсальных многопредельных приборов (тестеров), так как
их пределы измерений легко изменять путем переключения шунтов и добавочных
сопротивлений (рис. 195). Размеры пЪлупроводниковых вентилей, необходимых для измерений,
достаточно малы и в выпрямительном приборе они легко размещаются внутри корпуса.
Переменные токи высокой частоты часто измеряют посредством приборов
термоэлектрической системы. В этих приборах магнитоэлектрический механизм соединяется
с термопреобразователем. Термопреобразователь состоит из одной или нескольких
термопар и подогревателя, через который пропускается измеряемый переменный ток
(рис. 196). Э. д. с. термопары пропорциональна разности температур между горячим и 215

197.
Электромагнитный механизм
с плоской катушкой:
/ — подвижный сердечник, 2 — катушка, 3 -
неподвижный сердечник, 4 — экран
198.
Электромагнитный механизм с
круглой катушкой:
/ — катушка, 2 v\3 — сердечники, 4 — экран
216
холодным концами термопары, т. е. перегреву термопары, а перегрев пропорционален
квадрату действующего значения переменного тока /^ следовательно, шкала прибора
должна быть весьма неравномерна. Приборы этой системы малочувствительны,
обладают низкой точностью и весьма неустойчивы к перегрузкам.
В электромагнитных измерительных механизмах вращающий момент создается
воздействием на подвижный ферромагнитный сердечник магнитного поля измеряемого
тока, проходящего по неподвижной катушке. В подобном устройстве электромагтштные
силы стремятся переместить сердечник так, чтобы магнитный поток в механизме был
наибольшим. В настоящее время широко применяют три основные конструкции
электромагнитных механизмов.
В механизмах с плоской катушкой (рис. 197) сердечник / из магнитномягкого
материала втягивается в относительно узкую щель катушки 2, когда по этой катушке проходит
измеряемый ток. Для усиления магнитного поля и регулирования вращающего момента
служит второй неподвижный сердечник i.
В механизмах с круглой катушкой (рис. 198) внутри катушки / находятся два
ферромагнитных сердечника 2 и 5. Один из них 2 неподвижен, а второй 3 — подвижный
укреплен на оси. Когда по катушке проходит измеряемый ток, то сердечники намагничиваются
одноименно и стремятся оттолкнуться друг от друга, что и создает вращающий момент.
В механизмах с магнитопроводом (рис. 199), представляющих собой новейшую
конструкцию, подвижный сердечник 1 помещен в зазоре магнитопровода между когтеобраз-
ными полюсными наконечниками 2 и 3. Магнитный поток возбуждается измеряемым
током, обтекающим катушку 4. Подвижный сердечник, имеющий форму сектора,
стремится занять положение, соответствующее максимуму энергии магнитной системы.
Подвижная часть электромагнитных приборов устанавливается на растяжках или
на опорах. Для создания противодействующего момента используют кручение растяжек

или спиральной пружины. Электромагнитные механизмы с круглой или плоской
катушкой, имеющие собственное слабое магнитное поле, снабжаются экранами 4 (см. рис. 198)
для защиты от внешних магнитных влияний.
Для успокоения в электромагнитных приборах применяются воздушные (см. рис. 197)
магнитоиндукционные (см. рис. 198) и жидкостные успокоители. Вращающий момент
этих приборов пропорционален квадрату силы тока 1^ и изменению индуктивности
системы при повороте подвижной части Л/^р ^ /^ д" • Следовательно, изменение
направления измеряемого тока не меняет направления вращающего момента: при изменении
направления тока происходит одновременное изменение полярности сердечников и
направления магнитного поля. В принщ1пе приборы пригодны для постоянного и
переменного токов. Но при постоянном токе влияние гистерезиса может вызывать разницу
в показаниях прибора при возрастании и убывании тока (доходящую примерно до 2%).
При переменном токе потери в сердечнике от гистерезиса и вихревых токов несколько
уменьшают отклонения подвижной части, В лабораторных и переносных приборах при
применении сердечников из относительно дорогих специальных ферромагнитных
материалов (пермаллоя) разница в показаниях при постоянном и переменном токах
становится незначительной. Но большинство щитовых приборов этой системы предназначается
для измерений только переменного тока.
Приборы электромагнитной системы по конструкции просты, дешевы, весьма
устойчивы к перюгрузкам, благодаря таким высоким эксплуатационным качествам щитовые
электромагнитные амперметры и вольтметры переменного тока почти полностью
вытеснили аналогичные приборы других систем.
Недостатками механизмов электромагнитной системы являются относительно
большое собственное потребление энергии, зависимость показаний от внешних магнитных
полей и некоторая неравномерность шкалы, особенно в ее начальной части.
Электродинамические механизмы основаны на принципе взаимодействия
проводников, по которым проходят токи: два проводника с противоположно направленными
199. 200.
Электромагнитный меха- Электродинамический
низм с магнитопрово- измерительный меха-
дом: низм:
/ - подвижный сердечник, 2 vi / и 2— катушки, 3 — пружины
3 — наконечники, 4 — обмотка

токами взаимно отталкиваются, с одинаково направленными токами — притягиваются.
В основном измери гельный механизм этой системы (рис. 200) состоит из неподвижной /
и подвижной 2 катушек, обтекаемых токами /„ и /„.
Ток в подвижную катушку /„ подводится через две растяжки или через спиральные
пружины J, которые вместе с тем служат для создания противодействующего момента.
Катушки прибора могут быть без стального сердечника или со стальным сердечником
и, хотя электродинамический принцип используется в обоих типах приборов, тем не менее
электродинамическими принято называть приборы первого типа, а ферродинамически-
ми - приборы второго типа.
Сила, создаваемая взаимодействием токов двух катушек прибора, пропорциональна
произведению этих токов. Кроме того, эта сила зависит от относительного положения
катушек, изменяющегося по мере перемещения подвижной катушки. Последняя
зависимость выражается как пропорциональность изменению взаимной индуктивное! и ЛЛ/ при
перемещении подвижной катушки на
Аа, Т. е, Л/вр=*/11/нд^.
При одновременном изменении направления тока в обеих катушках направление
вращающего момента не меняется. Следовательно, как электродинамические, так и ферро-
динамические механизмы пригодны для переменного и постоянного токов.
В механизмах без сердечника собственное магнитное поле слабо, так как оно
создается в неферромагнитной среде. По этой же причине для получения достаточного
вращающего момента катушки механизма должны иметь значительное число витков; но из-за
большого числа витков сопротивление катушек сравнительно велико, что обусловливает
относительно большое собственное потребление энергии гакими механизмами. Для
защиты от внешних магнитных влияний современные электродинамические механизмы
помещают внутри двойного экрана из ферромагнитного материала. Луч1иий магериал
для такого экрана — пермаллой (сплав 78% никеля и 12% железа). Внешние
магнитные поля не проникают в экранированный механизм, так как замыкаются через
экраны. .
Характерным свойством электродинамических приборов (без сердечников) ^1т^ляется
высокая точность из-за отсутствия ферромагнетиков в механизме. Для измерений на
переменном токе эти приборы можно считать наиболее точными. Таким образом,
электродинамические приборы служат главным образом переносными лабораторными
приборами (в особенности ваттметрами) высокой точности (классов 0,5; 0,2 и 0,1).
Электродинамические ваттметры имеют практически равномерную шкалу, а у амперметров и
вольтметров она неравномерна (сжата ее начальная часть).
Из-за плохих условий охлаждения и значительного собственного потребления
энергии электродинамические механизмы не должны сильно перегружаться.
Приборы электродинамической системы из-за сложности изготовления
дороги.
В ферродинамических механизмах неподвижная катушка / снабжена стальным маг-
нитопроводом .?, а подвижная катушка 2 охватывает стальной сердечник (рис. 201).
Наличие стали создает в этих механизмах сильное собственное магнитное поле, а
следовательно, и больший вращающий момент, что позволяет существенно снизить собственное
потребление энергии механизмами. Внешние магнитные поля на их показания
практически не влияют.

201.
Ферролинамический
измерительный механизм:
/ и -? — катушки, J — магиитопровод
202.
Электростатический
измерительный механизм для непосрелс гвемно-
го измерения высоких напряжений:
/ и i — пластины, 2 — ось
Отрицательным последствием применения стального сердечника является некоторое
понижение точности из-за дополнительных погрешностей, вызываемых потерями в
сердечнике и нелинейностью кривой намагничивания стали. При постоянном токе
гистерезис вызывает разницу в показаниях при возрастании и убывании измеряемой величины.
Наличие стали ограничивает частотный диапазон приборов (верхний предел примерно
500 Гц).
Ферродинамические приборы изготовляют щитовыми и переносными для рабозы
на переменном токе. Кроме того, ферро динамические механизмы применяют в
самопишущих приборах, в которых требуются большие вращающие моменты.
Индукционные измерительные механизмы в настоящее время применяются только
в счетчиках электроэнергии,
В электростатических механизмах для создания вращающего момента служит
взаимодействие заряженных проводников. В отличие от механизмов всех других систем
в электростатических механизмах используется непосредственное действие приложенного
напряжения, а не силы тока. В большинстве случаев приборы этой системы служат
вольтметрами. В вольтметре (рис. 202) имеется система подвижных пластин У, укрепленных
на оси 2 или на растяжках, и система неподвижных пластин i, по отношению к которым
перемещаются подвижные пластины. Как элемент электрической цепи
электростатические механизмы являются плоскими конденсаторами с подвижными и неподвижными
обкладками. Перемещение подвижной части вызывает соответствующее изменение
емкости механизма. Измеряемое напряжение действует между подвижными и
неподвижными пластинами. Электростатическое взаимодействие прямо пропорционально
произведению взаимодействующих зарядов, а заряды пропорциональны напряжению, их
создающему, поэтому вращающий момент электростатического механизма прямо пропорцио-

нален квадрату измеряемого напряжения (С/^), кроме того, этот момент зависит от
изменения емкости ЛС при изменении Ла угла отклонения подвижной части. Таким образом,
вращающий момент электростатического вольтметра
Противодействующий момент создается кручением растяжек или пружиной.
Изменение знаков зарядов пластин не меняет направление вращающего момента,
поэтому электростатический вольтметр пригоден для измерений постоянного и
переменного напряжений. Для ряда исследований весьма важно, что вольтметр практически
не потребляет энергию — это позволяет применять его для измерений на объектах малой
мощности.
Кроме того, из-за пропорциональности момента U^ при низких напряжениях
вращающий момент этого вольтметра относительно мал, что вынуждает увеличивать число
пластин и делает подвижную часть тяжелой. В результате прибор становится хрупким
и дорогим. Поэтому электростатические вольтметры применяют, главным образом, для
непосредственного измерения высоких напряжений в специальных лабораториях, а также
для лабораторных измерений в маломощных устройствах (в частности, в устройствах
электроники).
10.7
ШУНТЫ и ДОБАВОЧНЫЕ
СОПРОТИВЛЕНИЯ
Шунт (англ ел. shunt — ответвление) — это резистор, обладающий относительно
малым, но постоянным по величине сопротивлением. Он служит для расширения
пределов измерения силы тока ряда измерительных приборов и включается последовательно
в цепь измеряемого тока /, а параллельно с шунтом соединяется измерительный
механизм ИМ (рис. 203). При этом на пути измеряемого тока / создается разветвление: одну
ветвь образует сопротивление шунта Гщ, а вторую — катушка измерительного
механизма г^, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением Гд. Согласно
условию параллельного соединения токи распред,еляются между ветвями обратно
пропорционально их сопротивлениям /им/^ш"^''ш/('*к "^ Га^-
Измеряемый ток
где /Сщ—постоянный коэффициент шунтирования, на который нужно умножать силу
тока 1^^, проходящего через измерительный механизм. Благодаря шунтированию лишь
небольшая сила тока проходит через измерительный механизм, а это существенно
облегчает его изготовление и эксплуатацию. Шунт должен иметь четыре зажима (рис. 204):
два токовых т для включения шунта последовательно в цепь измеряемого тока и два
потенциальных п для присоединения ветви измерительного механизма; четыре зажима
необходимы, чтобы устранить влияние переходных сопротивлений контактов на
распределение токов между шунтом и измерительным механизмом. Чтобы распределение

203.
Схема соединений шунта с
измерительным механизмом
204.
Внешний вид шунта
токов не нарушалось, при измерениях температуры необходимо обеспечить постоянство
коэффициента шунтирования к^, иными словами, постоянство сопротивлений ветвей.
С этой целью шунт изготовляют из манганина — сплава, температурный коэффициент
которого близок к нулю и который не образует термопары с медью. А для устранения
влияния нагрева последовательно с медной обмоткой катушки включают полученное из
манганина добавочное сопротивление Гд > 5г^.
Шунты применяют только с измерительными механизмами, собственное
потребление которых мало, так как нагревание шунта в /с^раз больше нагревания измерительного
механизма. По этой причине шунтами снабжаются измерительные механизмы только
магнитоэлектрической и выпрямительной систем. Один и тот же прибор с набором
шунтов может служить для измерения самых различных по силе токов. Часто шунты
помещают внутри корпуса прибора.
В уотановках переменного тока для расширения пределов измерения тока приборы
включают через H3MepHTejjbHbie трансформаторы тока.
Добавочное сопротивление служит для ограничения тока вольтметра при
номинальном напряжении до его номинального значения 4 „ом- Обмотка измерительного
механизма вольтметра рассчитана на определенную силу тока 4 „ом^ "Р** которой стрелка прибора
отклоняется на всю шкалу. У большинства вольтметров этот ток относительно мал
(примерно 0,1 — 50 мА). Сопротивление медной обмотки г,, измерительного
механизма относительно невелико и его дополняет добавочное сопротивление
настолько, чтобы /в ном ^ ~^^^^- Следовательно, необходимое добавочное сопро-
тивление
Сопротивление всей измерительной цепи должно быть постоянным, не зависящим от
температуры и частоты переменного тока. Добавочное сопротивление изготовляют из
манганина или константана. Для устранения влияния частоты оно должно быть
безреактивным, с этой целью проволока добавочного сопротивления наматывается бифи-

205.
Добавочное сопротивление,
намотанное на изолирующую пластину
лярно или одним слоем на тонкую
изолирующую пластину (рис. 205).
Добавочными сопротивлениями
снабжаются также цепи напряжения
ваттметров и фазометров, частотомеры
и другие приборы. В зависимости от
мопшости, рассеиваемой в
добавочном сопротивлении, и от
номинального напряжения добавочное
сопротивление встраивают в корпус
прибора или устанавливают отдельно от
прибора.
В установках переменного тока при высоких напряжениях вольтметры и цепи
напряжения друг их измерительных приборов включают через измерительные трансформаторы
напряжения.
10.8
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Мощность постоянного тока легко определить по показаниям вольтметра и
амперметра, гак как при постоянном токе P-^UI, поэтому в установках постоянного тока
ватгметры обычно отсутс! вуют. Но в установках переменного тока для измерения
мощности ваттметр необходим, так как мощность переменного тока (активная), помимо
напряжения и тока, зависит также от сдвига фаз между ними. В качестве лабораторных
и переносных приборов применяют электродинамические ваттметры, а щитовыми
приборами обычно служат ферродинамические ваттметры. Эти^приборы имеют две
измерительные цепи (рис. 206): цепь тока (неподвижную катушку), включаемую как амперметр
последовательно с контролируемым объектом, и цепь напряжения, состоящую из
подвижной катушки и добавочного сопротивления Гд, соединенных последовательно. Цепь
напряжения включается- как вольтметр, параллельно объекту измерения. При таком
соединении через неподвижную катушку ваттметра проходит тот же ток, а на
параллельную цепь воздействует то же напряжение, что и на объект измерения.
Вращающий момент измерительного механизма ваттметра должен быть
пропорционален произведению токов неподвижной и подвижной катушек и косинусу сдвига
фаз между этими токами; таким образом, необходимо, чтобы ток подвижной катушки
совпадал по фазе с напряжением, его создающим. Тогда вращающий момент будет
пропорционален cos ф объекта измерения. Но чтобы ток в подвижной катушке совпадал по
фазе с напряжением, необходимо, чтобы сопротивление этой цепи было практически
безреактивно. Индуктивное сопротивление подвижной катушки относительно мало,
а добавочное сопротивление изготовляется безреактивным; поэтому можно считать
полное сопротивление цепи напряжения ваттметра чисто активным. В результате этого
вращающий момент ваттметра пропорционален мощности контролируемой нагрузки
или источника электроэнергии переменного тока.

206.
Схема включения
измерительных цепей
ваттметра
207.
Зависимость направления
вращающего момента ваттметра от
относительной фазы токов в
катушках механизма:
а— ГОКИ /| и /2 направлены согласно
(совпадают по фа»е), б—токи /, и Ь направ-
лены встречно (фа w изменена на 180°)
При изменении направления токов в обеих катушках ваттметра направление
вращающего момента остается прежним (рис. 207). Но если поменять местами в цепи зажимы
одной из цепей ваттметра, то это будет равносильно изменению на 180 относительной
фазы тока в соответствующей катушке прибора, вследствие чего изменится направление
вращающего момента — стрелка прибора уйдет за нулевое деление шкалы.
Чтобы предупредить возможность неправильного соединения цепей, ваттметры
выпускают с разметкой относительного «начала» у зажимов цепей. «Начало» отмечают
знаком звездочки у соответствующего зажима (см. рис. 206), Зажимы двух цепей со
звездочкой -называются генераторными: стрелка ваттметра отклоняется в надлежащую
сторону, если оба эти зажима присоединены к одному и тому же полюсу источника
электроэнергии.
10.9
ИЗМЕРЕНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Для учета электроэнергии, получаемой ее отдельными потребителями или
отдаваемой электростанциями в сеть, служат счетчики электрической энергии. Существенным
отличием их измерительного механизма от механизма стрелочных приборов является то,
что в счетчиках подвижная часть вращается. Скорость ее вращения должна быть
пропорциональна мощности контролируемой нагрузки. В установках переменного тока
применяют исключительно индукционные счетчики (рис. 208). В них переменные потоки двух
неподвижных электромагнитов У и 2 пронизывают установленный на осях алюминиевый
диск 3. Переменные потоки индуктируют в диске токи, взаимодействие которых с
потоками электромагнитов создает вращающий момент. Счетчик является маленьким
двигателем переменного тока, в котором два переменных потока создают вращающееся
магнитное поле. Один из электромагнитов счетчика имеет обмотку из большого числа
витков, которая обладает большим индуктивным сопротивлением. Она включается как
вольтметр под напряжение t/, приложенное к зажимам нагрузки. Благодаря этому поток 223 I

208.
Схема устройства индукционного
счетчика:
/ и 2 — электромагниты, 3 — диск, 4 —
постоянный магнит
209.
Тормозные диск и магнит
счетчика
одного электромагнита пропорционален напряжению. Обмотка второго электромагнита
счетчика имеет относительно малое число витков. Она включается в цепь как амперметр —
последовательно с контролируемой нагрузкой, и поток второго электромагнита
пропорционален току нагрузки. Таким образом, один поток счетчика пропорционален
напряжению I/, а второй — току /. Вращающий момент, создаваемый воздействием этих
потоков на диск, пропорционален мощности переменного тока:
Msp'^kBpUIcosip,
Но чтобы сделать число оборотов счетчика пропорциональным энергии, прошедшей
через его механизм, необходимо противопоставить вращающему моменту тормозящий
момент, пропорциональный скорости вращения подвижной части — диска счетчика.
Этот момент создается путем воздействия на диск счетчика поля.постоянного магнита L.
Диск при вращении пересекает поле постоянного магнита и в нем индуктируется э. д. с.
е = Blv. Индукция В прямо пропорциональна потоку Ф постоянного магнита,
а V есть окружная скорость части диска, находящейся в поле постоянного магнита.
Скорость V == ^^ , где п — число оборотов диска в минуту; R — радиус соответствующей
части диска (рис. 209). Следовательно, э. д. с, индуктируемая в диске постоянным
магнитом, е = ^\^~^ = к2ФЯп^ здесь к^ и kj — постоянные коэффициенты. Э. д. с. вы-
60
зывает в диске ток, пропорциональный удельной проводимости алюминия диска у:
Ы - кзУед^'кАЧФЦп,
здесь /сз и ^4 — постоянные коэффициенты.
Электромагнитная сила взаимодействия потока и тока (диска)/ = Bi^/=/сзФ/д^^
^/с^уЯФ^п. Тормозящий момент, создаваемый при этом, равен произведению этой
силы на плечо ее приложения:

210.
Схема устройства и включения
трехфазного двухэлементного счетчика
При установившейся скорости вращения
диска вращающий момент равен
тормозящему:
'Ъ^'''. _• "^
где /с^ор =-/c6?R^Ф^
на основании чего
Если в течение промежутка времени t
мощность Р не изменилась, то
•f;" •
Л*-Ш|||§*
Но Pt И'— электрической энергии, потребленной контролируемой установкой за
время t, а nt = N — числу оборотов диска счетчика за это же время.
На основании чего W=Cc^N.
Следовательно, число оборотов диска, умноженное на постоянный коэффициент Q,,
называемый постоянной счетчика, выражает численно энергию, израсходованную
контролируемой установкой за время t. Величина С„ равна количестбу электрической
энергии, расходуемой установкой за время одного оборота диска.
Вращение диска через червячную передачу и систему зубчаток передается счетному
механизму, а передаточное число при этом выбирают при изготовлении так, чтобы
можно было по показаниям счетного механизма непосредственно отсчитывать
потребление электроэнергии, выраженное в киловатт-часах.
Для регулирования счетчика используется зависимость С„ от R^ — изменяется
положение постоянного магнита по отношению к диску,
В установках трехфазного тока применяют счетчики трехфазного тока,
представляющие собой два или три движущих элемента индукционных счетчиков,
воздействующих через общую ось на общий счетный механизм. В трехпроводных трехфазных
системах для счетчиков используют схему, соответствующую способу двух ваттметров
(рис. 210), а в четырехпроводных — схему, соответствующую способу трех ваттметров.
10.10
ЛОГОМЕТРЫ
Логометром (от греч, слова «логос» — отношение) называется показывающий
прибор, измеряющий отношение двух электрических величин, в большинстве случаев
отношение двух токов. Его применяют для измерений электрических и неэлектрических
величин, не зависящих от силы тока (сопротивления, сдвига фаз, частоты, температуры,
давления, перемещения в пространстве и т. п.).
225

Отклонение подвижной части большинства измерительных механизмов определяс1ся
силой тока, проходящего через механизм. Можно сделать этот ток зависящим от
измеряемой величины. Например: сила тока зависит от сопротивления цепи в электротермо-
метр)е, где в цепь тока включается резистор, сопротивление которого изменяется с
изменениями измеряемой температуры. Но согласно закону Ома сила тока также
пропорциональна напряжению. Следовательно, показание прибора будет зависеть не только от
измеряемой величины jc, а также и от напряжения источника электроэнергии. Вследствие
этого нельзя снабдить измерительный прибор, включенный в цепь с измеряемым
сопротивлением, шкалой, градуированной в омах или в градусах, так как изменения
напряжения источника будут вызывать соответствующие погрешности в показаниях прибора
Для устранения влияния напряжения при подобных измерениях широко применяют
логометры.
Логометр может быть изготовлен с измерительным механизмом почти любой
измерительной системы, но широкое распространение получили главным образом лого-
метры магнитоэлектрической системы. Характерным для логометра любой системы
является то, что в нем действие электрического тока используется для создания
вращающего и противодействующего моментов — для логометра характерно отсутствие
механического противодействующего момента, создаваемого кручением пружин или
растяжек. В логометре вращающий и противодействующий моменты создаются
электромеханическими силами и в равной степени зависят от напряжения, поэтому изменение
напряжения не изменяет отношение моментов, а следовательно, не влияет и на показания
прибора.
В качестве примера рассмотрим соотношения моментов в магнитоэлектрическом
логометре с внутрирамочным эллипсовидным магнитом (рис. 211). В отличие от обычного
магнитоэлектрического механизма магнитная индукция в воздушном зазоре
магнитоэлектрического механизма распределена неравномерно. В неравномерное магнитное
поле помещены две подвижные катушки, укрепленные на общей оси под некоторым
определенным углом между ними. Для подвода токов в катушки служат три мягкие
серебряные спирали, не создающие механического момента от кручения. При отсутствии
токов хорошо уравновешенная подвижная часть будет находиться в состоянии
безразличного равновесия — стрелка остановится у любого деления шкалы.
Когда цепи токов обеих катушек замкнуты, то к подвижной части приложены два
вращающих момента, противоположных по направлению, 'создаваемых воздействием
магнитного поля на катушки, обтекаемые токами. Эти моменты определяются как для
обычного магнитоэлектрического прибора:
Мвр I "- WiSBJ] , Мвр 2 == W^B2l2 ,
211.
Схема устройства
магнитоэлектрического логометра с
внутрирамочным эллипсовидным
магнитом
212.
Схема соединений катушек
логометра в омметре

где Wi и W2 — число витков соответствующей катушки; В^, ^2 — магнитная индукция
в тех местах воздушного зазора, где находится данная катушка; /j и /2 — силы токов в
катушках; S — сечение катушек.
Перемещение подвижной части происходит следующим образом. Предположим,
что Л/вр1 >Л^вр2» вследствие чего подвижная часть поворачивается против часовой
стрелки. При этом направление токов и создаваемых ими вращающих моментов выбрано
так, что катушка У, к которой приложен больший момент, перемещается в более
разреженную часть магнитного поля, вследствие чего индукция В^ убывает. Одновременно
катушка 2, на которую воздействует меньший момент, попадает в более узкую часть
воздушного зазора, где индукция В2 больше. Следовательно, по мере поворота подвижной части
более сильный вращающий момент убывает, а более слабый возрастает. В результате в
некотором определенном положении, т. е. когда создается равенство моментов,
подвижная часть должна остановиться.
А/вр I ** Л/вр 2 ,
на основании чего
WySBiF^^w^Bah'^ (90)
Применение логометра для измерения сопротивления г^ показано на схеме рис. 212.
Обе подвижные катушки 7 и 2 в таком логометре соединены параллельно по отношению
к общему источнику э. д. с. Е. Сопротивление г^ цепи первой катушки постоянно по
величине; сопротивление цепи второй катушки складывается из добавочного
сопротивления Гд, помещенного внутри корпуса прибора, и из находящегося вне прибора
измеряемого сопротивления г^.
На основании закона Ома токи в катушках будут:
Подставив эти значения в равенство (90) и исключив э. д. с. Е, получим:
W2B2
ЩВ^ (91)
В последнем выражении отношение ^2/^1 определяется конструкцией магнитной
цепи прибора и находится в определенной зависимости от а, т. е. положения подвижной
части. Следовательно, определенному положению а подвижной части соответствует
определенное значение измеряемого сопротивления г^^, а от э. д. с. Е (или от напряжения)
источника электроэнергии отклонение а не зависит. Это дает возможность снабдить
прибор шкалой, градуированной в омах (т. е. в данном случае применить логометр в
качестве омметра).
10.11
ИЗМЕРЕНИЕ
СОПРОТИВЛЕНИЙ. ОММЕТРЫ
В большинстве случаев сопротивление г^ резистора определяется путем косвенного
измерения на основании показаний вольтметра и амперметра. Электрическое
сопротивление любого участка цепи, не содержащего источника э. д. с, равно отношению
напряжения между концами участка к току в нем; при постоянном токе г^ -= UIL 227

в зависимости от относительного положения амперметра и вольтметра возможны
при измерении две схемы (рис. 213), При точных измерениях в обеих схемах собственное
сопротивление приборов вызывает дополнительные погрешности, для устранения
которых необходимо вносить в результаты соответствующие поправки. По первой схеме
(рис. 213, л) измеряется сумма сопротивлений исследуемого г^ и амперметра Гд, т. е.
7—г^^г^^. ^
Нужно, чтобы Гд-^ г^.
Следовательно, первой схемой рекомендуется пользоваться для измерения
относительно больших сопротивлений.
Во второй схеме (рис. 213,6) параллельно измеряемому г^ присоединяется
сопротивление вольтметра г^ и измеряется сопротивление разветвления:
Нужно, чтобы Гд» г^. Следовательно, вторая схема целесообразна при измерениях
относительно малых сопротивлений. Необходимо иметь в виду, что, помимо указанных
источников дополнительных погрешностей, при косвенных измерениях погрешность
равна сумме погрешностей прямых измерений.
Для прямого измерения сопротивлений служат стрелочные приборы — омметры.
Простейший омметр (рис. 214) в основном состоит из помещенных в общем корпусе
измерительного механизма ЯЛ/, добавочного сопротивления Гд и сухой батареи £. При
постоянстве э. д. с. Е этой батареи ток, проходящий через гальванометр, при замыкании
выходных зажимов омметра на измеряемое сопротивление г^ будет обратно
пропорционален сопротивлению цепи, состоящей из резисторов
Следовательно, при постоянном значении э, д. с. Е гальванометр можно про
градуировать для непосредственного отсчета по его шкале значений измеряемого
сопротивления г^. Нулевому значению тока при размыкании выходных зажимов соответствует
деление шкалы оо, а нулевое значение шкалы О соответствует току / -- -r-f~r--
'к+ Гд
Встроенный в прибор контрольный ключ К служит для замыкания накоротко
выходных зажимов. Если э. д. с. Е не отклоняется существенно от значения, указанного на
шкале прибора, то при замыкании ключа стрелка прибора должна устанавливаться на
нулевое деление шкалы. Подобные омметры дешевы и просты. Они широко применяются
для различных ориентировочных измерений сопротивлений.
Измерение сопротивления изоляции частично обеспечивает безаварийную работу
любой электрической установки. Описанный омметр мало пригоден при ответственных
испытаниях изоляции. Основной его недостаток — малая величина э. д. с. Е,
Сопротивление изоляции существенно зависит от напряжения. С повышением напряжения оно
уменьшается. Чтобы измерять сопротивление изоляции при напряжении не меньшем,
чем рабочее, широко применяют омметры с встроенным магнитоэлектрическим
генератором постоянного или выпрямленйого переменного тока с ручным приводом.
Напряжение этого генератора зависит от скорости вращения, которую затруднительно
поддерживать постоянной, поэтому такие омметры обычно снабжаются в качестве измеритель-

213.
Две схемы включения
амперметра и вольтметра для
измерения:
а — для измерения
больших сопротивле- !
ПИЙ, 6 — лля измерения I
малых сопротивлений
214.
Схема соединений
простейшего омметра
215.
Схема омметра с магнито- i
электрическим ручным гене-1
ратором и переключателем I
для изменения пределов
измерения
ного механизма магнитоэлектрическим логометром, благодаря чему изменения
напряжения не сказываются на показаниях прибора (рис. 215). Одна из двух катушек такого
омметра замкнута постоянно на внутреннее сопротивление Гд, а вторая соединяется
последовательно с измеряемым сопротивлением г^ для измерений больших сопротивлений
порядка мегом. Для измерения сопротивлений порядка килоом эта катушка
подключается параллельно таким сопротивлениям. Омметры, служащие для измерения
сопротивлений порядка мегом, носят название мегомметров.
10.12
ПРИНЦИПЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ИЗМЕРЕНИЙ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
Выше упоминалось о преимуществах электрических методов при измерениях
неэлектрических величин. Эта область измерений в настоящее время чрезвычайно расширилась
и представляет собой большую отрасль современной электроизмерительной техники,
которую обслуживает значительная часть приборостроительных заводов.
Для измерения неэлектрической величины с помощью электрической измерительной
аппаратуры необходимы измерительные преобразователи (датчики) измеряемой
величины в электрическую. Примерами таких преобразователей могут служить термопара при
измерениях температуры, фотоэлемент при измерениях освещенности, реостат со
скользящим контактом при измерениях положения (уровня жидкости и т. п.), изменение
сопротивления такого реостата пропорционально перемещению контакта.
Преобразователи, в которых изменение неэлектрической величины вызывает
изменение сопротивления, н2i'^ыъ2лoтcя резисториыми преобразователями. На рис. 216
показана условная схема устройства резисторного (так называемого «потенциометрического»)
преобразователя в установке для электрического измерения уровня жидкости. Поплавок,
помещенный в контролируемый резервуар, управляет посредством механической
передачи подвижньии контактом реостата и в зависимости от уровня жидкости изменяет
отношение сопротивлений, включенных в цепи двух катушек электромагнитного лого-
метра с серповидным сердечником, являющегося частью уровнемера.-Токи /, и /2, зави-

сящие от положения поплавка устройства, проходят по двум неподвижным катушкам,
создавая два противоположно направленных момента. Каждый из этих моментов
стремится установить серповидный сердечник, изготовленный из ферромагнитного
материала, так, чтобы середина серпа совпала с сере;1иной соответствующей катушки. Но по
мере приближения к такому положению вращающий момент, способствующий
перемещению сердечника, убывает, а второй момент, противодействующий перемещению,
возрастает, и при определенном положении сердечника устанавливается равновесие
моментов. Каждый из двух моментов электромагнитною прибора пропорционален квадрату
тока, а следовательно, и квадрату напряжения источника тока. Но изменение этого
напряжения одинаково сказывается на обоих моментах и, поэтому не меняет положение
подвижной части. Шкала логометра градуируется непосредственно для измерения уровня
жидкости в резервуаре.
Тензометрический преобразователь (рис. 217) служит для измерения деформации
в различных конструкциях. Его изготовляют из тонкой проволоки диаметром 20—30 мкм,
обладающей большим удельным сопротивлением (часто применяется константан—
59% Си, 40% Ni, 1% Мп). Проволоку наклеивают на бумагу специальным клеем. В таком
виде преобразователь приклеивают на ту деталь, деформацию которой нужно измерять.
Сопротивление преобразователя при деформации меняется не только вследствие
изменения размеров (длины и площади поперечного сечения), а также и вследствие изменения
структуры материала.
Индуктивный, преобразователь ( L -датчик) применим при условии питания
измерительного устройства переменным током (рис. 218). Измерительная аппаратура
индуктивного преобразователя более сложна, чем резистора, однако индуктивный преобразователь
имеет ряд преимуществ. Две катушки индуктивного преобразователя У и 2 охватывают
толстостенную трубку 4. Внутри последней поплавок перемещает ферромагнитный
сердечник J, что увеличивает индуктивность одной катушки и уменьшает индуктивность
второй. Вследствие этого нарушается равновесие моста переменного тока, двумя плечами
* которого являются катушки / и 2. В результате в диагонали моста в измерительном
приборе Г возникает ток, величина которого зависит от перемещения сердечника.
Следовательно, прибор Г можно проградуировать для непосредственного отсчета уровня
жидкости. Такой индуктивный преобразователь особенно удобен для измерения высокого
давления в котлах, так как связь преобразователя чисто индуктивная и не требует
нарушения герметичности котла.
216.
Схема применения ре жсторного
преобразователя в уровнемере
217.
Схема тензометриче-
ского преобразователя

218.
Индуктивный
преобразователь:
а ~ схема, <5 — об[ций Г1ид
(без кожуха); У и _' — кату!11-
ки, i — сердечник. 4 — труб-
219.
Емкостной
преобразователь для измерения
юлщины ленты:
/ — п.ккчины. 2 — лен га
220.
Емкостной
преобразователь для измерения
малых размеров:
/ —кон1ак1ный шгифт. 2 —
воздушный конденсат
Емкостные преобразователи (С-датчики) применяют для измерения перемещений
и размеров (рис. 219). Если измеряют толщину ленты, то эта лента 2 перемещается между
обкладками жлоского конденсатора, заполняя часть воздушного промежутка между
пластинами /. Такая система является конденсатором со слоистым диэлектриком. Oi
толщины ленты зависит общая емкость системы. Изменение емкости измеряется и запи-
сывается электрическим путем или же воздействует на сигнальное устройство,
отмечающее отклонения толщины ленты, выходящее за пределы допусков, или же автоматически
останавливает подающий ленту механизм, как только толщина ленты превышает
допустимые пределы.
На рис. 220 показан принцип устройства другого емкостного преобразователя для
измерения малых размеров (микрометра). Контактный штифт / в нижней части
устройства, перемещаясь, изменяет емкость воздушного конденсатора 2, находящегося в теле
преобразователя.
10.13
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ТРАНСФОРМАТОРЫ
Измерительный трансформатор представляет собой трансформатор, у которого
первичная обмотка находится под воздействием измеряемой величины, а вторичная
замкнута на измерительные приборы и приборы защиты.
Непосредственное включение измерительных приборов в цепь высокого напряжения
сделало бы эти приборы опасными для прикосновения, поэтому измерительные приборы
и аппаратура автоматической защиты (реле) включаются во вторичную цепь
измерительных трансформаторов, связанную с цепью высокого напряжения только через магнитный
поток в сердечнике.
Кроме того, эти трансформаторы служат для расширения пределов измерения
приборов переменного тока подобно добавочным сопротивлениям и шунтам. Применение
измерительных трансформаторов с различными коэффициентами трансформации дает
возможность пользоваться одними и теми же приборами со стандартными пределами
измерения (100 В и 5 А) при измерениях самых различных напряжений и токов.
Для включения вольтметров, частотомеров и цепей напряжения измерительных при-"
боров (ваттметров, счетчиков, фазометров) и реле применяют трансформаторы напряже-
231

ния. Для включения амперметров и цепей тока измерительных приборов и реле служат
трансформаторы тока.
Схема устройства трансформатора напряжения показана на рис. 221. Такой
трансформатор по устройству сходен с силовым трансформатором небольшой мощности.
Его первичная обмотка, являющаяся вместе с тем обмоткой высшего напряжения (ВН)
с большим числом витков, включается под измеряемое напряжение t/i, а вторичная об*
мотка — обмотка низшего напряжения (НН) — замыкается на вольтметр и цепи
напряжения других приборов. Обе эти обмотки концентрические — обмотка ВН окружает
обмотку НН, как в силовых трансформаторах. Все измерительные приборы соединяются
между собой параллельно, для того чтобы на них воздействовало одно и то же вторичное
напряжение трансформатора. Сопротивление вольтметра и цепей напряжения
измерительных приборов относительно велико (порядка тысяч Ом), вследствие чего
трансформатор напряжения работает в условиях, близких к условиям холостого хода силового
трансформатора. В результате этого внутренние падения напряжения I^z^ и /2Z2 в его
обмотках относительно весьма малы, что позволяет считать:
а так как
то напряжение
(92)
т. е. вторичное напряжение связано с первичным постоянным соотношением, равным
коэффициенту трансформации, причем по фазе вторичное напряжение противоположно
первичному. По отношению к измерительному прибору вторичное напряжение должно
совпадать по фазе с первичным. Это достигается соответствующим соединением зажимов
вторичной обмотки и прибора. Следовательно, соединение обмоток трансформатора
напряжения делается согласно группе 0. Таким образом, трансформатор напряжения
передает во вторичную цепь пропорционально измененное значение первичного высокого
напряжения и его фазу. Это дает возможность на основании измерения низкого
напряжения и2 определять первичное высокое напряжение U^. Правильная передача фазы
важна, конечно, не для вольтметра или частотомера, а для ваттметра и счетчика.
Если вольтметр должен постоянно работать с определенным трансформатором
напряжения, то на шкале такого вольтметра нанесены значения первичного напряжения.
Соответственно ваттметры и счетчики, предназначенные для постоянной работы при
известных коэффициентах трансформации измерительных трансформаторов, градуируются
с учетом этих коэффициентов. Вторичное номинальное напряжение у всех
трансформаторов напряжения имеет одно и то же стандартное значение — 100 В.
В целях безопасности обслуживающего персонала один зажим вторичной обмотки
и стальной кожух трансформатора напряжения должны быть заземлены. Тем самым
предупреждается возникновение высокого напряжения между присоединенными к
трансформатору измерительными приборами и землей при повреждении изоляции между
обмотками.
Трансформатор тока со стороны первичной обмотки включается в линию
последовательно (рис. 222), а его вторичная обмотка замыкается непосредственно на амперметр
232 и цепи тока других измерительных приборов. Эти приборы соединяются между собой

221.
Трансформатор напряжения, нагру- 000
женный вольтметром и частотоме- zzz.
ром: Трансформатор тока:
А — схема устройства, б — условное графине- а — схема устройства, б — условное- графическое
ское изображение обозначение
последовательно, так как через них должен проходить один и тот же ток. Суммарное
сопротивление амперметра и цепей тока измерительных приборов относительно мало
(обычно меньше 1 Ом), поэтому трансформатор тока работает в условиях, близких к
условиям опыта короткого замыкания силового трансформатора. Напряжение
вторичной обмотки трансформатора тока уравновешивается падением напряжения в
относительно малом сопротивлении (порядка 1—6В) измерительных приборов и
соединительных проводов. Малому значению напряжения соответствует малое значение
э.д.с. Ei^ а следовательно, и малое значение потока в сердечнике трансформатора,
так как
Для возбуждения такого потока нужна незначительная намагничивающая сила /iqWi,
поэтому в уравнении намагничивающих сил трансформатора тока
этой величиной можно пренебречь и считать:
(93)
T. e. первичный ток может быть определен посредством умножения вторичного тока на
постоянный коэффициент трансформации к.. При правильном выборе зажимов ток в
измерительных приборах совпадает по фазе с током в первичной цепи. Если амперметр
предназначается для постоянной работы с определенным трансформатором тока, то на
его шкале наносят непосредственно значения первичного тока. Вторичный номинальный
ток у всех трансформаторов тока имеет одно и то же стандартное значение — 5 А (в
некоторых специальных случаях 1 А).
В целях безопасности один зажим вторичной обмотки и стальной кожух
трансформатора тока заземляют. 233

Особенности в работе трансформатора тока определяются тем, что у него
независимой величиной является не первичное напряжение, а первичный ток /j. Этот ток в
большинстве случаев во много раз больше вторичного тока /2, поэтому число витков
первичной обмотки Wi невелико, во много раз меньше числа витков вторичной обмотки ^2-
Для больших токов первичная обмотка выполняется в виде провода, продетого в окно
стального сердечника (рис. 223). Напряжение на зажимах первичной обмотки
трансформатора тока во много раз меньше его вторичного напряжения (так как w^ < W2), а так как
величина вторичного напряжения составляет несколько вольт, то первичное
напряжение трансформатора тока часто имеет значение порядка сотых долей вольта.
Увеличение сопротивления вторичной цепи трансформаторов тока почти не
воздействует на первичный ток /j, а вызывает лишь увеличение намагничивающей силы /ю^!
и уменьшение /2W2, так как чем больше сопротивление вторичной цепи, тем больше
должны быть э.д.с. ^2 и магнитный поток, ее наводящий. Но чем больше Ej. тем дальше мы
отходим от основного условия точной работы трансформатора тока: /io^v,<:/2\V2.
Поэтому у трансформаторов тока указывается то наибольшее сопротивление, на которое
можно замыкать его вторичную обмотку, не выходя за пределы допустимых
погрешностей. Это сопротивлением тем меньше, чем выше точность трансформатора тока.
Чем меньше магнитное сопротивление, тем меньшая намагничивающая сила
требуется для возбуждения того же магнитного потока. По этой причине для точных
трансформаторов тока применяют сердечники без стыков и сердечники из пермаллоя.
Нельзя размыкать вторичную цепь работающего трансформатора тока, так как при
этом вторичный ток Ij станет равным нулю, а первичный ток /, не изменится,
следовательно, весь первичный ток окажется намагничивающим /ю^^! =Л^ь ^ так как
нормально /lo^i составляет примерно 0,5% от /iWj, то такое многократное увеличение
намагничивающей силы вызывает очень большое возрастание магнитного потока (ограниченное
насыщением сердечника). Потери в стали приблизительно пропорциональны квадрату
магнитного потока, поэтому возрастание потока вызывает сильное нагревание стали
сердечника, опасное для целости изоляции, что в конечном итоге может повести к
пробою изоляции и короткому замыканию на землю со стороны высокого напряжения.
Кроме того, э. д. с. Е2 пропорциональна потоку, и увеличение последнего при
размыкании вторичной цепи вызывает появление во вторичной обмотке э. д. с. порядка сотен
вольт — до 1,5 кВ у трансформаторов тока на большие токи. Следовательно, возникает
опасность для жизни человека, размыкающего обмотку.
234
223.
Проходной трансформатор тока:
/ — первичная обмотка, 2 — зажимы
вторичной обмотки, 3 ~ изолирующий цилиндр,
4 — сердечник

224.
Схема включения комплекта
измерительных приборов в однофазную
цепь через трансформаторы
напряжения и тока
225.
Схема включения трехфазного
двухэлементного счетчика через измерительные
трансформаторы
Правильное выполнение соединений измерительных трансформаторов с
измерительными приборами возможно при соответствующей разметке зажимов
трансформаторов. Зажимы трансформаторов напряжения обозначают так же, как зажимы силовых
трансформаторов А—X, а—х и т. д.; у трансформаторов тока начало и конец первичной
обмотки обозначаются соответственно Л^ и Л2 (линия), а начало и конец вторичной
обмотки — Их W Mj (измерительный прибор).
Схема включений комплекта измерительных приборов через трансформаторы
напряжения и тока для однофазной цепи дана на рис. 224. Здесь амперметр и цепи тока
ваттметра и счетчика включены через трансформатор тока, а вольтметр и цепи напряжения
ваттметра и счетчика включены через трансформатор напряжения.
Для приборов трехфазного тока в установках без нулевого провода необходимы два
трансформатора тока и два трансформатора напряжения или один трехфазный
трансформатор напряжения (рис. 225).
Контрольные вопросы
I
1. Что такое мера и при^р сравнения? \
2. Какие примеры можно привести косвенных и прямых измерений? |
3. Что называется нулевыми методами измерений? i
4. Дайте определение относительной и приведенной погрешностей. |
5. На основании чего устанавливается класс точности измерительного прибора?
6. Какие виды установки подвижной части применяют в современных приборах?
7. Для чего должна быть уравновешена подвижная часть прибора и как убедиться в том,
что она уравновешена?
8. Какие системы электроизмерительных механизмов широко применяют в настояшее время?
9. Для какого рода тока предназначены магнитоэлектрические измерительные механизмы?
10. Для измерений какой величины применяют электродинамические механизмы?
11. Почему шунт должен иметь обязательно четыре зажима? ^^
12. Как создается тормозящий момент в счетчике и для чего этот момент нужен?
13. Что такое логометр?
14. Что такое преобразователи при электрических измерениях неэлектрических величин?
15. Для чего применяют измерительные трансформаторы?
16. Для чего необходимо заземлять один зажим вторичной обмотки измерительного
трансформатора?
17. Почему нельзя размыкать вторичную цепь работающего трансформатора тока?

Главо
АСИНХРОННЫЕ
И СИНХРОННЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

11.1
ВРАЩАЮЩЕЕСЯ
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Исключительное значение в современном электрооборудовании имеет
использование явления вращающегося магнитного поля. С помощью вращающегося поля
приводятся в действие самые распространенные двигатели переменного тока (асинхронные и
синхронные, различные исполнительные механизмы автоматики, счетчики и реле
переменного тока и т. д.).
Вращающееся магнитное поле возникает как результирующее поле при наложении
двух или более переменных магнитных полей, имеющих одинаковую частоту /, не
сдвинутых одно относительно другого по фазе и в пространстве.
Если поставить две катушки под углом 90° между их осями и подключить к ним два
источника постоянного тока, то поля этих катушек, складываясь, будут образовывать
результирующее магнитное поле; вектор индукции В^, последнего будет представлять
собой геометрическую сумму векторов индукции В^ и Bg полей двух катушек:
Вр = \/В^ -\-В1'. Поэтому направление результирующего поля можно изменять в
пределах 360° путем изменения направления тока в катушках и поочередного их отключения.
Посредством воздействия такого поля на магнитную стрелку можно заставить ее
вращаться.
Но проще вместо переключаемых постоянных токов применить два переменных
тока, которые сами будут изменять направление. Для питания двух катушек нужны
два переменных тока одинаковой частоты, но сдвинутые по фазе один относительно
другого на одну четверть периода. Следовательно, i^ =/;„sino>t, ig = I„cos(ot.
Из четырех проводов, соединяющих катушки с источниками электроэнергии, два
объединяют (рис. 226) и таким образом образуется двухфазная несимметричная система,
иногда применяемая для питания приборов автоматики и в измерительных устройствах.
В такой системе векторная сумма токов в общем проводе не равна нулю. Будем называть
фазными токами /ф токи /^ и /^. Они должны быть равны по величине, но векторы их
образуют угол 90°, поэтому ток в общем проводе /о = VjJ -f/^ = V2/| = %/2/ф.
Следовательно, общий провод системы должен иметь сечение So ^ 1,45, здесь S — сечение фазных
проводов.
Токи /^ и 1д возбудят в катушках два магнитных поля индукции, которые будут
пропорциональны токам и будут совпадать с токами по фазе: В^ ^B^sinayt, В^=^В„со8ал.
На рис. 226 для придания большей равномерности магнитному полю каждая из
катушек разделена на две части. Накладываясь в середине устройства, два магнитных поля
образуют одно результирующее поле Дрез; и так как направления полей катушек
взаимно перпендикулярны, то ^р^ = V^j -h В1. (94)
Подставив в формулу ЭДщ^РР^^,^#1^^^

226.
Получение вращающегося
магнитного поля при помощи двух
переменных токов
227.
Получение вращающегося
магнитного поля при помощи
трехфазной системы токов
^Так как в выражение ^р^з время t не входит, то оно постоянно по величине, хотя
образуется путем сложения двух переменных полей. Затем найдем положение результирующего
поля в пространстве по отношению к вертикальной оси, обозначив соответствующий
угол а. Значение этого угла определяется из условия
tgot -= "г-^** ~z ^ tgco t,
■ ^ в в Вт cos (at
Следовательно, угол 0L=(at, образуемый р>езультирующим полем по отношению к оси
катушки В, равномерно изменяется. За время одного периода, когда t = T, результирующее
поле поворачивается на угол 0L^(oT^~^T=2n, т. е. за один период поле делает полный
оборот.
Трехфазная симметричная система токов образует вращающееся магнитное поле, если
в три ее фазы включить три одинаковые катушки, размещенные так, что их оси образую!
углы по 120° (рис, 227). Расчет, подобный выше приведенному расчету двухфазного
вращающегося поля, показывает, что результирующее магнитное поле, полученное после
наложения трех полей трехфазной системы токов, будет иметь постоянное значение
1,5 В^, здесь В„ —амплитудное значение индукции в полях отдельных катушек,
составляющих трехфазную систему.
Полезно сравнить условия двухфазного и трехфазного вращающихся магнитных
полей. Для двухфазной системы нужны два провода, рассчитанных на силу тока /ф, и
третий провод, paccwfтайный на силу тока \/2I^; при этом индукция во вращающемся поле
равна В^. Для возбуждения поля трехфазной системой нужны три провода одинакового
сечения, рассчитанные на силу тока 1^; в этом случае индукция во вращающемся поле
будет 1,5 В„,
Ясны преимущества трехфазной системы, по этим причинам двухфазная система
применяется лишь в устройствах небольшой мощности для специальных полей.

14 ^ АСИНХРОННОЕ
ш • jL и синхронное вращения
Подвижная часть электродвигателей и других исполнительных устройств может
следовать за вращающимся магнитным полем асинхронно (греч. ел. — несовпадающий
во времени) или синхронно (греч. ел. — совпадающий во времени).
Если поместить во вращающееся поле металлическую рамку (рис. 228),
вращающуюся на осях, причем ось вращения рамки будет приблизительно совмещаться с осью
вращения магнитного поля, то магнитное поле, вращаясь, будет пересекать стороны рамки
и индуктировать в последней э. д. с. тем большую, чем быстрее пересекает стороны
рамки магнитное поле, так как э. д. с.
Направление этой э. д. с. можно определить с помоишю правила правой руки,
но при этом необходимо учитывать, что движение магнитного поля по отношению к
проводнику равносильно движению проводника в противоположную сто^)ону: поэтому
при определении направления индуктированной э. д. с. нужно отставленный большой
палец направить против движения магнитного поля, тогда направление
индуктированной э. д. с. покажут вытянутые остальные четыре пальца. В двух сторонах рамки
индуктируются э. д. с, направленные согласно. Они вызывают в рамке некоторый ток i.
Взаимодействие этого тока с вращающимся магнитным полем создает силы /, приложенные
к двум сторонам рамки и образующие пару сил. Таким путем возникает вращающийся
момент, который стремится заставить рамку вращаться вслед за полем.
Чем быстрее вращается рамка, тем меньше скорость v движения поля относительно
проводников рамки. Это вызывает уменьшение индуктируемого в рамке тока / и
ослабление вращающего момента. Если же рамка будет вращаться со скоростью поля, то
станет равным нулю воздействующий на нее вращающий момент, так как ток в рамке
прекратится.
Следовательно, рамка должна вращаться медленнее поля с асинхронной скоростью.
Скорость ее вращения автоматически устанавливается такой, чтобы вращающий
момент, создаваемый индуктированным в рамке током г, равнялся тормозящему моменту,
обусловленному трением о воздух и в осях. Сила тока, индуктируемого в рамке, тем боль-
228.
Металлическая рамка во вращающемся
поле
229.
Постоянный магнит во
вращающемся поле

ше, чем больше тормозящий момент и вместе с тем с увеличением тока будет уменьшаться
скорость вращения рамки.
Поле делает в минуту w, оборотов, а вращающаяся часть (обычно называемая
ротором) — п оборотов. Отставание ротора от поля принято характеризовать скольжением
: ' s^HiZ:^.. 'l (95)
С асинхронной скоростью вращаются роторы асинхронных двигателей. Очень легкая
магнитная стрелка, помещенная во вращающееся магнитное поле, под действием
магнитных сил будет вращаться, не отставая от него, — это синхронная скорость вращения.
Если же в поле помещен приспособленный для вращения относительно тяжелый
постоянный магнит (рис. 229), то вращающееся магнитное поле его не стронет с места.
Магнитные силы будут в течение половины оборота поля тянуть магнит в сторону
вращения поля, а в течение второй половины оборота — против направления
вращения поля.
Но если разогнать магнит до синхронной скорости с помощью какого-либо
приспособления, то магнит будет вращаться со скоростью поля, т. е. синхронно. Эту синхронную
скорость магнит сохранит и тогда, если ему придется преодолевать некоторый
тормозящий момент, только в этом случае между осями поля и магнита появится некоторый угол.
Последний будет тем больше, чем больше тормозящая сила. Сохраняя постоянную
синхронную скорость вращения, магнит отклоняется от поля на упомянутый угол. Но если
тормозящая сила станет слишком большой, то магнит остановится. Медленнее поля —
асинхронно он вращаться не может.
С синхронной скоростью вращаются синхронные двигатели, у которых ротор
представляет собой электромагнит, намагничиваемый постоянным током.
11.3
УСТРОЙСТВО
АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ
Асинхронный двигатель является самым распространенным из числа двигателей
переменного тока. Он был изобретен М. О. Доливо-Добровольским в 1888 г., но до
настоящего времени сохранил ту простую форму, какую ему придал русский изобретатель.
Этот двигатель состоит из неподвижной части — статора (от лат. слова stator — стоящий)
и вращающейся части ротора (от лат. слова rotor— вращающийся).
Частями статора являются магнитопровод и корпус. Сердечник собран из
изолированных листов (рис. 230) электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, С
внутренней стороны полый цилиндр сердечника статора снабжен пазами, в которые
закладывается статорная обмотка (рис. 231). Число катушек, образующих обмотку, должно
быть кратно трем (3, 6, 9, 12 и т. д.).
Ротор представляет собой укрепленный на валу Щ1линдр, собранный так же, как и
сердечник статора, из листов электротехнической стали (рис. 232). В большинстве случаев
ротор снабжается короткозамкнутой обмоткой, состоящей из медных или алюминиевых
стержней, уложенных без изоляции в пазы на внешней поверхности магнитопровода
ротора. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала.
Реже ротор снабжается фазной (катушечной) обмоткой (обычно для двигателей
большой мощности), выполняемой изолированным проводом. В этом случае на валу

230.
Схема устройства асинхрон-
231.
Асинхронный двигатель в разобранном виде
НОИ машины
232.
Короткозамкнутый ротор и
его обмотка в виде колеса
233.
Фазный ротор (с контактными
кольцами)
ротора укрепляются три металлических контактных кольца, изолированных от вала
(рис. 233). Обмотка ротора выполняется трехфазной, изолированным проводом, с тем
же числом катушек, что и обмотка статора. Фазные обмотки ротора на самом роторе
соединяются в звезду, а их свободные концы подводятся к контактным кольцам. На
кольца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и
щетки фазная обмотка замыкается на пусковой реостат.
241

11.4
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ
242
Сердечники статора и ротора образуют магнитную цепь асинхронной машины
(см. рис. 230). Обмотка статора подключается к трехфазной сети, и токи, обтекая обмотку
статора, возбуждают магнитное поле машины. Оно замыкается через сталь ротора и
таким путем сцепляется с обмоткой ротора. Магнитное поле, возбужденное трехфазной
системой токов, вращается в плоскости осей катушек статора. Вращение поля создается
поочередным изменением трех образующих его полей фазных обмоток статора, поэтому
скорость вращения поля пропорциональна частоте переменного тока / Если на статоре
размещены три катушки, то вращающееся поле, возбуждаемое их токами, делает один
оборот в секунду, а при стандартной частоте 50 Гц число оборотов такого поля в минуту
будет п 1 -/• 60 - 3000 об/мин.
Вращающееся магнитное поле, пересекая обмотку ротора, индуктирует в ее
проводниках э. д. с, а так как обмотка ротора замкнута, то индуктируемые в ней э. д. с. создают
в этой обмотке пропорциональные им токи ротора. Последние, взаимодействуя с
вращающимся магнитным полем машины, заставляют ротор вращаться вслед за полем. Ротор
будет вращаться медленнее поля — асинхронно со скоростью, которой соответствует
скольжение
/I
У современных двигателей средней и большой мощности скольжение мало
(0,02—0,03).
Отметим, что пока ротор неподвиж(^н, электрическая энергия передается из цепей
статора в цепи ротора, как в трансформаторе, посредством магнитного поля, только в
трансформаторе это поле переменное, а в асинхронном двигателе оно вращающееся,
складывающееся из трех переменных полей. Следовательно, пока ротор неподвижен,
отношение э.д.с, индуктируемых в обмотках статора Е^^ и ротора £2н> определяется,
как в трансформаторе, отношением числа витков фазных обмоток статора w, и ротора
^2» т. е. можно считать
Мы допускаем здесь небольшую неточность, так как не учитываем того, что ви гки каждой
катушки обмотки статора распределены по нескольким пазам, а не сосредоточены в одной
катушке, как в трансформаторе.
Вращающееся магнитное поле, возбуждаемое токами трехфазной системы, имеет
только два полюса, если его возбуждают токи трех катушек, размещенных на статоре.
Но число полюсов удваивается, если в пазах статора размещены шесть катушек — по две
в каждой фазе обмотки статора. Две фазные катушки обычно соединяются между собой
последовательно. Число пар полюсов р машины равно числу катушек статора А*,
деленному на три, т. е.
Чем больше катушек на статоре, чем больше полюсов имеет вращающееся поле и тем
медленнее оно вращается. За один период переменного тока поле поворачивается на угол.

234.
Кривые изменения токов трехфазной системы и соответственное изменение
положения шестиполюсного вращающегося поля
соответствующий одной паре полюсов, следовательно, трем катушкам обмотки (на одно
полюсное деление). Шестиполюсное поле 0? = 3) поворачивается за один период
переменного тока на -^|^=120° и за минуту делает 1000 оборотов (рис. 234). В общем виде
число оборотов поля в минуту выражается формулой
/•60
а так как Р ^ ^, то можно выразить число оборотов
поля в минуту так же
_ /' 60 ' 3
и при частоте 50 Гц
яг
9000
235.
Схема применения переключателя для реверсирования
асинхронного двигателя
243

Для изменения направления вращения (реверсирования) поля, а вместе с ним
вращения ротора достаточно изменить в двух фазах соединения обмотки статора с сетью так,
чтобы зажим статора, соединенный первоначально с фазой А сети, был присоединен к
фазе В и соответственно было бы изменено соединение второго зажима статора с сетью.
Обычно для реверсирования применяют трехполюсный переключатель (рис. 235).
11.5
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИЕ СИЛЫ
И ТОКИ СТАТОРА И РОТОРА
При своем вращении магнитное поле пересекает проводники обмоток статора и
ротора. По отношению к каждому из витков обмоток поле, распределенное
синусоидально вдоль окружности машины, изменяется во времени синусоидально, что дает
возможность применить к асинхронной машине уравнения трансформатора э. д. с. На основании
этого э. д. с, индуктируемая в одном витке статора, будет Е^ ^4,44/Фв- В отличие от
трансформатора здесь вместо амплитуды потока в формулу входит Фв — постоянное
по величине значение магнитного потока вращающегося поля. Эту формулу можно
использовать и для определения э. д. с. фазной обмотки. Только необходимо принять ва
внимание, что обмотка делится на секции, уложенные в нескольких рядом лежащих пазах.
Это создает сдвиг фаз между э. д. с. отдельных секций и несколько уменьшает э. д. с.
обмотки, что можно учесть посредством обмоточного коэффициента к^^, у асинхронных
машин k^Q ^0,92—0,96. Таким образом, э. д. с, индуктируемая в одной фазе обмотки
статора, будет:
Эта э. д. с. близка по величине к фазному напряжению обмотки (7i, так как падение
напряжения в обмотке относительно мало. Падение напряжения складывается (векторно)
из падения напряжения в активном сопротивлении обмотки /jTi и падения напряжения
в индуктивном сопротивлении /Jx^. Последнее создается потоком рассеяния статора —
частью потока статора, замыкающейся помимо обмотки ротора. Таким образом,
уравнение фазного напряжения статора будет:
Это уравнение по форме не отличается от уравнения первичного напряжения
трансформатора.
Пока ротор неподвижен, э. д. с, индуктируемая в его обмотке (в стержнях в случае
короткозамкнутой обмотки), может быть выражена так же, как э,д.с. статора
при вращении ротора эта э. д. с. изменится вследствие изменения частоты, так как
поле будет пересекать обмотку ротора только в результате отставания ротора от
вращающегося поля. Чтобы определить эту частоту, можно воспользоваться формулой
(98)

Но вместо «1 нужно подставить относительную скорость поля по отношению к ротору
'^от ^'^i—^у таким образом, частота э. д. с. ротора
г: ^^60 60 . 60 n, --^^' t J (i^9)
T. e, частота ротора равна частоте сети, умноженной на скольжение.
Учитывая это, э. д. с. вращающего ротора будет:
Ток в роторе можно определить на основании закона Ома /2 =—^, здесь Zj —
полное сопротивление обмотки ротора. Оно складывается из активного сопротивления г2
и индуктивного, обусловленного потоком рассеяния ротора Х2=(02l^^lnfjLi^sml^,
следовательно, Z2 = v г|+(scf>Z^)^.
С увеличением скольжения пропорционально ему возрастает э.д.с. £"2» так как £2 "
^Ещ^. При пуске двигателя э.д.с, £'2^£'2н- При нормальном рабочем режиме двигателя
5=0,02—0,03, а при пуске двигателя s=l, следовательно, £'2н больше £2 в 30—50 раз.
Но ток ротора возрастает далеко не в такой мере, как э.д.с, так как пропорционально
скольжению увеличивается индуктивное сопротивление ротора. Благодаря этому
пусковой ток ротора больше его рабочего тока примерно в 7 раз. Это обстоятельство
существенно облегчает условия пуска двигателя и дает возможность пускать асинхронные
двигатели в большинстве случаев без применения каких-либо приспособлений для
ограничения пускового тока — путем простого включения рубильника.
Вращающееся магнитное поле служит связующим звеном между обмотками статора
й ротора. Так же, как в трансформаторе, намагничивающая сила тока ротора согласно
принципу Ленца является по отношению к вращающемуся полю размагничивающей,
поэтому ток статора уравновешивает размагничивающее действие тока ротора,
увеличиваясь пропорционально последнему.
Таким образом, ток статора /j (фазный) складывается векторно из
намагничивающего тока /ю, возбуждающего магнитное поле, и тока Д'; уравновешивающего
размагничивающее действие тока ротора и называемого приведенным током ротора.
Следовательно, ток статора
Это уравнение такое же по форме, как уравнение первичного тока трансформатора.
11.6
МЕХАНИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ
Трехфазный асинхронный двигатель нагружает питающую сеть мощностью Pi =
=31/,/, со$ф,. Через обмотку статора, магнитное поле и обмотку ротора энергия
передается на вал двигателя и приводит во вращение нагрузку. В каждой ступени передачи
происходят соответствующие потери энергии. На основании энергетической диаграммы
двигателя (рис. 236) можно определить механическую мощность Р^^^, отдаваемую
двигателем, путем вычитания из подведенной из сети мощности потерь на всех ступенях
передачи, т. е. потерь в обмотке статора (3/^г,), потерь в стали сердечника статора (Рс) 245

236.
Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
и потерь в обмотке ротора (wj/fra - Рщ )• В виде уравнения
энергетический баланс двигателя будет:
PMcx-"3t/i/i С05ф1 —3/Vl —Рс —т2/|г2.
(101)
здесь W2 — число фаз ротора; в случае короткозамкнутого
ротора ^2 — число стержней обмотки, деленное на два (два
стержня образуют виток). Из-за малой частоты тока ротора
потери в стали ротора незначительны и ими можно
пренебречь.
Если сопоставить уравнение (101) с энергетическим уравнением трансформатора, то
они построены одинаково: только моидности, отдаваемой вторичной обмоткой
трансформатора нагрузке, в уравнении энергетического баланса двигателя соответствует
механическая мощность Р^^^. Такое соответствие естественно, так как в асинхронном двигателе,
как и в трансформаторе, энергия передается посредством магнитного поля —
переменного в трансформаторе и вращающегося в двигателе Рвр.п - Электромагнитная мощность
Рэм» отдаваемая ротору, будет: miEinh'^^^^i-
Но в самом роторе поглощается только мощность /«2/2'"г- Следовательно, можно
определить механическую мощность как разность
Рмсх "" т гЯгн/г cos уг ~ 'w 21\г2 •
Заменим £"28 =^2/^; величина £"2^08^2 — это активная составляющая э.д.с, поэтому
Таким образом.
ЯгСОЗ V2""/2'*2-
D ^ ^2 /2 * »2
ИЛИ
Рмсх Т'
Рмех ^
/Я 2/2^*2
S
1-S
m2^2f2.
(102)
Последнее выражение показывает, что чем больше скольжение, тем большая часть
мощности, переданной ротору, теряется на вредный нагрев ротора. По этой причине
современные двигатели рассчитываются так, чтобы работать при весьма малом
скольжении.
Мощность Р2у отдаваемая на валу, будет меньше Р^^^ из-за механических потерь Р^^
в двигателе.

11.7
ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ
И ЕГО ЗАВИСИМОСТЬ
ОТ СКОЛЬЖЕНИЯ
CoijiacHo законам механики вращающий момент двигателя можно выразить через
механическую мощность и угловую скорость вращения ротора:
Угловая скорость ротора сОр меньше угловой скорости поля со„. Связь между этими
величинами может быть выражена через скольжение:
Шр-Шп(1--5). (103)
Если обмотка статора состоит только из трех катушек, то со„ =(о, т. е. угловая
скорость поля равна угловой частоте переменного тока. Но в общем случае, когда поле имеет/?
полюсов, то
соп-*-^^ K сор-Шп(1-5)-—(1-5);
Р Р
на основании чего вращающий момент
/'мех"
Мвр —
" /Из/г^'г"
Рмех
СОр
1-5
1р
•^TW
р
— 5)а)
2E2I2
Рмех '<,
C0Sy2
М-
так как
Далее, заменив Ej^Eiy^s, получим Р^„ ^(та^гн/г cos\|/2)(l—s) и вращающий
момент
^?Р" ^^2h/2COSV2. (104)
В этом выражении
^2н5
Z2 y/r^^-isfuL^f
г 2 г 2
созуг"* -^-« ^
22 V^r|4-Cy©L2)^
С увеличением скольжения сила тока Ij увеличивается, а cos У2 уменьшается.
Следовательно, при некотором значении скольжения, называемым критическим, вращающий
момент достигает своего наибольшего значения Mgp^, а при дальнейшем возрастании

237. 238.
Механическая характе- Зависимость вращающего момента от
ристика асинхронного скольжения
двигателя
скольжения вращающий момент убывает, несмотря на возрастание токов в роторе.
У большинства современных асинхронных двигателей критическое скольжение
относительно мало, что обусловливает весьма своеобразную зависимость скорости этих
двигателей от нагрузки. Такая зависимость называется механической характеристикой
двигателя (рис. 237). Увеличение нагрузки двигателя мало изменяет его скорость, пока
тормозящий момент нагрузки не достигнет значения, равного максимальному значению
вращающего момента этого двигателя. В этих условиях увеличение скольжения вызывает
увеличение вращающего момента. Такая механическая характеристика двигателя
называется жесткой.
Но когда тормозящий момент при увеличении нагрузки превысит значение
максимального момента Л/^р ^, тогда возрастание скольжения вызывает уменьшение
вращающего момента, равновесие моментов не восстанавливается и двигатель останавливается.
Остановившись, он будет потреблять весьма значительный ток, превышающий
номинальный примерно в 7 раз, и обмотки ротора и статора будут перегреваться. Необходимо
быстро двигатель отключить.
Чтобы остановившийся ротор перегруженного двигателя начал вновь вращаться,
следует разгрузить двигатель настолько, чтобы тормозящий момент, приложенный к
его валу, стал меньше начального пускового момента Л/^^^ „у^.^ . Последний у
большинства двигателей близок к номинальному моменту двигателя.
Характеристика, выражающая зависимость М^р от s у асинхронного двигателя,
делится на три участка (рис. 238); рабочая часть — от холостого хода до номинальной
(полной) нагрузки, перегрузочная часть — от номинальной нагрузки до максимального
момента Л/вр ^ и неустойчивая часть — от максимального момента до начального
пускового момента М„ач.пуск-
При нагрузке, соответствующей рабочей части характеристики, двигатель может
работать неограничено длительно. Перегрузка допустима на определенный,
относительно короткий промежуток времени. Наконец, если двигатель хотя бы на короткий
промежуток перегружается свыше максимального момента, то он
останавливается.

11.8
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И К.П^ ДВИГАТЕЛЯ
Механическая характеристика наглядно показывает свойства двигателя как средства
для электропривода. Но для более полного выявления свойств самого двигателя служа!
его рабочие характеристики: так принято называть зависимости от мощности Р,.
отдаваемой двигателем на валу, скорости «, вращающего момента Л/вр, коэффициента
мощности (cos9i) и к.п.д. ц = Р2/Р1. Все рабочие характеристики снимаются при номинальных
частоте сети/и напряжении на зажимах статора U^ (рис. 239).
Так как Р2**'^мех' ^ ^мех =^вр^р» ^^ зависимость n = F{P2) — скоростная
характеристика— мало отличается по форме от механической характеристики двигателя п=
^F{M^p); она тоже может быть названа жесткой.
Вращающий момент М^^, развиваемый двигателем, складывается из полезного
момента Л/2, отдаваемого на валу двигателя, и момента холостого хода Mq. Последний
затрачивается на покрытие механических потерь двигателя и добавочных потерь. Этот
момент можно приближенно считать не зависящим от нагрузки двигателя. Полезный
момент M2 = P2lo)p, и если бы со^ была строго постоянна, то зависимость М^Р^Рг)
была бы линейна, но скорость двигателя немного уменьшается с увеличением Р2, поэтому
кривая зависимости M2^F{P2) незначительно отклоняется вверх. Соответственно
кривая вращающего момента М ^p^F{p2\ складывающегося из момента холостого хода и
полезного момента, пересекает ось ординат в точке, определяемой Mq, а затем она почти
прямолинейна и лишь немного изгибается вверх.
Что касается зависимости cos9i двигателя от нагрузки, то его изменения обусловлены
следующими соотношениями. Намагничивающий ток двигателя мало зависит от
нагрузки, так как ее увеличение вызывает лишь возрастание потоков рассеяния,
пропорциональных токам статора и ротора, а главный магнитный поток машины при возрастании
нагрузки незначительно уменьшается. Но активный ток двигателя пропорционален его
механической нагрузке. Таким образом, с увеличением нагрузки двигателя огноситсльное
значение реактивного тока быстро убывает, а cos<p, увеличивается. При хо;юстом ходе
двигателя его коэффициент мощности довольно низок — порядка 0,2. С увеличением
нагрузки он бысгро возрастает и достигает максимального значен и я^ (0,7—0,9) при
нагрузке, близкой к номинальной. Таким образом, даже у
полностью загруженного двигателя реактивный ток
составляет от 70 до 40% тока статора.
Неполная загруженность асинхронных двигателей
является одной из главных причин низкого cos(p промышленных
предприятий. Естественным улучшением созф является
повышение его посредством полной загрузки асинхронных
двигателей.
Магнитный поток двигателя пропорционален
напряжению на статоре. Намагничивающий ток, возбуждающий этот
поток, при заданном значении потока обратно пропорцио- «oq
нален магнитному сопротивлению на его пути. В этом маг- „ cz
•^ ^ -^ Рабочие характеристики
нитном сопротивлении большую часть составляет сопро- асинхронного двига*
тивление воздушного зазора между статором и ротором. теля
249

240.
Скос пазов ротора
По этой причине конструктор стремится сократить этот зазор до минимума,
определяемого условиями игры в подшипниках и необходимым запасом на их износ, прогибом вала
и точностью центровки. С увеличением номинальной мощности двигателя величина
воздушного зазора возрастает значительно медленнее этой мощности, в результате чего
с повышением номинальной мощности cos <р двигателя увеличивается. С уменьшением
скорости двигателя должен увеличиваться его поток, так как поток, вращающийся с
меньшей скоростью, индуктирует меньшую э.д.с. Следовательно, у тихоходных двигателей
намагничивающий ток относительно больше, а cos ф существенно меньше.
К.п.д. определяется отношением полезной мощности Pi к подводимой Р^.
а подводимая мощность равна сумме полезной мощности и всех видов потерь в
двигателе:
Pi ^=^р2 "4" /* пот .
Потери можно разделить на постоянные, практически не зависящие от нагрузки,
и от нее зависящие — переменные.
Постоянными потерями можно считать потери в стали сердечника статора от
гистерезиса и вихревых токов и потери механические. Они "определяются экспериментально
из опыта холостого хода двигателя.
Переменными потерями являются потери на нагревание проводников статора и
ротора:
Рпр I -^ 3/1 Г| ; Рщ 2 — mzlXr^ .
Кроме того, к переменным потерям можно отнести добавочные потери, которые
возникают вследствие изменения при вращении ротора относительного положения
зубцов статора и ротора, что вызывает изменения магнитного сопротивления и пульсации
потока. Одним из средств для уменьшения этих потерь служит скос пазов ротора по
отношению к пазам статора (рис, 240).
К.п.д. двигателя достигает своего максимального значения (64—95%), когда
переменные потери равны постоянным. У большинства двигателей этот максимум к.п.д.
имеет место примерно при нагрузке, равной 75% от номинальной, так как двигатели
проектируются с учетом того обстоятельства, что далеко не всегда они полностью
загружены.

11.9
ПУСК в ход ДВИГАТЕЛЕЙ.
ФАЗНЫЙ РОТОР
Важное практическое значение для оценки электродвигателей имеют их пусковые
свойства. Эти свойства в основном определяются следующими величинами: пусковым
током /„ и начальным пусковым моментом Мп.нач, плавностью и экономичностью
пускового процесса, длительностью пуска, В каталогах обычно указывается кратность
пусковой величины, т. е. ее отношение к номинальной величине (/„//„ом и Л/„ „^ч I^hom)-
Пусковые свойства асинхронного двигателя определяются особенностями его
конструкции, в частности, устройством ротора.
В большинстве случаев применяют прямое включение двигателей с короткозамкну-
тым ротором. Такой пуск исключительно прост и быстр. Необходим лишь простейший
коммутирующий аппарат-выключатель или для двигателя высокого напряжения —
масляный выключатель.
При прямом включении двигателя кратность пускового тока относительно высока —
примерно от 4 до 7. Такой кратковременный толчок пускового тока безопасен для
двигателя, но вызывает соответственное уйеличение потери напряжения в сети и может
неблагоприятно сказаться на других потребителях энергии, присоединенных к той же
распределительной сети. По этим причинам допустимая номинальная мощность
асинхронных двигателей, пускаемых прямым включением, зависит от мощности
распределительной сети. В настоящее время в мощных сетях промышленных предприятий
допускается прямое включение двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью до 1000 кВт
и даже свыше, но в большинстве случаев эта мощность не должна превышать 100 кВт,
Следует иметь в виду еще один недостаток пускового режима нормального
асинхронного двигателя. У нормальных двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора
кратность пускового момента составляет 1,0—2,0 (см. рис. 238). Таким образом, двигатель
при пуске потребляет большую силу тока, а развивает относительно небольшой
вращающий момент.
241.
Схема соединения двигателя
с фазным ротором
242.
Кривые зависимости
вращающего момента от скольжения
при различных значениях
сопротивления цепи ротора 251

Пусковые условия двигателя могут быть очень существенно улучшены пугем
некоторого усложнения его конструкции и обслуживания, что имеет место в асинхронном
двигателе с фазной обмоткой ротора (двигателя с контактными кольцами). В нем обмотка
ротора выполняется трехфазной и концы ее присоединяются к трем медным или
стальным кольцам, укрепленным на валу ротора (рис. 241). Эти кольца изолированы от вала
и одно от другого. По кольцам скользят три неподвижные щетки, соединенные с тремя
сопротивлениями пускового реостата.
Сопротивление каждой фазы реостата г^ може^т быть выбрано так, чтобы двигатель
развивал при пуске максимальный момент. При включении такого сопротивления Л/^р ^
==F{s) двигателя будет иметь максимум при s-l (рис. 242).
Как только ротор начинает вращаться, уменьшается скольжение, а вместе с ним
э.д.с. и сила тока ротора, вследствие чего падает и вращающий момент. Чтобы
двигатель продолжал развивать вращающий момент, близкий к максимальному,
сопротивление пускового реостата нужно постепенно уменьшать. Наконец, когда двигатель
достигает нормальной скорости, сопротивления пускового реостата замыкаются
накоротко.
Добавочное сопротивление Гр, включенное в цепь ротора, изменяет характер
зависимости вращающего момента M^p от скольжения 5. При этом не меняется максималь-
ный момент двигателя, увеличение Гр, т. е. Гз f (r,,rj,, r,„), только смещает максимум
в сторону большего скольжения. Все кривые М^р =F(s) поэтому имеют вершину
характеристики на одинаковой высоте. Выключение ступеней пускового реостата заставляет
двигатель переходить с одной характеристики на другую. Сопротивления реостата
обычно выводят на контакты, вследствие чего при пуске момент двигателя и ток изменяются
по ступенчатой кривой, число ступеней которой определяется числом контактов
пускового реостата.
Чем больше должен быть пусковой момент, чем ближе он к максимальному
моменту, тем больше будет и пусковой ток. По этой причине лишь для особо тяжелых условий
пуска реостат подбирают так, чтобы пусковой момент был равен максимальному.
Пусковой реостат должен в течение времени пуска, не перегреваясь, поглощать
мощность, примерно равную мощности двигателя. Следовательно, размеры пускового
реостата определяются частотой пусков. Часто пусковые реостаты выполняют с масляным
охлаждением — сопротивления реостата помещаются в резервуар с минеральным
маслом. Иногда устанавливают очень дешевые и простые водяные реостаты.
Конечно, использование пускового реостата значительно улучшает пусковые условия
асинхронного двигателя, повышая пусковой момент и уменьшая толчок тока. Но, с
другой стороны, применение ротора с фазной обмоткой удорожает двигатель (примерно
на 20%), усложняет его обслуживание и, наконец, несколько ухудшает его со8ф и к.п.д.
У крупных двигателей эта разница в к.п.д. и со8ф незначительна, и недостатками
фазного ротора остаются удорожание машины, а также длительность и сложность пуска
в ход.
В большинстве случаев асинхронные двигатели применяют для приводов, не
требующих регулирования скорости, и не существует простых и экономичных способов
регулирования в широких пределах скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым
ротором. Скорость двигателя с фазным ротором можно плавно регулировать
посредством резистора, включаемого в цепь ротора. Этот резистор в отличие от пускового
реостата должен быть рассчитан на длительную нагрузку рабочим током ротора. При таком

регулировании происходят пропорциональные скольжению относительно большие
потери энергии в регулировочном резисторе.
Для скачкообразного изменения скорости привода изготовляют специальные много-
скоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В них посредством
изменения числа полюсов вращающегося поля изменяется скорость вращения этого поля.
На статоре такого двигателя размещаются две отдельные обмотки с различным числом
катушек (например, 3 и 9 катушек). При включении одной из этих обмоток в сеть
возбуждается магнитное поле с р или р полюсами (например, 2 или 6 полюсов). Скорость
вращения поля будет Пу--—^ или п\^—~г- (например, 3000 или 1000 об/мин). У крупных
двигателей применяют также переключение проводников одной и той же обмотки для
образования различного числа полюсов. Например: двигатель имеет две полюсно-пере-
ключаемые обмотки, одна из которых образует 3 или 6 катушек, а вторая 9 или 18
катушек. Следовательно, двигатель имеет четыре ступени скорости вращения: 3000, 1500,
1000, 500 об/мин.
В >новейших промышленных установках применяют тиристорное регулирование:
переменный ток сначала выпрямляется кремниевыми вентилями, а затем постоянный
ток посредством тиристорного инвертора преобразуется в переменный регулируемой
частоты, а скорость вращения поля пропорциональна частоте переменного тока. Такие
установки пока относительно дороги.
11.10
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
Синхронной называется электрическая машина, скорость вращения (об/мин) кото-
60/
рои связана постоянным отношением с частотой л, ^ сети переменного тока, в
которую эта машина включена. Синхронные машины служат генераторами переменного
тока промышленной частоты на электрических станциях; синхронные машины
рекомендуется применять во всех тех случаях, когда нужен двигатель, работающий при
243.
Основные части сии- |
хронной машины 253

постоянной скорости; наконец, для получения регулируемого реактивного тока
устанавливают синхронные компенсаторы.
Любая синхронная машина может работать во всех трех режимах, но практически
в конструкции современных синхронных генераторов, двигателей и компенсаторов
имеются принципиально небольшие, но весьма существенные отличия, обусловленные
особенностями режима, для которого эти машины предназначаются.
Основными частями синхронной машины являются статор и ротор (рис. 243), причем
статор не отличается от статора асинхронной машины. Сердечник статора собран из
изолированных одна от другой пластин электротехнической стали и укреплен внутри массив*
ного корпуса. В пазах с внутренней стороны статора размещена обмотка переменного
тока, в большинстве случаев трехфазная.
Ротор синхронной машины по существу представляет электромагнит неявнополюс-
ный (рис. 244) или явнополюсный (см. рис. 243), обмотка которого питается постоянным
током возбуждения. Последний поступает в ротор через контактные кольца и щетки от
внешнего источника постоянного тока возбудителя.
У многополюсной синхронной машины ротор имеет р пар полюсов, а токи в обмотке
статора образуют тоже р пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у
асинхронной машины). Ротор должен вращаться со скоростью поля, следовательно, его
синхронная скорость
^. Ж.; (105)
При стандартной промышленной частоте 50 Гц высшая скорость, соответствующая
двухполюсной (р = \) машине, будет 3000 об/мин.
Синхронные двигатели в настоящее время широко применяют для самых различных
видов привода, работающего с постоянной скоростью: для крупных вентиляторов,
эксгаустеров, компрессоров, центробежных насосов, генераторов постоянного тока и т. д.
В большинстве случаев эти двигатели выполняют явнополюсными, мощностью 40—
7500 кВт, для скоростей вращения 125—1000 об/мин. Двигатели .отличаются от
генераторов конструктивно наличием на роторе необходимой для асинхронного пуска
дополнительной короткозамкнутой обмотки или аналогичного приспособления, а также от-
244.
Неявнополюсный ротор мощного турбогенератора

245.
Схема асинхронного пуска синхронного
двигателя
носительно меньшим воздушным зазором между статором и ротором. У синхронных
двигателей к.п.д. несколько выше, а масса на единицу мощности меньше, чем у
асинхронных двигателей, рассчитанных на ту же скорость вращения.
Вращающий момент синхронного двигателя при пуске равен нулю, поэтому
двигатель необходимо раскручивать тем или иным способом до скорости, близкой к
синхронной. Сравнительно недавно для раскручивания ненагруженного синхронного двигателя
применялся специальный разгонный асинхронный двигатель небольшой мощности,
и синхронный двигатель синхронизировался с сетью как генератор при включении на
паралле;п>ну10 работу. Сложность пуска была существенным недостатком синхронных
двигателей, препятствовавшим их распространению.
В настоящее время все эти трудности устранены, так как разработан очень простой
асинхронный пуск синхронного двигателя. Чтобы приспособить двигатель к такому пуску
при явнополюсном роторе, в полюсные наконечники закладывается пусковая коротко-
замкнутая обмотка из медных или латунных стержней. Она напоминает «беличье» колесо
асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора. В конструкции завода
«Электросила» специальной короткозамкнутой обмотки на роторе двигателя нет, а ее
роль выполняют сам массивный сердечник ротора и металлические клинья, заложенные
в пазы ротора, а также бандажи, не имеющие с сердечником ротора электрического
соединения.
Пуск двигателя состоит из двух этапов: первый этап — асинхронный набор скорости
при отсутствии возбуждения постоянным током и второй этап — втягивание ротора в
синхронизм после включения- постоянного тока возбуждения. Во время первого этапа
асинхронного пуска обмотка возбуждения отключается от источника постоянного тока
и замыкается на активное сопротивление Гдус^ (рис. 245), превышающее активное
сопротивление обмотки возбуждения в 10—15 раз. Не следует оставлять обмотку возбуждения
разомкнутой, так как вращающееся поле может индуктировать в ней весьма
значительную, э.д.с, опасную для целости изоляции. Но в то же время нецелесообразно было бы 255

замыкать эту обмотку накоротко, так как в ней возникает, значительный однофазный ток,
который будет тормозить ротор по достижении им половины синхронной скорости.
В большинстве случаев синхронные двигатели устанавливаются значительной
мощности, поэтому для уменьшения пусковых токов часто понижают напряжение при пуске
посредством включения двигателя через пусковой автотрансформатор или через
реактивную катушку. Для пуска сначала нужно замкнуть выключатель, при помощи ко горого
соединяются в звезду три фазные обмотки автотрансформатора AT. Ч!обы,по;1ать на
входные зажимы автотрансформатора напряжение сети, следует замкпугь рубильник Я,.
Таким путем на зажимы статора синхронного двигателя СД подаются пониженные а и го-
трансформатором линейные напряжения трехфазной системы. Под действием эгих
напряжений ротор двигателя приходит во вращение, как короткозамкнутый ротор
асинхронного двигателя. Когда скольжение ротора будет достаточно мало, слсдуег
разомкнуть рубильник ^2» в результате чего напряжение на зажимах двигателя несколько
повысится, так как теперь лишь часть каждой из фазных обмоток автотрансформатора играет
роль реактивной катушки, включенной последовательно с фазной обмоткой двигателя
и несколько ограничивающей своим сопротивлением пусковой ток. Следующая часть
операции пуска заключается во включении двигателя на полное напряжение сети
посредством замыкания рубильника Р^, Но пока не включен постоянный ток, ротор вращается
еще асинхронно. Пуск заканчивается включением постоянного тока возбуждения
посредством переключателя Я. Под действием электромагнитных сил двигатель достигает
синхронной скорости и развивает требуемый вращающий момент. При таком пуске не нужны
операции по синхронизации двигателя с сетью, и операции пуска могут быть
автоматизированы.
Характерной и ценной особенностью синхронного двигателя по сравнению с
асинхронным является возможность регулирования его реактивного тока (а следовательно,
и С08ф) путем изменения постоянного тока возбуждения. При нормальном токе
возбуждения магнитное поле ротора индуктирует в обмотке статора э.д.с, которую можно
считать приближенно равной напряжению сети, приложенному к зажимам статора. В этих
условиях работающий синхронный двигатель нагружает сеть только активным током.
Его cos ф 1. По этой причине обмотка статора синхронного двигателя рассчитываемся
на один активный ток; у асинхронного двигателя эта обмотка рассчитывается
на активный и реактивный токи. По этой причине при одинаковой номинальной
мощности габариты синхронного двигателя меньше, а его к.п.д. выше, чем
асинхронного.
Если же ток возбуждения синхронного двигателя существенно меньше
номинального, то магнитный поток ротора индуктирует в обмотке статора э.д.с. £, меньшую, чем
напряжение сети — это условие, когда двигатель недовозбужден. Помимо активного
тока, он нагружает сеть реактивным током, отстающим по фазе от напряжения на
четверть периода, как намагничивающий ток асинхронного двигателя.
Но если постоянный ток возбуждения больше номинального, то э.д.с. Е больше
напряжения сети и —двигатель перевозбужден. Он нагружает сеть, кроме активного
тока, реактивным током, опережающим по фазе напряжение сети, совершенно также как
емкостный ток конденсатора. Следовательно, перевозбужденный синхронный двигатель
может подобно емкости улучшать общий cos ф промышленного предприятия, снижаемый
индуктивными токами асинхронных двигателей.

Контрольные вопросы
1. Что такое скольжение и как оно определяется?
2. На щитке двигателя в качестве номинальной мощности указывается мощность, отдаваемая
им на валу при полной нагрузке; какую величину нужно знать, чтобы определить мощность,
которой двигатель нагружает сеть?
3. Какова скорость вращения поля двигателя при стандартной промышленной частоте 50 Гц,
если обмотка статора двигателя состоит из девяти катушек?
4. Почему с увеличением скольжения вращающий момент двигателя сначала увеличивается,
а затем быстро уменьшается?
5. Каковы преимущества и недостатки применения для асинхронного двигателя фазного ротора?
6. Как реверсировать асинхронный двигатель?
7. Почему коэффициент мощности асинхронного двигателя убывает с уменьшением нагрузки
на валу?
8. Как соединяются катушки обмотки фазного ротора?
9. Чем отличается устройство синхронного двигателя от устройства асинхронного двигателя?
10. Как проводится асинхронный пуск синхронного двигателя?
П. Для чего используют регулирование тока возбуждения синхронного двигателя?
17-819

Глава
МАШИНЫ
ПОСТОЯННОГО
ТОКА

12.1
УСТРОЙСТВО МАШИН
постоянного ТОКА
Хогя сисгема современного электроснабжения основана на применении переменного
тока, тем не менее мащины носгоянного тока находят широкое использование в самых
различных отраслях промышленности и в быту.
Основными частями машины постоянного тока (рис. 246) являются неподвижная
станина, несущая электромагниты, и вращающаяся часть — якорь. Часто их называют
по аналогии с машинами переменного тока статором — неподвижную часть и ротором -
вращающуюся часть. Станина с электромагнитами служит для возбуждения главного
магнитного поля машины, а во вращающемся якоре индуктируется э.д.с. и
проходят токи, создающие в генераторе тормозящий момент, а в двигателе —
вращающий момент.
Станина (рис. 247) изготовляется из литой стали и представляет собой полый цилиндр,
на внутренней стороне которого укреплены сердечники полюсов: главных и
дополнительных. На сердечники главных полюсов надеты катушки, составляющие обмотку
возбуждения машины. Сердечники полюсов снабжаются наконечниками, служащими для более
равномерного распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря.
Дополнительные полюса имеются только на более крупных машинах. Эти полюса усганавлива-
ются на станине посредине между главными полюсами. Их обмотка соединяется
последовательно с обмоткой якоря. Назначение этих полюсов —^ поддерживать магнитное поле
работающей машины относительно постоянным независимо от нагрузки. Это нужно
для безыскровой работы щеток на коллекторе.
Сердечник якоря собран из изолированных друг от друга листов электротехнической
стали толщиной 0,5 мм. Он снабжен пазами (рис. 248), в которые закладывается обмотка
якоря, обычно состоящая из отдельных секций.
Характерной для машин постоянного юка деталью является коллектор — полый
"цилиндр, собранный из изолированных одна от другой и от вала машины клинообразных
медных пластин. Последние определенным образом соединяются с витками обмолки
якоря. На коллекторе в щеткодержателях устанавливаются неподвижные щетки (рис. 249),
через которые обмотка якоря соединяется с внешней цепью. Щетки к коллектору
прижимаются пружинами. Щеткодержатели укрепляются на щеточных траверсах. Последние
устанавливаются на подшипниках машины и их можно поворачивать, изменяя таким
путем положение щеток по отношению к полюсам машины.
Коллектор в генераторах постоянного тока служит для выпрямления переменной
э.д.с, индуктируемой во вращающейся обмотке якоря, а в двигателях постоянного тока -
для получения постоянного по направлению вращающего момента. 259

246.
Основные части
машины постоянного
тока
247.
Схема станины машины
постоянного тока
248.
Сердечник якоря (без обмотки)
260
249.
Коллектор (а) и
щетка в
щеткодержателе (6)

Одна и та же машина постоянного тока может раЬотать в режимах генератора и
двигателя» т. е. она обратима, как все электрические машины.
В режиме генератора машина работает тогда, когда ее вращает какой-либо
первичный двигатель (паровая или гидравлическая турбина, двигатель внутреннего сгорания
и т. д.), главное магнитное поле возбуждено, а обмотка якоря через щетки замкнута на
нагрузку. В этой обмотке индуктируется э.дх. и возникает ток, протекающий через якорь
и нагрузку. Ток в якоре, взаимодействуя с главным магнитным полем, создает
тормозящий момент, которьш должен преодолевать первичный двигатель.
В режиме двигателя внешний источник электроэнергии посылает электрические токи
в цепи якоря и возбуждения машины, а ток якоря, взаимодействуя с главным магнитным
полем, образует вращающий момент. Под действием этого момента якорь вращается,
и машина преобразует электрическую энергию в механическую.
12.2
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
КОЛЛЕКТОРА
Э.Д.С., индуктируемая в одном витке катушки,
где АФ — изменение магнитного потока, сцепленного с витком за время Дг; дФ1А1 —
скорость изменения потока, сцепленного с витком; эта величина положительна, если
поток Ф возрастает, и отрицательна, если поток Ф убывает. Следовательно, направление
э.д.с. изменяется, когда поток переходит от возрастания к убыванию. Но поток не может
неограниченно увеличиваться, поэтому длительно действующая индуктированная э.д.с.
должна быть переменной, а для получения постоянной по направлению
индуктированной э.д.с. необходимо применять выпрямляющее устройство — коллектор.
Проследим процесс выпрямления э.д.с. в машине постоянного тока на примере
кольцевого якоря (рис. 250). В современных машинах он заменен барабанным якорем, но
принцип выпрямления для барабанного якоря тот же, что и для кольцевого. У последнего
сердечник представляет собой полый цилиндр, собранный, как у всех машин постоянного
тока, из пластин электротехнической стали. Обмотка обвивает цилиндр, образуя
замкнутый многовитковый контур. Якорь пронизывает магнитный поток главных полюсов
машины (на рис. 250 они показаны условно), но этот поток проходит по сердечнику,
практически минуя внутреннюю полость якоря, так как магнитное сопротивление
сердечника во много раз меньше магнитного сопротивления внутренней полости, где
отсутствуют ферромагнетики. В результате таких условий при вращении якоря только проводники,
лежащие на внешней поверхности сердечника, пересекают магнитное поле и только в них
индуктируются э.д.с. В проводниках, лежащих против разноименных полюсов, эти
э.д.с. имеют противоположное направление (правило правой руки). Но так как машина
построена симметрично, то внутреннего уравнительного тока в замкнутой на себя
обмотке якоря эти э.д.с. не создают.
Легко представить схему э.д.с. обмотки как параллельное соединение двух ее
половин. Для этого можно наложить непосредственно на якорь две неподвижные щетки 261

(рис. 251). Они должны скользить по освобожденной для этой цели от изоляции
поверхности проводников якоря. Щетки нужно установить так, чтобы они находились посредине
между главными полюсами. При таком положении щеток обмотка якоря является
источником электроэнергии, состоящим из двух источников одинаковых э.д.с, индуктируемых
в двух половинах обмотки.
Э.д.с. отдельных витков обмотки в каждой из параллельных ветвей должны иметь
одинаковое направление. Последнее определяется направлением магнитного поля,
в котором движутся ветви, и направлением вращения якоря. Следовательно, чтобы э.д.с.
витков имели одинаковое направление, щетки должны располагаться в области, в
пределах которой магнитную индукцию можно считать практически равной нулю. Такую
область называют нейтральной зоной мащины. В ее пределах должны быть установлены
щетки. Когда щетки сдвинуты из этой зоны, то э.д.с. мащины уменьшается (она равна
нулю, когда щетки стоят против середины полюсов). На рис. 252 показано в развернутом
виде распределение магнитной индукции под гюлюсами. Полюсное деление т—часть
окружности якоря, соответствующей одному полюсу машины. Расстояние между щетками
разной полярности должно быть равно полюсному делению (их место отмечено
буквами а и Ь).
Напряжение между щегками постоянно, хотя в каждом из проводников обмотки
якоря индуктируется переменная э.д.с. При переходе проводников из области северного
полюса в обласль южного полюса направление индуктированной в них э.д.с. изменяется.
Но в то же время остается постоянным положение проводников с одинаковым
направлением э.д.с, образующих параллельную ветвь обмотки. Одни проводники проходят пол
щеткой и уходят из данной ветви, но одновременно под другой щеткой проходит столько
же проводников, вступающих в эту параллельную ветвь обмотки.
Число пар полюсов машины, обозначаемое /?, может быть больше 1 (на рис. 250
р - 2). При этом для обмотки кольцевого якоря число щеток также должно быть удвоено,
так как обмотка должна образовать четыре параллельные ветви. Число пар
параллельных ветвей, обозначаемое л, в этом случае равно числу пар полюсов: а-^р.
В рассмотренной нами схеме (см. рис. 250 и 251) переключение секций обмотки из
одной параллельной ветви в другую осуществлялось путем непосредственного контакта
250.
Схема кольцевого якоря
с устанэв;1емнычи1
на обмотке ще1ками
251.
Щетки делят обмотку якоря
на параллельные ветви

252. 253.
Распределение магнитного потока вдоль Соединение обмотки
окружности машины якоря с пластинами
коллектора
щеток с обмоткой якоря. Такое устройство машин применялось в конце XIX в. Но задача
переключения выполняется значительно лучше посредством переноса щеток на пластины
коллектора (рис. 253). Пластины соединяются проводниками с соответствующими
секциями обмотки якоря.
Через пластины коллектора щетки делят обмотку якоря на параллельные ветви так
же, как они могли бы ее делить при непосредственном контакте с проводниками якоря.
Применение коллектора делает работу машины значительно надежнее: пластины
коллектора механически значительно прочнее проводников обмотки и, кроме того, диаметр
коллектора значительно меньше диаметра якоря, в результате этого окружная скорость
на коллекторе существенно меньше, что улучшает контакт щеток.
12.3
ОБМОТКИ ЯКОРЯ
Проводники, образующие обмотку якоря, должны быть соединены между собой
наиболее целесообразным образом. Спиральная обмотка кольцевого якоря, описанная
выше, в настоящее время применяется лишь в немногих случаях из-за того, что в ней
активная длина проводников обмотки (часть, находящаяся в магнитном поле) значительно
меньше половины общей длины проводников обмотки.
Большинство современных машин снабжено барабанным якорем (см. рис. 246),
у которого обе стороны каждого витка расположены на внешней поверхности, а
следовательно, находятся в магнитном поле. Ширина каждого из витков должна быть близка
к ширине полюсного деления т для того, чтобы виток охватывал весь поток одного полюса.
В таких условиях э.д.с, индуктируемые в двух сторонах витка, имеют одинаковое
направление, и их сумма достигает наибольшего значения.
Обычно в пазы закладываются многовитковые секции (рис. 254). Они соединяются
между собой, образуя обмотку якоря, включающую все секции, при этом применяются
два основных способа соединений: петлевая обмотка и волновая обмотка.

255.
ORd ^ 256.
^*'^' Схема соединении _
Секции обмотки якоря: проводников при Схема соединении проводников
а - петлевая, б - волновая петлевой обмотке "ри ВОЛНОВОЙ обмотке
Соединения петлевой обмотки, называемой также параллельной, выполняются
путем поступательно-возвратного движения вокруг окружности якоря, т. е. для
присоединения секции, следующей по ходу обмотки, нужно вернуться под исходный полюс.
Принцип таких соединений показан на рис. 255. Здесь, как это принято на схемах обмоток,
изображены не отдельные витки, а стороны секций. При петлевой обмотке а=р, т. е.
щетки делят ее на столько пар параллельных ветвей, сколько пар полюсов имеет машина.
После одного обхода окружности якоря петлевая обмотка замыкается, т. е. в нее
включаются все секции, составляющие обмотку.
Соединения волновой обмотки, называемой также последовательной, выполняются
путем поступательного движения вдоль окружности* якоря (рис. 256), т. е. для
присоединения секции, следующей по ходу обмотки, нужно продвинуться под следующий по
окружности машины полюс. При волновой обмотке а= 1, т. е. число параллельных ветвей всегда
равно двум независимо от числа полюсов. Волновая обмотка замыкается после
нескольких обходов окружности якоря.
П'омимо простых петлевой и волновой обмоток, применяют более сложные
обмотки.
Простой петлевой обмоткой снабжаются двухполюсные машины малой мощности
(до 1 кВт) и машины мощностью свыше 50О кВт. Простая волновая обмотка
применяется для машин малой и средней мощности (до 500 кВт) при напряжении ПО В и выше.
12.4
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ
СИЛА ЯКОРЯ
При вращении якоря в магнитном поле машины постоянного тока в обмотке якоря
индуктируется э.д.с. В случае работы машины в режиме генератора она создает ток во
внешней цепи, присоединенной к зажимам щеток. В случае работы машины в режиме
двигателя эта э.д.с. направлена против тока (против внешнего напряжения, приложенного
к зажимам щеток) и называется противоэлектродвижущей силой,
Э.д.с. якоря зависит от условий работы и параметров машины. При движении
проводника под полюсом (рис. 257) в проводнике индуктируется э.д.с.

где В — магнитная индукция; / — активная длина проводника; v — окружная скорость
якоря; бх — мгновенное значение э.д.с, оно изменяется в зависимости от изменения
магнитной индукции при перемещении проводника под полюсом.
Если подставить в формулу (106) среднее значение магнитной индукции В^^ под
полюсом в пределах полюсного деления, то найдем среднее значение э.д.с, индуктируемой в
одном проводнике:
■*
в последнем выражении можно сначала выразить окружную скорость через диаметр
якоря D и число его оборотов в минуту л:
S^SSj:
■%-М^
а затем найти длину окружности якоря, зная число полюсов и ширину полюсного деления
пО=2рт, на основании чего
И Э.Д.С.
^i ср"" ^ Берн.
Величина 1т ==^S„o„ — площадь полюсного деления (рис. 258). Следовательно, IxBcp - Ф —
магнитному потоку одного полюса. Таким образом, э.д.с.
£icp- ^ *•
Зная э.д.с. одного проводника, можно определить э.д.с. обмотки, при этом следует
учесть, что последняя состоит из N активных проводников. Они разделены щетками
между 2а параллельными ветвями. Таким образом, в каждой параллельной ветви обмотки
последовательно соединены ^ активных проводников. Э.д.с. любой из параллельных
ветвей обмотки равна сумме э.д.с. входящих в нее активных проводников:
- 17 А/ 2рп Л^ ^
257.
Схема движения
проводника под
полюсом
258.
Площадь полюсного
деления 265

Вместе с тем эта э.д.с, одинаковая во всех параллельных ветвях, является э.д.с. якоря
£я--|7У-^Ф-СеяФ. (107)
здесь Се — постоянный для данной машины коэффициент.
Выражение (107) показывает, что э.д.с. якоря можно регулировать посредством
изменения магнитного потока и изменения скорости вращения якоря.
12.5
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ
МОМЕНТ
Ко1ла ^лскгрический ток проходит по обмотке якоря, взаимодействуя с магнитным
полем мапшны, он создает электромагнитный момент, приложенный к окружности якоря.
При работе машины в режиме двигателя это взаимодействие создает вращающий момент,
а при работе в режиме генератора — тормозящий момент, который должен преодолевать
первичный двигатель. В первом случае энергия передается из сети на вал двигателя, во
втором — от первичного двигателя через генератор в электрическую сеть. В обоих
случаях можно применять одно и то же выражение для электромагнитного момента.
Как было сказано в третьей главе, на каждый из N активных проводников якоря
действует сила/==^Л, здесь /— ток в одной из 2 а параллельных ветвей обмотки.
Общий ток якоря 1^=^12а или ^^-^-^ На основании чего, сила/=-у^^/^. Плечом
приложения этой силы можно считать радиус якоря, равный ~.
Сумма сил, воздействующих на проводники якоря, создает электромагнитный мо-
Ь
D ^ г
мент Мэм =т ?,/кИ-^и, применяя понятие среднего значения индукции под полюсом,
найдем:
Окружность якоря nD=^2px
или
так как т/5ср = Ф, то окончательно
Мэы-~МВ^^рШ,
2
Мэы-~^- 1^ Л^Ф/я[Дж] = СмФ/я, (108)
здесь См — величина, постоянная для данной машины.
Отметим, что вследствие намагничивания зубцов якоря происходит перенос сил —
они воздействуют не на проводники, лежащие в пазах, а на их зубцы.

12.6
КОММУТАЦИЯ
И РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ
Секции обмотки при работе машины непрерывно переходят из одной параллельной
ветви обмотки в другую, при этом соответствующие этим секциям коллекторные
пластины проходят под щетками. При вращении якоря щетка, перемещаясь с пластины b
на пластину а, соединяет между собой две пластины коллектора, к которым подключены
концы секции (рис. 259) и тем самым замыкает секцию b накоротко. Затем щетка уходит
с пластины Ь, и секция оказывается переключенной в другую параллельную ветвь.
Коммутацией в электрических машинах называется совокупность явлений,
происходящих при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во время замыкания
щетками этих секций накоротко. До коммутации ток в секции имеет одно направление
(Ч /). После коммутации его направление изменяется на противоположное (—/). За
время коммутации сила тока должна измениться на 21=^ hi а.
Необходимым условием долговечности машины постоянного тока является
хорошая коммутация — отсутствие искрения под щетками, так как искры быстро разрушают
пластины коллектора и щетки.
Такая коммутация имеет место, когда в коммутируемой секции не индуктируется
никаких э.д.с. и ток изменяется равномерно.
Но в реальных условиях электрической машины в коммутируемой секции при
изменении тока неизбежно возникает э.д.с. самоиндукции, так как витки лежат в пазах якоря,
т. е. окружены ферромагнетиком, а следовательно, секция обладает существенной
индуктивностью L. Ширина щетки такова, что одновременно коммутируют несколько
секций. Изменения тока в соседних секциях индуктируют в коммутируемой секции э.д.с.
взаимоиндукции. Эти э.д.с. так же, как и э.д.с. самоиндукции, согласно принципу Ленца
противодействуют изменению тока в коммутируемой секции и задерживают таким
образом это изменение. Результирующую э.д.с, складывающуюся из э.д.с. самоиндукции
и взаимоиндукции, принято называть реактивной э.д.с. ер.
Из-за противодействия реактивной э.д.с. изменение тока в течение большей части
периода коммутации задерживается, но, когда уходящая пластина выходит из-под щетки,
сила тока в коммутировавшей секции принимает принудительно значение /=—^—.
Следовательно, в конце периода коммутации происходит ускоренное изменение силы
тока в секции, а это увеличивает реактивную э.д.с. Вместе с тем сильно возрастает
плотность тока у края пластины, выходящей из-под щетки. Эти причины могут вызвать воз-
259.
Коммутация секции обмотки: а- начало, б - середина, в - кочец коммутации.

никновение миниатюрных электрических дуг под щеткой со стороны уходящей пластины
коллектора — искрение на коллекторе.
Для улучшения условий коммутации в электрических машинах предусматривается
ослабление вредного действия реактивной э.д.с, путем противопоставления ей второй
индуктированной Э.Д.С.; эта последняя, называемая коммутирующей е^, индуктируется
магнитным полем дополнительных полюсов, в котором секщ1Я движется во время ком-
мутащ1и.
Дополнительные полюсы имеют своей задачей индуктировать коммутирующую
э.д.с. и устранить влияние реакщ1и якоря на условия коммутащ1и.
Реакцией якоря называется искажающее воздействие намагничивающей силы якоря
на главное магнитное поле машины.
Пока ток в якоре не проходит, магнитное поле, создаваемое только током
возбуждения, симметрично по отношению к оси сердечников и благодаря наличию полюсных
наконечников под полюсами оно почти равномерно (рис. 260, а). Но когда ток
проходит по обмотке якоря, он становится электромагнитом, ось потока которого направлена
по оси щеток. Если рассматривать независимо поле якоря (рис. 260, 6), то можно видеть,
что оно по отношению к главному полю является поперечным и это соответственно
сказывается при нагрузке машины, когда ее магнитное поле создается совместным
действием намагничивающих сил обмотки, возбуждения и якоря (рис. 260, в).
Пока машина не была нагружена, ее геометрическая нейтраль п—п' — линия,
перпендикулярная к оси полюсов, совпадала с физической нейтралью f—f'— линией,
проходящей через середину нейтральной зоны, т. е, через точки окружности якоря, в которых
магнитная индукция равна нулю (рис. 260, а). Щетки устанавливаются на геометрической
нейтрали; на рис. 260 они показаны условно опирающимися на проводники якоря,
фактически же они установлены на соответствующих пластинах коллектора.
В результате реакции якоря физическая нейтраль/-^ 'смещается по отношению к
геометрической и щетки оказываются вне нейтральной зоны. Вследствие этого в каждой
260.
Главное магнитное поле (а), поле якоря (6) и результирующее поле (в)

261.
Схема устройства дополнительных полю- I
сов 1
параллельной ветви обмотки окажется одна |
или несколько секций, направление индук- |
тированной э.д.с. в которых будет противо- I
положно направлению э.д.с. в остальных |
секциях ветви, что вызовет уменьшение э.д.с. I
якоря £■>. В результате, если машина рабо- I
тает в режиме генератора, понизится
напряжение на ее зажимах, а если в режиме
двигателя, изменяется ее скорость и врашаю- I
ший момент. 1
Одновременно из-за реакции якоря в коммутирующих секциях индуктируют э.д.с.
и значительно повышается напряжение между соседними пластинами коллектора. Это
может вызвать сильное искрообразование под щетками.
Для предупреждения смещения нейтрали вследствие реакции якоря используется
магнитное поле дополнительных полюсов (рис. 261), которыми снабжается большинство
современных машин постоянного тока (кроме машин малой мощности). Обмотки
дополнительных полюсов соединяются посредством щеток последовательно с обмоткой якоря
так, чтобы направление их намагничивающей силы было противоположно направлению
намагничивающей силы якоря. Таким путем дополнительные полюса компенсируют при
любых нагрузках реак'цию якоря, так как изменения нагрузки в одинаковой степени
изменяют намагничивающие силы якоря и дополнительных полюсов. Но так как поле этих
полюсов должно также индуктировать коммутирующую э.д.с. в секциях обмотки, то их
намагничивающая сила должна быть на 20—30% больше, чем намагничивающая сила
якоря в пределах нейтральной зоны.
Отметим, что дополнительные полюса компенсируют реакцию только в пределах
относительно узкой зоны коммутируемых секций. Если машина работает в особо
тяжелых условиях (например, частые реверсы у двигателей), то для полной компенсации
реакции якоря машины снабжаются специальными компенсационными обмотками.
КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН
ПОСТОЯННОГО ТОКА
ПО СПОСОБУ ВОЗБУЖДЕНИЯ
nf ГЛАВНОГО МАГНИТНОГО
• ' ПОЛЯ
Рабочие характеристики машин постоянного тока зависят от способа возбуждения
главного магнитного поля. Постоянные магниты для этой цели применяются лишь в
машинах специального назначения. В большинстве машин главное магнитное поле
возбуждается при помощи тока возбуждения, проходящего по обмотке возбуждения.
Последняя размещается на сердечниках полюсов, укрепленных на станине. Цепь обмотки
возбуждения может быть независимой от цепи якоря, но чаще эти цепи соединяются, причем
либо параллельно, либо последовательно, либо смешанно, в соответствии с чем принято

различать машины независимого параллельного, последовательного и смешанного
возбуждения.
При любом способе включения облюшкивозбулсЭе/ш.^ мощность, затрачиваемая в цепи
обмотки возбуждения, относительно мала — менее 1% от номинальной мощности у
больших машин и порядка 5% у малых машин. Благодаря этому потери при
регулировании тока возбуждения незначительны, что дает возможность посредством такого
регулирования экономично управлять напряжением генераторов и скоростью двигателей.
При независимом возбуждении обмотка возбуждения машины подключается к
независимому источнику электроэнергии (p^fc. 262, а), поэтому на силу тока возбуждения
не оказывает влияние напряжение на зажимах якоря машины. Из-за независимости тока
возбуждения только реакция якоря вызывает изменения магнитного потока машины при
изменениях нагрузки.
При параллельном возбулсденыи (называемом также шунтовым) цепь обмотки
возбуждения соединяется параллельно с цепью якоря (рис. 262, б). Так как сила тока
возбуждения должна быть во много раз меньше силы тока якоря (5—1% от тока якоря), а
напряжение и на зажимах якоря и цепи возбуждения одно и то же, то, следовательно,
сопротивление обмотки возбуждения должно быть относительно велико. Обмотка должна иметь
большое число витков относительно тонкого провода. Магнитный поток такой машины
можно регулировать посредством реостата, включенного в цепь возбуждения. Но, кроме
того, он зависит от напряжения на зажимах якоря.
При последовательном возбуэ*сдении (называемом также сериесным) цепь
возбуждения соединяется последовательно с якорем (рис. 262, в). Следовательно, сечение провода
обмотки возбуждения должно быть относительно велико, а число витков относительно
мало. Так как ток якоря, являющийся вместе с тем током возбуждения, относительно
велик, то он обеспечивает необходимую намагничивающую силу при малом числе витков
возбуждения.
Сопротивление обмотки последовательного возбуждения относительно мало.
Изменения нагрузки вызывают изменения тока якоря, поэтому магнитный поток машины с
изменением нагрузки меняется в широких пределах.
При смешанном возбуждении (называемом также компаундным) на каждом
полюсном сердечнике размещены две катушки (рис. 262, г\ из JcoTopbix одна входит в обмотку
возбуждения, включаемую последовательно, а вторая — в обмотку, включаемую
параллельно якорю. Главное магнитное поле возбуждается одной из этих обмоток, а
воздействие второй является лишь дополнительным. Первая обмотка в основном определяет
характеристики машины. В большинстве машин смешанного возбуждения
намагничивающие силы двух обмоток складываются — это согласное соединение. В немногих спе-
262.
Схема возбужления главною
магнитного гюля машины:
(/ — не ктисимое. f/ — мара.мельнос. л -
иос.юлова ic.ibHoo. i' — CMeiuaiiHoe

циальных случаях применяется встречное соединение, при котором намагничивающие
силы обмоток имеют противоположное направление.
Машины обратимы, но их номинальные напряжения в режимах генератора и
двигателя различны, так как при одном и том же магнитном потоке напряжение генератора
будет меньше э.д.с. якоря, а напряжение двигателя больше этой э.д.с. на величину
внутренней потери напряжения.
12.8
ГЕНЕРАТОР
НЕЗАВИСИМОГО
ВОЗБУЖДЕНИЯ
Независимость тока возбуждения от напряжения генератора дает возможность
регул и ровагь в широких пределах магнитный поток генератора, а следовательно, и его
напряжение. При реостатном регулировании тока возбуждения (рис. 263) схема и
конструкция реостата г,„ должны обеспечивать возможность регулирования без разрыва цепи,
так как при внезапном прерывании тока возбуждения может возникнуть большая э.д.с.
самоиндукции, вызывающая сильное искрообразование между размыкаемыми
контактами и опасная для целости изоляции обмотки возбуждения. Это положение справедливо
для цепей возбуждения всех электрических машин постоянного тока.
Зависимость э.д.с. якоря от силы тока возбуждения Е^ ^^'(^в) "Р^^ разомкнутой цепи
якоря (/я ^0) и постоянной скорости вращения {п const) называется характеристикой
холостого хода генератора (рис. 264). Так как согласно формуле (107) э.д.с. прямо
пропорциональна магнитному потоку: £» =С^пФ, то эта же характеристика в другом масштабе
является магнитной характеристикой машины. Из-за влияния остаточной индукции одним
и тем же значениям тока возбуждения могут соответствовать различные значения э.д.с.
Эта остаточная индукция сохраняется в станине машины от ее предыдущей работы.
При разомкнутой цепи возбуждения (/^^О) во время вращения якоря в поле остаточной
индукции в обмотке якоря индуктируется небольшая э.д.с. £, о а-
Чтобы снять характеристику холостого хода, нужно при разомкнутой цепи якоря,
замкнув цепь возбуждения, постепенно увеличивать силу тока возбуждения до
максимально допустимой, отмечая по вольтметру соответствующие значения э.д.с. £«♦ Таким путем
определяется восходящая (нижняя) ветвь характеристики. Затем, чтобы получить нисхо-
264.
лсо Харакгеристика хо-
лосгого хода гене-
Схема соединений генератора ратора независи-
иезависимого возбуждения мого возбуждения

дящую ее ветвь, нужно постепенно уменьшать ток возбуждения. Эта ветвь расположится
несколько выше первой ветви из-за увеличения остаточной индукции вследствие влияния
гистерезиса. После выключения тока возбуждения э. д. с. f,^^, индуктируемая
остаточной индукцией, будет существенно больше, чем в начальных условиях.
В верхней своей части кривая характеристики холостого хода заметно загибается в
сторону оси абсцисс вследствие влияния насыщения стали магнитной цепи машины.
В условиях, соответствующих насыщенной части характеристики, в большинстве случаев
работают генераторы постоянного тока. При этом реакция якоря меньше влияет на
главный поток машины, в результате чего напряжение генератора меньше колеблется при
изменениях нагрузки.
Практически важно знать, как меняется напряжение генератора при изменениях силы
тока якоря — тока нагрузки. Эту зависимость (рис. 265) показывает внешняя
характеристика: U=F(I^), Она определяется при неизменных токе возбуждения и скорости
вращения п. Чтобы получить ее при испытании генератора, нужно сначала нагрузить его до
номинального тока якоря /я=/ном» установив при этом путем регулирования тока
возбуждения 4 номинальное напряжение на зажимах якоря. После чего следует постепенно
уменьшать ток якоря, отмечая значения напряжения, соответствующие определенным
значениям силы тока якоря. При этом ток возбуждения не меняется, так как
сопротивление цепи возбуждения остается постоянным.
При нагрузке напряжение генератора меньше его э.д.с. вследствие потери
напряжения во внутреннем сопротивлении генератора. Последнее складывается из
сопротивления обмотки якоря и сопротивлений переходных контактов щеток и коллектора:
■.^v'-';: V\'.;^i«-/*rH:..-.'; (109)
Если бы э.д.с. якоря £, была строго постоянна, то внешняя характеристика
изображалась бы прямой линией. Но из-за влияния реакции якоря напряжение с ростом нагрузки
уменьшается, а кривая внешней характеристики соответственно изгибается в сторону оси
абсцисс.
Относительным изменением напряо§сения называется отношение к номинальному
напряжению изменения напряжения генератора MJ^Uq—(/„> вызываемого изменением
нагрузки от номинальной до нуля при постоянных силе тока возбуждения и скорости:
^иШ''ЫШ^Ш^шт'; s (ПО)
обычно эта величина порядка 5—15%.
При увеличении силы тока сверх номинального значения машина перегружается —
перегреваются обмотка якоря, коллектор и щетки, а у края последних возникает сильное
искрение.
В большинстве случаев напряжение генератора при изменениях нагрузки должно
поддерживаться постоянным, что необходимо для нормальной работы приемникоь
электроэнергии.
Регулировочная характеристика генератора показывает, как надо менять силу токг
возбуждения для того, чтобы сохранять постоянным напряжение генератора при изме
нениях нагрузки — это кривая зависимости силы тока возбуждения /. от силы тока якорг
/я при постоянных (номинальных) напряжении и скорости (рис. 266). В большей свое)

265.
Внешняя
характеристика
генератора независимого
возбуждения
266.
Регулировочная
характеристика
генератора
независимого возбуждения
части кривая почти прямолинейна, но при больших токах она загибается в сторону оси
абсцисс из-за влияния насыщения магнитной цепи машины.
В настоящее время в качестве источника тока независимого возбуждения часто
применяют неуправляемые и управляемые вентили — тиристоры. При тиристорах
регулирование тока может осуществляться как после выпрямления, так и до выпрямления на
стороне переменного тока.
ГЕНЕРАТОРЫ
ПАРАЛЛЕЛЬНОГО»
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
4^ Л ^ СМЕШАННОГО
л JL% Ч ВОЗБУЖДЕНИЯ
Генераторы параллельного возбуждения часто применяют для получения
постоянного тока. Для них не требуется дополнительного источника электроэнергии для питания
цепи возбуждения, что существенно упрощает обслуживание машины, и их напряжение
мало изменяется при колебаниях нагрузки.
Током возбуждения этого генератора служит часть тока якоря; цепь возбуждения
присоединяется к зажимам якоря параллельно нагрузке (рис. 267). При пуске в ход машины
для возбуждения главного магнитного потока используется самовозбуждение (благодаря
наличию остаточного магнетизма в станине), причем необходимо согласное соединение
зажимов цепи возбуждения с зажимами цепи якоря, т. е. ток, поступающий из якоря,
должен увеличивать магнитный поток остаточного магнетизма.
Следует учитывать, что направление э.д.с, индуктируемой остаточным магнетизмом
в якоре, зависит от направления вращения якоря. Генератор не возбуждается, если об;
мотка возбуждения присоединена неправильно (встречно).
По своему виду характеристика холостого хода и регулировочная характеристика
этого генератора практически не отличаются от характеристик такой же машины,
работающей с независимым возбуждением.
Несколько другой вид имеет внешняя характеристика генератора при параллельном
возбуждении (рис. 268). Понижение напряжения с увеличением нагрузки при независимом
возбуждении вызывается потерей напряжения в якоре (/яГ,) и реакцией якоря. Кроме
того, при параллельном возбуждении еще добавляется уменьшение силы тока,
вызываемое самим понижением напряжения, так как в этом случае /, = (//г^, а сопротивление цепи
возбуждения т^ при определении внешней характеристики должно оставаться постоян-
18-819

267.
Схема соелинений генераюра
параллельного [Ю)бужления
268.
Внешняя характеристика
генератора параллельного во$бужления
иым. из-за этою кривая параллельною возб\жлопия ирохолит
значительно титже характеристики при независимом
возбуждении.
Если нагрузка тенератора постепенно увеличивается, то
пока сила Чока возбуждения соответствует условиям насьигте-
ния мат нитной цепи матпины (кривая 2 — молот ая ветвь
характеристики, рис. 268) понижение э.д.с. якоря А^я относительно меныпе уменьтиеиия
тока возбуждения A/g. В этих условиях уменьшение сопротивления цепи нагрузки г„
вызывает увеличение силы тока якоря и мощности, отдаваемой нагрузке. Но условия
резко меняются, когда сила тока возбуждения вследствие понижения напряжения умень-
тнигся настолько, что магнитная цепь тенератора ттрилет в ттенасыитештое состояние
(кривая I), которое возникает при перегрузке мацтины, когда сила юка якоря
превысит номинальное значение в 2—2,5 раза. Такие условия соответствуют линейной части
магнитной характеристики и при этом состоянии уменьшение силы тока возбуждения
вызывает пропорциональное уменьшение э.д.с. якоря и понижение напряжения, что
обусловливает дальнейшее уменьшение силы тока возбуждения и т. д. Происходит
саморазмагничивание генератора параллельного возбуждения, вследствие чего при замыкании
якоря накоротко в магнитопроводе машины сохраняется только остаточное
намагничивание. Последнее индуктирует в короткозамкнутом якоре небольшую э.д.с, коюрая
поддерживает в нем ток короткого замыкания 7^. Этот ток меньше номинального тока якоря.
Сила тока, при которой начинается саморазмагничивание генератора, называется
критической /,tp. Она существенно превосходит номинальную силу тока. Ветвь внешней
характеристики, лежащая ниже ее перегиба (/кр), соответствует неустойчивому режиму;
в ее пределах с уменьшением силы тока понижается э.д.с, что вызывает дальнейшее
уменьшение силы тока и т. д.
В условиях устойчивого режима изменение напряжения тенератора параллельного
возбуждения составляет 8—15% (последнее у малых машин).
Генераторы последовательного возбулсдения применяют лишь в немнот их
специальных случаях из-за того, что их напряжение сильно меняется при измерениях нагрузки.
При холостом ходе э.д.с в якоре такого генератора индуктируется только остаточным
магнетизмом. Она возрастает почти линейно с увеличением тока якоря.
Генераторы смешанного возбуждения применяются в установках относительно
небольшой мощности, где желательно избежать значительною изменения напряжения
при отключениях или подключениях отдельных потребителей. Две обмотки возбуждения
такого генератора (рис 269) — параллельная м\^^ (обычно основная) и
последовательная Wnoc — соединяются согласно, т. е. так, чтобы их намагничивающие силы
складывались. Намагничивающая сила обмотки w^^^ , увеличивая э.д.с якоря, компенсирует по-

269.
Схема соединений
генератора
смешанного возбуждения
270.
Внешняя характеристика
генератора смешанного возбуждения
терю напряжения в обмотке, в якоре и реакцию якоря. С увеличением нагрузки в таком
генераторе главный магнитный поток и пропорциональная ему э.д.с. якоря возрастают
с увеличением нагрузки. Путем соответствующего выбора числа витков обмотки w „ос
можно достичь равенства напряжений генератора при холостом ходе и при номинальной
нагрузке (рис. 270).
Однако такие генераторы нецелесообразно применять для параллельной рабо1ы.
12.10
РЕЖИМ ДВИГАТЕЛЯ
Если цепи якоря и возбуждения машины постоянного тока подключены к источнику
электроэнергии, то напряжение последнего создает токи в этих цепях. При этом
возбуждается главный магнитный поток, а ток в якоре, взаимодействуя с магнитным полем,
создает вращающий момент, под действием которого якорь может прийти во вращение.
Машина будет работать в режиме двигателя. В таких условиях при вращении якоря в его
проводниках индуктируется э.д.с. £,, направленная согласно принципу Ленца (правило
левой руки) против тока. Она называется противоэлектродвижущей силой. Таким
образом, ток в якоре
/я-
гя
Уравнение напряжения и^1^1Г^-\-Е^ можно путем умножения на /« преобразовать в
уравнение мощности:
где £я/я=Л|ех —механическая мощность, развиваемая двигателем.
Таким образом механическая мощность прямо пропорциональна противо- э.д.с. Е„.
Возникновение этой э.д.с. — характерный признак преобразования электрической
энергии в механическую в электромагнитном устройстве.
На рис. 271 показана энергетическая диаграмма двигателя. Мощность Р,,подводимая
из сети, делится между цепью якоря Р^ (большая часть) и цепью возбуждения (//в (не-

27Т 272.
Знергетическая диаграмма Соединения якоря с пус-
двигателя постоянного тока ковым реостатом
сколько процентов). Из мощности Р^ небольшая часть /«г, затрачивается на нагревание
обмотки, щеток и коллектора, а остальная часть преобразуется в механическую
мощность/\,ех =^я Л-
Следовательно, чем относительно больше Е^, тем выше к.п.д. двигателя. В
соответствии с этим падение напряжения 1^ г, составляет лишь несколько процентов от
напряжения (у двигателей средней и большой мощности).
Но при пуске двигателя, пока скорость w==0, э.д.с. Е^=0, в таких условиях U-I^r^,
Сопротивление г, относительно мало и постоянно. Из этого рассуждения следует, что
пусковая сила тока /, должна быть больше рабочей примерно в 25—40 раз. Но подобное
увеличение силы тока недопустимо ни для сети, питающей двигатель, ни для коллектора
и обмотки, так как они будут разрушены тепловым действием тока.
Для защиты от большого пускового тока у всех двигателей постоянного тока, кроме
самых мелких (1/4 кВт), последовательно с якорем включают пусковой реостат г^,
ограничивающий силу тока якоря (рис. 272).
Таким образом, при пуске двигателя параллельного возбуждения
а двигателя последовательного возбуждения
■ и
/я-
Гя+Гв+Гп
где Гз — сопротивление обмотки возбуждения.
Сопротивление полностью включенного пускового реостата обычно выбирают так,
чтобы пусковой ток превышал номинальный не более чем в 1,5 раза. По мере того как
якорь постепенно увеличивает скорость вращения, в нем индуктируется все большая э.д.с,
ограничивающая силу тока, которая дает возможность плавно выводить пусковой
реостат. Нельзя оставлять его включенным хотя бы частично. Это вызовет излишние потери
энергии, и реостат может быть разрушен тепловым действием тока, так как он не
рассчитан на длительное включение.
Для изменения направления вращения реверсирования двигателя постоянного тока
следует изменить направление тока в цепи якоря или в цепи возбуждения. Направление
вращающего момента сохранится, если изменить одновременно направления токов в
обеих цепях двигателя.

12.11
ДВИГАТЕЛЬ
ПАРАЛЛЕЛЬНОГО
ВОЗБУЖДЕНИЯ
Схема соединения двигателя параллельного возбуждения с пусковым реостатом г„
в цепи якоря и регулировочным реостатом г^ в цепи возбуждения показана на рис. 273. <
Желательно, чтобы при пуске магнитный поток имел наибольшее значение, так как
ему пропорциональна противоэлектродвижущая сила £>» уменьшающая пусковой ток
по мере возрастания скорости вращения. Чтобы создать такой поток, нужно обмотку
возбуждения включать сразу на полное напряжение сети при выведенном реостате г^,
что предусмотрено в схеме рис. 272.
По окончании пуска реостат г„ выводится и в якоре работающего двигателя силатока
/я-^^^^"- (111)
Гя
Заменив в этом выражении э.д.с. Яя^СеФй, получим уравнение скорости двигателя
СеФ
5
Оно показывает, что скорость можно регулировать путем изменения потока Ф или на^
пряжения и. Поток Ф можно считать пропорциональным току возбуждения /р, пока маг
нитопровод машины не насыщен (рис. 274), а так как этот ток относительно мал, то такое
регулирование экономично. Скорость обратно пропорциональна потоку, поэтому
зависимость скорости двигателя п от силы тока возбуждения 1^, называемая скоростной
характеристикой, носит гиперболический характер. При холостом ходе двигателя и при
малых значениях силы тока возбуждения (а также при обрыве цепи возбуждения) эта
скорость приобретает значения, опасные для механической целости якоря, — двигатель
«разносит», что необходимо иметь в виду при его испытаниях.
Вращающий момент двигателя параллельного возбуждения может быть определен
на основании общего уравнения электромагнитного момента машины постоянного
тока (108)
Л/вр«СмФ/я. (ПЗ)
273.
Схема соединений двигателя параллельного
возбуждения
274.
Скоростная характеристика
двигателя параллельного
возбуждения

275.
Механическая
характеристика двигателя
параллельного
возбуждения
276.
Схема системы
тель(Г-Л)
генератор-лвига-
Вращающий момент уравновешивает тормозящий момент нагрузки, приложенный
к валу двигателя. Равновесие моментов нарушает возрастание нагрузки на валу
двигателя: тормозящий момент становится больше вращающего, и двигатель уменьшает
скорость. Но при этом уменьшается э.д.с. Я^^ ^'то вызывает возрастание тока /,.
Пропорционально последнему увеличивается вращающий момент, и равновесие момента
восстанавливается при немного понизившейся скорости. На основании формул (112) и (106)
зависимость скорости двигателя от момента будет:
СеФ
-Л/в
ХеСмФ^
(114)
Если считать поток Ф постоянным, то согласно формуле (114) механическая
характеристика двигателя параллельного возбуждения изобразится прямой линией (рис. 275),
слегка наклоненной в сторону оси абсцисс. Изменение нагрузки двигателя от холостого
хода до номинальной вызывает у большинства двигателей параллельного возбуждения
изменение скорости лишь на 3—8% (тем больше, чем меньше номинальная мощность
двигателя). Такая механическая характеристика считается жесткой. В этом отношении
она сходна с механической характеристикой асинхронного двигателя в пределах ее
устойчивой части.
При регулировании скорости этого двигателя следует различать два основных
режима: при постоянном тормозящем моменте и при постоянстве отдаваемой мощности.
В первом случае при регулировании потока Ф изменением тока возбуждения
(реостатом Гщ) уменьшение потока понижает э.д.с. Е^, им индуктируемую, и вращающий момент.
Согласно формуле (111) уменьшение э.д.с. вызывает увеличение силы тока /, и
возрастание вращающего момента, в результате чего восстанавли^ется равновесие моментов
при повышенной скорости п и возросшем токе якоря. Следовательно, увеличение скорости
двигателя посредством уменьшения тока возбуждения вызывает некоторую перегрузку
током цепи якоря.
Во втором случае, если постоянна мощность Р„, отдаваемая на валу, перегрузки
током нет, так как
f н = Л/вр(Ов
= СмФ/яА7'^^-=А:Ф/яА7.
где совр—угловая скорость вращения; к—постоянный коэффициент. При увеличении
скорости путем изменения тока возбуждения уменьшается поток Ф, но одновременно

возрастает скорость «, а ток якоря /^ не изменяется. Следовательно, регулирование по
мощности скорости путем .изменения возбуждения выгодно при Р„ = const.
Для регулирования скорости в очень широких пределах, в особенности приводов
большой мощности, применяется система Г—Д (генератор — двигатель). Подобная
система обычно выполняется в виде агрегата, состоящего из четырех машин (рис. 276).
Подключенный к сети асинхронный или синхронный двигатель АД вращает моишый i е-
нератор постоянного тока Г и небольшой генератор В параллельного возбуждения,
питающий обмотки возбуждения.
Якорь генератора Г замкнут непосредственно на якорь мощного двигателя У/,
вращающего приводное устройство. Скорость этого двигателя регулируется только
посредством воздействия на цепи возбуждения генератора (реостатом г^^ и двигателя
(реостатом г^ д). Безреостатный пуск двигателя осуществляется при понижении напряжения
генератора до достаточно малой величины. Реостат г^ рСнабжен двумя подвижными
контактами и включен по схеме потенциометра. Это дает возможность, изменяя направление
тока возбуждения, менять полярность зажимов генератора и таким путем изменять
направление вращения двигателя.
Существенные недостатки системы Г—Д: большие габариты, низкий к.п.д. и
большая инерционность регулирования.
В новейших установках систему Г—Д (генератор—двигатель) заменяют управляемые
кремниевые вентили — тиристоры. Такие установки занимают мало места, обладают
богтьшим быстродействием и их к. п. д. высок.
ДВИГАТЕЛИ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
Пл^ И СМЕШАННОГО
• 1^ ВОЗБУЖДЕНИЯ
При последовательном соединении якоря и обмотки возбуждения (рис. 277) главный
магнитный поток этого двигателя, пока магнитная цепь" машины не насыщена, меняется
пропорционально току якоря. Этот поток прямо пропорционален намагничивающей
силе обмотки возбуждения /^ w^ и обратно пропорционален магнитному сопротивлению
R^ магнитопровода машины.
Согласно закону Ома для магнитной цепи машины ее поток
ф=^.^«, (115)
где /^vVg — намагничивающая сила обмотки возбуждения; R^ — магнитное
сопротивление магнитопровода машины.
На основании формул (112) и (ИЗ), подставляя в них выражение потока (115),
получим уравнения скорости двигателя и его вращающего момента:
^^^liLbk^:^i>^ (116)
R м

277.
Схема соединений двигателя
последовательного возбуждения
278.
Механическая характеристика
двигателя последовательного
возбуждения
Мвр —См -~—
(117)
Как показывает последнее выражение, вращающий момент
двигателя, пока магнитопровод не насыщен, пропорционален
квадрату силы тока. Когда же достигается насыщение —
момент в дальнейшем возрастает почти пропорционально силе тока. Скорость
двигателя при возрастании нагрузки, пока не достигнуто насыщение магнитопровода,
убывает почти обратно пропорционально силе тока — двигатель имеет мягкую
механическую характеристику (рис. 278). При возрастании нагрузки сила тока увеличивается
относительно медленно и обратно пропорционально ей снижается скорость. Например,
при увеличении вдвое момента, приложенного к валу двигателя параллельного
возбуждения, его скорость лишь незначительно понизится, зато потребление тока более чем
удвоится (200%). При таком же изменении нагрузки двигателя последовательного возбуждения
его скорость понизится примерно на 30%, но потребление тока двигателя составит от
первоначального примерно 140%. Следовательно, двигатель последовательного возбуждения
может иметь значительные перегрузки, умеренно увеличивая потребление тока. Его
свойства особенно ценны для электрической тяги. Следует иметь в виду, что при уменьшении
нагрузки двигатель последовательного возбуждения медленно уменьшает потребление
тока, но быстро увеличивает скорость. Когда нагрузка уменьшается примерно до 25%
от номинальной, двигатель «разносит», т. е. его скорость становится такой большой,
что центробежные силы могут разрушить якорь двигателя. По этой причине при
номинальном напряжении нельзя пускать в ход двигатель с малой нагрузкой или ненагружен-
ный.
Иногда желательна некоторая промежуточная форма механической характеристики,
средняя между жесткой и мягкой. Такой характеристикой обладает двигатель смешанного^
возбуждения, называемый также компаундным. В таком двигателе одна из обмоток
(последовательная или параллельная) является основной, дающей не менее 70%
намагничивающей силы, вторая — дополнительной. В бол^инстве случаев они соединяются
согласно, т. е. так, что их намагничивающие силы складываются.
Если не учитывать влияния магнитного насыщения и рассматривать потоки двух
обмоток возбуждения существующими независимо, то на основании формул (113) и (117)
можно составить уравнение скорости такого двигателя:
_ и-1я(Гя+Гв.с) _ ^-/я(Гя-ЬГв.с)
СЕ(Фпосл+Фпар) ^ //яW
^ /'яИ^посл , ^ л

279.
Механическая характеристика двигателя
параллельно-последовательного возбуждения
При таком устройстве двигатель последовательно-параллельного возбуждения !
имеет мягкую характеристику, но не «разносит» (рис. 279) благодаря наличию
независящего от нагрузки потока Фдар-
В двигателях параллельно-последовательного возбу:нсдения небольшая обмотка по-'
следовательного возбуждения, компенсируя влияние реакции якоря, стабилизирует глав-!
ный магнитный поток и немного смягчает жесткую характеристику, создаваемую обмот-1
кой параллельного возбуждения. |
Для реверсирования двигателя смешанного возбуждения следует изменять направ- i
ление тока только в якоре. j
Контрольные вопросы
1. Из каких частей состоит машина постоянного тока?
2. Для чего служит коллектор в генераторе постоянного тока?
3. Для чего служит коллектор в двигателе постоянного тока?
4. Почему в современных машинах кольцевой якорь заменен барабанным?
5. Каковы функции дополнительных полюсов в машинах постоянного тока?
6. Что такое полюсное деление машины постоянного тока?
7. Почему при пуске двигателей постоянного тока необходим пусковой реостат?
8. Почему асинхронные двигатели в большинстве случаев можно пускать без пускового
реостата, а для двигателей постоянного тока он необходим?
9. Как реверсировать двигатель постоянного тока параллельного возбуждения?
10. Какие двигатели постоянного тока имеют жесткую механическую характеристику, а
какие — мягкую?
11. Как можно регулировать скорость двигателя параллельного возбуждения?
12. При каких условиях двигатель последовательного возбуждения «разносит»?
13. Для чего применяют смешанное возбуждение двигателей постоянного тока?

ГЛАВА f] /^ ПРОИЗВОДСТВО,
ПЕРЕДАЧА
И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ

13.1
ОБЩИЕ СХЕМЫ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Для индустриально развитой страны, такой, как Советский Союз, характерна
электрификация — широкое применение электрической энергии во всех областях производства
и в быту. Электрификацию обеспечивает система электроснабжения. Основными
энергетическими ресурсами страны в настоящее время служат природные запасы горючих
ископаемых и гидравлические ресурсы. Вблизи этих источников энергии в большинстве
случаев размещаются электрические станции. На них первичные виды энергии
преобразуются в электрическую энергию, вырабатываемую генераторами переменного тока
при напряжениях 6—35 кВ. Изготовление генераторов на более высокие напряжения
затруднительно и практически нецелесообразно. Но при таких напряжениях экономичная
передача электроэнергии возможна лишь близко расположенным потребителям. Для
передачи электроэнергии на более значительные расстояния — порядка сотен ки;юмет-
ров — нужны более высокие напряжения — порядка сотен тысяч вольт.
При данной мощности чем выше напряжение линии электропередачи (ЛЭП), тем
меньше должна быть сила тока, а вместе с ней уменьшается падение напряжения в линии
и потери энергии на нагревание проводов, если считать постоянной величиной сопро1ив-
ление линии. Таким образом, повышение напряжения линии передачи дает возможность
при тех же относительных потерях передавать электроэнергию на более дальние
расстояния. По этой причине стремятся применять для линий передач все более высокие
напряжения. В частности, планом девятой пятилетки намечено сооружение линий передач на
напряжение 1,5 млн. В. Применение таких сверхвысоких напряжений дает возможность
использовать в народном хозяйстве природные энергетические ресурсы, находящиеся
на больших расстояниях от промышленных центров; например, энергию нижнего течения
больших сибирских рек, впадающих в Северный Ледовитый океан.
Следует отметить, что с повышением напряжения непропорционально быстро
возрастают затраты на изолирующие устройства, в частности, на тяжелые гирлянды
изоляторов, нести которые должны высокие опоры, увеличиваются габариты и стоимость
трансформаторных подстанций, наконец, значительно возрастают и ежегодные расходы
на обслуживание и поддержание установок более высокого напряжения. Если увеличение
рабочего напряжения экономически не обосновано, то вызванные этим повышением
дополнительные затраты могут оказать существенно больше экономии, которую создаег
уменьшение потерь энергии на нагревание проводов.
При проектировании электроснабжения рабочее напряжение выбирается, с одной
стороны, в зависимости от стоимости соответствующего электротехнического
оборудования, а с другой стороны, в зависимости от стоимости в данном районе электрической 283

280.
Общая схема электроснабжения
энергии. Весьма приближенно для линий передач средней длины можно считать
экономически целесообразным напряжение 1 кВ на 1 км длины линии, например для линии
передачи длиной 200 км целесообразно применить рабочее напряжение 200 кВ. При выборе
напряжения необходимо учесть и то, что оно должно соответствовать шкале стандартных
напряжений.
Генераторы, работающие на электрических станциях {Г1—ГЗ, рис. 280), соединяются
с линиями передачи через повысительные трансформаторы, установленные на повыси-
тельной трансформаторной подстанции ТП. Длинными линиями электрическая энергия
передается в промышленные центры. Но линии передачи являются в системе электроснаб-
284 жения питательными линиями ПЛ; потребители энергии непосредственно к ним не под-

ключаются, так как напряжение этих линий для потребителей слишком высоко. Затем
затруднительно среди города устанавливать опоры линии передачи высокого
напряжения; последнее желательно понизить настолько, чтобы иметь возможность применить
относительно недорогие кабели, проложенные в земле (6—35 кВ). Поэтому напряжение
передачи электроэнергии на районных трансформаторных подстанциях (ТП) понижается
до 6—35 кВ. Эти подстанции построены на окраинах больших городов или на территории
больших заводов. От подстанщ1и начинаются распределительные сети. Их напряжение
(3—35 кВ) выбирают в зависимости от расстояния от районной ТП до потребителя.
Для снабжения групп потребителей относительно небольшой мощности часто служат
распределительные пункты (РП), где энергия распределяется между отдельными
потребителями, но не транс({ормируется.
Потребительские трансформаторные подстанции находятся в непосредственной
близости к потребителям. Их вторичное напряжение 220/127; 380/220 и 660/380 В (при схеме
распределения — звезда с нулевым проводом). Наибольшее распространение имеет
система 380/220 В. Во вторичную цепь потребительских ТП включаются лампы
электрического освещения (220 В), электродвигатели и т. п.
На пути от генератора до приемника электрическая энергия трансформируется
обычно 3—4 раза. Последний вариант (4 раза) применяют в тех случаях, когда напряжения
6 или 10 кВ недостаточны для распределения энергии по относительно большой площади,
а строить для небольших мощностей дорогие понизительные подстанции на 110—500 кВ
экономически нецелесообразно. По этим соображениям приходится вводить
промежуточное напряжение распределительной сети 35 кВ.
1^ ^ РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ
^^ ^ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Назначение электрической станции — выработка электрической энергии в больших
количествах, что осуществляется путем преобразования различных видов энергии в
электрическую.
В основном принято классифицировать электростанции в зависимости от вида
энергии, на них преобразуемой, в соответствии с чем они делятся на тепловые,
гидроэлектрические, атомные и-ветроэлектрические.
На тбпловых станциях первичными двигателями служат паровые турбины, газовые
турбины и двигатели внутреннего сгорания. В зависимости от формы выработки энергии
тепловые паротурбинные станции подразделяются^а конденсационные и
теплофикационные.
На конденсационных электрических станциях (КЭЦ) отработавший в турбине пар
направляется в конденсатор, где охлаждается, обращаясь в жидкость — конденсат. На такой
станции производственный цикл состоит из трех фаз: преобразования химической энергии
топлива в энергию пара в котле, преобразования энергии пара в механическую в турбине
и преобразования механической энергии в электрическую в генераторе. На рис. 281
показана схема устройства тепловой конденсационной станции. Ее к.п.д. сильно зависит от
давления и температуры пара. При давлении 130—170 атм и температуре 535—570° С он
составляет 25—30%. Повышение температуры и давления может повысить этот к.п.д.
Он относительно низок из-за низкого к.п.д. тепловой части.

Теплофикационные электроцентрали (ТЭЦ) вырабатывают одновременно тепловую
и электрическую энергии. Носителем первой служит пар, который ТЭЦ передают по
трубам на расстояние до 10—12 км для использования в быту (отопление, снабжение горячей
водой) и для нужд промышленности. В соответствии со своим назначением ТЭЦ строятся
вблизи или на окраинах больших городов. Благодаря использованию тепла пара,
отработавшего в турбине, ТЭЦ значительно экономичнее, чем конденсационные станции.
Их к.п.д. производства электроэнергии 40—50%, а к.п.д. производства тепловой энергии
может достигать 80^—85%. В СССР развитию ТЭЦ уделено большое внимание.
Тепловые электростанции с газовыми турбинами и двигателями внутреннего
сгорания играют малую роль в электроснабжении Советского Союза. Газовые турбины
являются новейшими тепловыми двигателями, по усовершенствованию которых ведется
большая исследовательская и конструкторская работа. При мощностях свыше 10 мВт
их к.п.д. достигает 34%. Весьма ценно, что газовую турбину можно пустить в ход в
течение нескольких минут, а для пуска мощной паровой турбины требуется более часа (на
прогрев и т. д). Двигатели внутреннего сгорания применяют на передвижных
электростанциях и на временных установках в период строительства промышленных
предприятий в безводных местностях, так как они не нуждаются в больших количествах
охлаждающей воды.
Крупные тепловые электростанции служат государственными районными
электрическими централями (ГРЭС).
Гидроэлектрические станции (ГЭС) преобразуют в электрическую энергию энергию
водных потоков. Первичными двигателями на этих станциях служат гидравлические
турбины, приводимые в движение потоком воды. Они вращают генераторы. ГЭС
является комплексом гидротехнических сооружений и электроэнергетического оборудования.
281.
Схема тепловой конденсационной электростанции

Плотина создает необходимый напор — разность уровней между участком реки выше
плотины (выше ГЭС) — это верхний бьеф и участком реки ниже плотины — нижним
бьефом. В зависимости от места плотины ГЭС подразделяются на приплотинные (рис. 282)
и деривационные (рис. 283). В приплотинных ГЭС здание, в котором размещаются
гидрогенераторы, строится вблизи плотины на берегу или же в самом теле плотины. У
деривационных ГЭС плотина перегораживает реку на некотором расстоянии от здания
станции, и вода подается в турбины через напорные водоводы.
Производственный процесс на гидроэлектростанции протекает в одном агрегате,
состоящем из гидравлической турбины, в которой энергия движения воды превращается
в механическую энергию, и из соединенного с турбиной генератора, в котором
механическая энергия преобразуется в электрическую, К.п.д. использования гидроэнергии
Л'**ЛтурЛген ♦
Он относительно высок, так как к.п.д. турбины т|^ур=86—94% и к.п.д. генератора т^^ен ="■
-85—98%.
Характерным для ГЭС является непостоянство стока воды в течение года, а
следовательно, располагаемой гидроэнергии. Для регулирования стока сооружают
искусственное водохранилище выше гидростанции по течению реки. Возможно регулирование
суточное — в часы малой нагрузки генераторов (например, ночью) вода накапливается
в водохранилище, в часы большой нагрузки накопленный запас воды расходуется.
Регулирование стока может быть годовым (накопление воды весной во время паводка) и даже
многолетним. Оно тем совершеннее, чем больше объем водохранилища. Вода из
водохранилища может использоваться для орошения засушливых территорий, а подъем воды,
282.
Схема приплотинной
гидроэлектростанции
гкдйв»<ди1ак>;'«<.>■« \'11.^.':-7>>г.«у^^'^дз!г-'~ч,*»лж^.1^-^1/л»>яг-Ч;а:;да^^

283.
Схема
деривационной
гидроэлектростанции
создаваемый плотиной вплоть до верховий реки, существенно улучшает условия для
судоходства. Однако при решении вопроса о строительстве ГЭС приходится учитывать то
обстоятельство, что затопление и подтопление водохранилищем ценных
сельскохозяйственных угодий может причинить существенный ущерб народному хозяйству. Плотина
значительно ухудшает условия рыбного хозяйства, а для обхода судов приходится строить
систему шлюзов.
К числу гидроэлектрических станций относятся также гидроаккумулирующие станции,
вода в водохранилище которых (в верхний бьеф) накачивается под действием энергии
других электростанций 1 часы их малой загруженности.
Наконец, следует упомянуть приливные ГЭС, работающие под напором морской воды
при приливах и отливах (Кислогубская ГЭС).
13.3
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ
288
Электрические сети в зависимости от рабочего напряжения делятся на сети до 1000 В,
обычно называемые сетями низшего напряжения (НН), и сети свыше 1000 В, называемые
сетями высшего напряжения (ВН). В свою очередь, ввиду существенного различия в
рабочих условиях вторую группу принято подразделять на сети напряжением до 35 кВ и сети
напряжением свыше 35 кВ.
Последние в большинстве случаев являются питающими линиями, т. е. они
соединяют источники электроэнергии с трансформаторными подстанциями (ТП) или с распре-

284.
Воздушная линия передачи на
штыревых изоляторах
285.
Воздушная линия передачи на
подвесных изоляторах
делительными пунктами (РП). Они передают энергию без распределения ее вдоль линии
отдельным потребителям. Сечение проводов питающих линий выбирают на основании
специального расчета, так как эти линии являются системами с распределенными
постоянными (в них индуктивность и емкость распределены вдоль линии). Диаметр
проводов таких линий часто приходится искусственно увеличивать, чтобы предупредить
возникновение местного пробоя у поверхности проводов — образования короны вокруг
проводов. Например, диаметр проводов линии напряжением 220 кВ должен быть не
менее 21,6 мм. Такое увеличение диаметра достигается применением полых или сталеалю-
миниевых проводов. Последние состоят из стальной сердцевины, на которую навиты в
два слоя алюминиевые проволоки. Стальная сердцевина придает проводам большую
механическую прочность.
Самыми простыми по устройству и дешевыми являются воздушные линии. Согласно
Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) эти линии прокладывают в тех случаях,
когда нет необходимости заменить их кабельными линиями.
Для воздушных линий передач допускаются только многопроволочные провода.
Их укрепляют на штыревых изоляторах (рис. 284) или на гирляндах подвесных изоля-.
юров (рис. 285). Опоры для воздушных линий применяют.деревянные из пропитанной
антисептиками сосны, железобетонные и металлические. Расстояние между опорами
тем больше, чем выше рабочее напряжение.
От влияния атмосферного электричества линии защищают заземленным тросом,
проложенным по вершинам опор. Сами металлические опоры тщательно заземляют.
Тем не менее при грозовых разрядах возможно возникновение в линии перенапряжений.
Для защиты от них линии снабжаются искровыми разрядниками, включаемыми между
линией и землей (заземлением). При возникновении опасного перенапряжения искровой

286.
Кабель с наполнением минеральным маслом:
/ - свинцовая оболочка, 2 — бумажная изоляция, S
медная жила, 4 — опорная стальная спираль, 5 - масляное
заполнение
промежуток в разряднике пробивается, и опасный заряд атмосферного электричества
отводится в землю.
Кабельные питающие линии возможно прокладывать вместо воздушных питающих
линий при напряжениях до 220 кВ включительно. Для таких линий применяют
специальные кабели с наполнением минеральным маслом под давлением (рис. 286) или
нейтральным газом. В маслонаполненном кабеле проволоки проводящей жилы охватывают полую
стальную спираль, внутри которой находится канал для масла. Это масло вытесняют из
бумажной изоляции, окружающей проводящую жилу, пузырьки влаги или воздуха.
Кабельная линия находится вне влияния атмосферного электричества, защищена от
внешних механических воздействий, относительно безопасна для населения и не занимает места
на поверхности земли. Но стоимость таких линий на напряжения 60 кВ и выше в несколько
раз больше стоимости воздушной линии. Они прокладываются лишь в тех случаях, когда
увеличение капитальных затрат на сооружение линии оправдывается специфическими
преимуществами кабельной линии.
Сети напряжением свыше 1000 В, но не более 35 кВ, являются распределительными
сетями высокого напряжения (ВН). Они соединяют подстанции энергосистемы
напряжением 110—510 кВ, служащие центрами питания (ЦП) с распределительными и
трансформаторными пунктами (ТП). Последние питают сети напряжения менее 1000 В. Для
сетей напряжением 1—35 кВ широко применяют кабели с бумажной изоляцией (рис. 287),
которые значительно дешевле и проще в эксплуатации маслонаполненных кабелей.
По совокупности подобных причин распределительные сети в городах в большинстве
случаев сооружаются в виде кабельных линий. Внутри помещений кабели
прокладываются под полом в каналах, но воспрещена прокладка кабелей под зданиями. В больших
городах электрические распределительные сети выполняются в специальных подземных
туннелях ^- коллекторах (рис. 288).
Распределительные сети низкого напряжения общего пользования выполняют по
трехфазной четырехпроводной системе напряжением 380/220 В. В помещениях для них
применяют установочные провода и шнуры, последние служат также для присоединения
различных потребителей электроэнергии — электродвигателей, бытовых
электроприборов, светильников и т. п. Токопроводящие жилы изолированных установочных проводов
изготовляют алюминиевыми или медными. Их делают многопроволочными при сечении
провода 16 мм и выше. Изоляцию провода в основном образует окружающая
проводящую жилу полихлорвиниловая или резиновая трубка. Пластикат полихлорвинила него-

287.
Кабель с бумажной
изоляцией
рюч, маслостоек, водостоек и не боится воздействия воздуха. Недостаток
полихлорвинила—малая морозостойкость (—35° С) и недостаточно высокая теплостойкость (65° С).
Провода с полихлорвиниловой изоляцией не нуждаются во внешней защитной оболочке.
Они предназначены для открытой прокладки, для прокладки под штукатуркой и в трубах.
Допустимое для этих проводов рабочее напряжение при переменном токе до 500 В, а при
постоянном—до 1000 В.
Резиновую трубку обычно изготовляют из вулканизированной резины. Последняя
химически воздействует на медь, поэтому для защиты от такого воздействия медная
жила облуживается. Для защиты от механических повреждений резиновой трубки провод
снабжается оплеткой из хлопчатобумажной или шелковой пряжи. Оплетка может быть
асфальтирована, чтобы сделать ее непроницаемой для воздуха. Вместо оплетки из пряжи
применяют также слой полихлорвинила толщиной 0,2—0,3 мм. Он защищает резиновую
изоляцию от света и от химических воздействий.
Широкое распространение получили ленточные установочные провода с
параллельным расположением двух или трех изолированных токопроводящих жил, отделенных
одна от другой ленточным основанием из полихлорвинила шириной 5 мм и толщиной
0,6 мм (рис. 289).
288.
Подземный
коллектор

289.
Установочный провод
Шнуры применяют для присоединения передвижных приемников электроэнергии:
ручных и настольных ламп, электроинструмента, паяльников, пылесосов и других бытовых
приборов. Шнур — это система из двух или трех гибких многопроволочных проводов,
изолированных порознь и соединенных механически. В последнее время выпускают
щнуры с изоляцией из поливинилового пластиката.
13.4
СХЕМЫ
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ
СЕТЕЙ
Схему сети выбирают исходя из требуемой надежности электроснабжения и технико-
экономических показателей. Надежность зависит oi конфигурации сети. В разомкнутых
сетях направление движения энергии строго определено. Они получают питание от одного
распределительного пункта, к которому энергию подводит питающая линия. В
замкнутых сетях система проводов соединяет между собой места потребления электроэнергии,
благодаря этому любой пункт потребления может получать энергию не менее чем с двух
сторон — этим достигается большая надежность электроснабжения. На рис. 290
приведены три простые схемы сетей низкого напряжения. Схема I — радиальная разомкнутая
нерезервируемая. Сх^ма П—петлевая разомкнутая резервируемая. При повреждении
линии предусмотрено ручное или автоматическое переключение питания. Схема П1 —
продольно замкнутая на стороне низкого напряжения через плавкий предохранитель;
при аварии этот предохранитель перегорает первым (селективно, т. е. избирательно),
отключая таким путем поврежденный участок.
Схемы распределительных сетей часто весьма сложны. Для упрощения трехлинейные
или двухлинейные схемы часто заменяют однолинейными. Простой пример такого
упрощения схемы показан на рис. 291. Ряд второстепенных деталей установки ка
однолинейных схемах обычно опускается. Фактическое число проводов линий на них иногда
показывается числом поперечных штрихов.
Монтажные схемы служат для осуществления и контроля установки непосредственно
на месте. Они составляются подобно многолинейным, но на них показывается
территориальное расположение элементов установки.

1)
I
i
Ш
шшштл
III)
290.
Схемы сетей низкого
нагфяжения
Линии низкого напряжения
Линия
высокого напряжения
птт
m
Линии низкого напряжения
Расчет сечения проводов сети низкого напряжения делается на основании
допустимых отклонений напряжения при изменении нагрузки. В жилых домах согласно ПУЭ
отклонения не должны превышать ±5%. Практически эти требования выполняются,
если потеря напряжения до наиболее удаленного от ТП приемника не превышает 5—6%.
Для трехфазных линий потеря напряжения определяется по формуле
б)
чт
Л kWh ^^
TV'
2л 2л
291.
Трехлинейная (а) и однолинейная (6) схемы электрических сетей

где Го — активное сопротивление единицы длины (1 км) линии; Хо= (л1^ — индуктивное
сопротивление на 1 км. Индуктивность Lq относительно мало меняется в практических
условиях и ориентировочно можно считать л:о=0,35—0,40 Ом/км, а индуктивным
сопротивлением внутренних проводок и кабелей можно пренебречь.
Сечение провода, рассчитанное по потере напряжения, следует округлять до
ближайшего стандартного сечения, а затем выбранное сечение и заданную силу тока нагрузки
необходимо сопоставить с таблицей допустимых нагрузок ПУЭ, т. е. убедиться, что оно
удовлетворяет условиям допустимого нагревания. Однако требования этих таблиц
оказываются основными для коротких проводок.
Согласно ПУЭ рекомендуется осветительные сети промышленных предприятий и
общественных зданий рассчитывать по условиям нагрева, т. е. выбирать по таблицам
допустимых нагрузок, а затем проверять расчет на потерю напряжения, и если эта потеря
превысит допустимую, то увеличивать сечение.
Распределительные сети рекомендуется рассчитывать лишь по условиям нагрева.
13.5
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА
И ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ
ПОДСТАНЦИИ
Назначение распределительных устройств (РУ) — прием и распределение
электрической энергии. Они подразделяются в зависимости от рабочего напряжения на РУ до
1000 В и РУ^свыше 1000 В. Их выполняют обычно закрытыми при рабочих напряжениях
до 20 кВ включительно и открытыми для более высоких напряжений (в особых случаях
применяют закрытые РУ на 35 и 110 кВ).
Не менее двух РУ должно быть на трансформаторной подстанции (ТП): одно для
низшего напряжения и второе для высшего напряжения, а на электростанциях может
быть несколько РУ.
Оборудование РУ составляют коммутационная аппаратура, защитные и
вспомогательные устройства, сборные шины и измерительные приборы.
Оборудование закрытых распределительных устройств (ЗРУ) размещается в здании.
При напряжениях до 1000 В отключающими аппаратами в РУ служат различные
выключатели. Их вместе с измерительной аппаратурой устанавливают на
распределительных щитах (рис. 292). РУ на 6—10 кВ'выполняют с применением комплектных
шкафов со встроенными в них аппаратами для коммутации, управления, измерения, защиты,
регулирования (шкафы КРУ). Эти шкафы устанавливают вдоль стен здания РУ (рис. 293).
Ширина прохода между ними рассчитана на возможность выкатки тележек с
выключателями из шкафов КРУ.
На рис. 294 показано устройство подобного шкафа. В нем выключатель и
аппаратура установлены на тележках, которые легко выкатить из шкафа. Аппаратура выкат-
ной части соединяется с остальной частью РУ врубающимися контактами. Таким обра-

292.

Распределительный щит
зом, КРУ состоит из стадионарной части (корпуса шкафа) и выдвижной — тележки.
Это упрощает взаимозаменяемость при аварии выкатных частей и облегчает ремонт и
эксплуатацию устройств. Для безопасного обслуживания и предотвращения ошибочных
операций в КРУ предусмотрен ряд блокировок. Невозможно вкатить тележку внутрь
шкафа при включенном выключателе, выкатить тележку из рабочего положения при
включенном выключателе, включить выключатель при промежуточных положениях тележки
и т. д.
В открытых распределительных устройствах аппаратура специально
приспосабливается для работы на открытом воздухе, но управление ею осуществляется из закрытого
помещения, где устанавливается пульт управления. В открытых РУ на 6—10 кВ
применяют металлические шкафы для наружной установки (КРУН).
293.
План закрытого распределительного устройства
295

Назначение трансформаторных подстанций ТП—соединение сетей различного,
напряжения. В зависимости от направления передачи энергии от обмотки низшего
напряжения к обмотке высшего напряжения или обратного они являются повышающими или
понижающими. Первые — повышающие ТП — в большинстве случаев соединяют
генераторы электростанции с линиями передачи, и мощность трансформаторов таких ТП
относительно часто весьма велика. Вторые — понижающие ТП — в зависимости от их
положения в сети и назначения подразделяются на районные и местного значения.
Районные ТП получают электроэнергию через питающие линии и снабжают ею большие
районы с коммунальными, промышленными, транспортными и другими крупными
потребителями электроэнергии. Первичное напряжение этих ТП 110, 220, 400 и 500 кВ, а
вторичное чаще всего 35 кВ. Но нередко они имеют два вторичных напряжения, например, кроме
35 кВ еще 10 кВ (см, рис. 280), для чего в подобных случаях на ТП устанавливаются трех-
обмоточные трансформаторы. В большинстве случаев к районным ТП подводится
несколько питающих линий, что способствует обеспечению бесперебойности
электроснабжения. Для поддержания в распределительных сетях нормального напряжения при
изменениях нагрузки на районных ТП устанавливают трансформаторы, у которых можно
регулировать под нагрузкой коэффициент трансформации.
294.
Шкаф комплектного
распределительного
устройства.

295.
Комплектная
трансформаторная подстанция
для внутренней
установки:
у — распределительное
устройство, 2 — силовой
трансформатор, 3 ~ вывод высокого напря>
жения, 4 — маслорасширигель
с вошухоосушителем
Крупные промышленные предприятия имеют понизительные главные ТП и понизи- |
тельные цеховые. Понизительные цеховые ТП питают один или несколько
расположенных вблизи от них цехов, а сами получают электроэнергию от главных ТП. Подобно
распределительным устройствам ТП выполняются для наружной и внутренней установок
в виде комплектных трансформаторных подстанций (КТП), т. е. их составляют
отдельные металлические шкафы со смонтированным в них на заводе-изготовителе комплектом
оборудования (рис. 295).
Контрольные вопросы
1. Какой вид электростанций в настоящее время является основным в электроэнергетике СССР? !
2. Чем отличается ТЭЦ от ГРЭС?
3. Каковы преимущества и недостатки гидроэлектрических станций с точки зрения народнохо- |
зяйственной? \
4. Строительству какого вида электростанций отдается предпочтение в решениях XXIV
съезда КПСС?
5. Как пострюена типовая схема современною электроснабжения?
6. В. каких случаях целесообразно прокладывать подземные кабельные линии?
7. ^^ем отличаются однолинейные схемы сетей от многолинейных?
8. Что такое распределительное устройство (КРУ)?

Глава
РЕЛЕ
И РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

14.1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
РЕЛЕ
В электротехнических установках реле* называется аппарат, состоящий из
воспринимающей и исполнительной частей. При определенном воздействии на воспринимающую
часть аппарата той или иной физической величины (силы тока в токовых реле, силы света
в фотореле, температуры в термореле и т. д.) реле срабатывает — его исполнительная
часть, воздействуя на управляемые цепи, производит в них скачкообразное изменение
тех или иных физических величин (силы тока, напряжения и т, д.). Таким образом,
посредством реле осуществляется скачкообразное изменение управляемой величины (например,
замыкание и размыкание цепи управляемого тока), в отличие от усилителей, которые
служат для непрерывного управления выходной величины. В большинстве случаев при
помощи реле малая мощность управляющей величины скачком изменяет режим
относительно мощной системы.
Основной общей характеристикой реле является характеристика управления (рис. 296),
которая выражает связь между воздействующей физической величиной, например, током /,
и управляемой величиной, например, напряжением U. Возрастание управляющей
величины /не вызывает изменения управляемой величины I/, пока управляющая величина
меньше определенного значения, называемого параметром срабатывания (для характеристики
рис. 296 это ток срабатывания /^р). Реле срабатывает в том случае, когда управляющая
величина достигает значения параметра срабатывания (в частности, /^.р); тогда
исполнительная часть реле выполняет скачкообразное изменение управляемой величины U
(включает электрическую цепь), которая достигает определенного значения U^. Но
дальнейшее возрастание управляющей величины / не изменяет управляемую величину U
(цепь остается замкнутой). Уменьшение управляющей величины / также не влияет на I/,
пока / остается больше определенного значения, называемого параметром возврата
(в частности, током возврата /^з). Когда же управляющая величина уменьшится до
значения /дз» то реле вновь срабатывает — под воздействием исполнительной части
управляемая величина скачком уменьшается до исходного значения Uq (например, реле
размыкает управляемую цепь).
* От французского слова relais — пункт
перегрузки, место смены лошадей.
296.
Характеристика управления реле:
и — управляемая величина, / — управляющая сила roKja | 700

14.2
релейная защита
в электроэнергетических установках релейная защита автоматически воздействует
на выключатели электрических установок при их повреждении (корютком замыкании
между токоведущими частями, замыкании на землю, недопустимом изменении
напряжения, изменении направления передачи энергии и т. д.). Она же сигнализирует о нарушении
нормального режима работы, выполняет повторное включение устройства
электроснабжения (например, трансформаторов и питающих линий), включает резервные источники
электрической энергии. Такую релейную защиту образует сложная совокупность
различных реле.
В зависимости от характера изменения управляющей величины, вызывающей
срабатывание, реле защиты электротехнических устройств разделяются на максимальные,
минимальные и дифференциальные. Срабатывание максимального реле происходит,
когда управляющая электрическая величина (чаще всего сила тока) достигает
определенного значения — выше /^р. Минимальное реле срабатывает, когда управляющая величина,
например напряжение, оказывается ниже определенного значения. Срабатывание
дифференциального реле происходит, когда достигает установленного значения разность
действия двух сопоставляемых однородных электрических величин.
Реле защиты по виду воздействующей величины подразделяются на реле тока,
напряжения, сопротивления (реагирующие на изменение соотношения между
напряжением и током) и направления мощности.
Важнейшие требования, предъявляемые к релейной защите, — быстрота действия,
селективность (избирательность), надежность и чувствительность. Быстрота действия
нужна, чтобы уменьшить размеры разрушений поврежденного устройства тепловым
действием тока, ослабить влияние понижения напряжения на работу приемников в
неповрежденной части сети и т. п. Селективность действия защиты заключается в том, что
реле отключают поврежденный участок от источников электроэнергии посредством
ближайших к этому участку выключателей. При таком отключении у минимального числа
приемников нарушается нормальное электроснабжение. Чувствительность защиты
обеспечивает срабатывание защиты в самом начале возникновения аварии. Защита должна
удовлетворять определенным для данных условий требованиям чувствительнбсти.
При аварии защита должна срабатывать безотказно — в этом заключается ее надежность.
Последняя зависит от сложности устройства и качества реле и соединенной с ними
аппаратуры. Для увеличения надежности защиты желательно применять минимальное
количество реле при возможно более простом взаимодействии между ними и аппаратурой.
В случае отказа (порчи основной защиты), если нужно обеспечить высокую надежность
работы установки, для отключения поврежденных участков применяют резервную
защиту.
Требования, предъявляемые к защите, в некоторых отношениях противоречивы.
Например, более грубый механизм надежнее, но он менее чувствителен.
Выдержка времени электрической аппаратуры — это строго определенный
промежуток времени между воздействием управляющей величины (например, тока перегрузки)
и моментом срабатывания аппарата, в частности реле. Выдержкой времени снабжаются
даже автоматические выключатели в распределительных сетях для того, чтобы прием-

297.
Схема цепей управляющего и оперативного токов
автоматической релейной защиты
НИКИ не отключались при кратковременных толчках
тока (при включении трансформаторов, мощных ламп
накаливания, электродвигателей и т. п.).
Выдержка времени может быть независимой или
зависимой от величины управляющего импульса (от
силы аварийного тока). Она создается естественными
инерционными свойствами механизмов и
специальными приспособлениями. Последние могут быть
встроены в само реле (реле с выдержкой времени)
или же выдержку создаег отдельное специальное реле
времени, составляющее часть системы релейной
'защиты.
Выдержка времени широко используется для
осуществления селективной защиты.
По способу воздействия на исполнительный
механизм принято различать реле прямого действия^
воздействующие непосредственно на выключатель
и другие исполнительные устройства, и реле косвенного действия, В последних контакты
исполнительной части коммутируют цепь оперативного (вспомогательного) тока, а под
действием этого тока срабатывает выключатель.
По способу включения в управляемую электрическую цепь реле делятся на
первичные и вторичные.
Первичные реле включаются непосредственно в защищаемую цепь. Но если
защищаемая цепь высокого напряжения, то затруднительно периодически проверять исправность
реле из-за опасности поражения током высокого напряжения.
Вторичные реле включаются через измерительные трансформаторы, что делает
безопасным контроль их состояния.
Обычно релейная защита состоит из двух групп электрических цепей. Первая группа —
это цепи управляющего (сигнального) тока, воздействующего на вход реле; ими являю гея
цепи переменного тока, соединяющие реле с источником информации о состоянии
защищаемого устройства. Вторая группа — это цепи оперативного тока, обеспечивающие
селективное срабатывание отключающих устройств в необходимой последовательности.
На рис. 297 вторичные обмотки трансформаторов тока, включенных в защищаемую
линию, являются источником управляющего тока для максимальных реле. Контакты
этих реле при срабатывании замыкают цепь постоянного оперативного тока, который
заставляет срабатывать соленоид, отключающий масляный выключатель. Применяют
источники оперативного тока, зависимые от режима защищаемой установки или же
независимые от этого режима. Оперативный ток может быть переменным или постоянным.
Последний получают посредством выпрямления переменного тока полупроводниковыми
выпрямителями; при этом учитывается, что при тех же габаритах электромагниты
постоянного тока развивают тяговую силу примерно в два раза болыиую, чем
электромагниты переменного тока.
Зависимыми источниками оперативного тока служат измерительные
трансформаторы напряжения и юка, а также специальные трансформаторы. В качестве независимых

источников тока на крупных и особенно ответственных объектах применяют
аккумуляторы. Почти независимым источником оперативного тока могут служить конденсаторы
емкостью 25—500 мкФ на напряжение 400 В. Они заряжаются во время нормальной ра-
брты установки от трансформаторов напряжения через полупроводниковые
выпрямители. При полном исчезновении напряжения в питающей сети переменного тока эти
конденсаторы обеспечивают срабатывание защиты.
14.3
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
РЕЛЕ
В реле применяют движущие механизмы самых различных систем. В качестве
примера рассмотрим схему устройства электромагнитного реле (рис. 298). Оно представляет
собой реле тока мгновенногв действия (т. е. без приспособлений для регулирования
выдержки времени). Его магнитопровод /, собранный из листовой электротехнической стали,
несет обмотку 2, по которой проходит управляющий ток. Подвижная часть состоит в
основном из Z-образного сердечника 3, установленного на оси между полюсами, и
подвижного контакта 5. Подвижную часть в исходном положении удерживает пружина 4;
при этом она прижимает сердечник 3 к упорному штифту. Если вращающий момент,
создаваемый управляющим током, обтекающим катушку 2, становится больше
противодействующего момента, создаваемого пружиной, то сердечник втягивается в поле
электромагнита и поворачивает подвижную часть, а подвижный контакт 5, укрепленный на
ней, замыкает неподвижные контакты 6 — реле срабатывает. Один конец пружины
закреплен на оси подвижной части, а второй конец соединен с поводком 7; поворачивая
последний, можно изменять затяжку пружины 4, тем самым меняя ток срабатывания
реле. Этот ток отсчитывается по положению на шкале*^ указателя, соединенного с
поводком 7. Реле снабжается иногда второй парой неподвижных контактов, которые
замыкаются контактом 5, пока подвижная
часть находится в нулевом положении,
и размыкаются при ее отклонении.
Описанное реле
быстродействующее, но его система контактов
рассчитана на замыкание цепи только малой
мощности. Следовательно, его можно
применять как реле косвенного
действия— оно должно своими
контактами замыкать управляющую цепь
промежуточного реле. В свою
очередь, при срабатывании последнего
его мощные исполнительные
контакты замыкает цепь значительного
оперативного тока, который отключает
выключатель.
Если необходимо создать
большую регулируемую выдержку
времени, то через быстродействующее
главное реле включается реле времени.
298.
Схема устройства
быстродействующего электромагнитного реле:
/ — магнитопровод, 2 — обмотка, 3 —
сердечник, 4 — пружина, 5 —
подвижный контакт, б — неподвижные
контакты, 7 — поводок, 8 — шкала указателя

14.4
ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕЛЕ
ВРЕМЕНИ И НАПРЯЖЕНИЯ.
ФОТОРЕЛЕ
В ряде случаев для получения выдержки времени целесч>образно вместо
механического устройства типа часового механизма применить электронное устройство без
движущихся частей. Основной частью такого устройства служит цепь заряда конденсатора С через
резистор г постоянным напряжением U (рис. 299). Зарядка конденсатора начинается с того
момента, когда замыкается ключ К. Его может замыкать, например, быстродействующее
максимальное электромагнитное реле. Конденсатор постепенно заряжается и его
напряжение растет, пока не достигнет значения напряжения срабатывания релейной системы,
подключенной к зажимам конденсатора. Когда напряжение конденсатора м^, пбстепенно
повышаясь, достигнет значения напряжения срабатывания релейной системы и^р, то
эта система срабатывает, ее исполнительная часть замыкает цепь оперативного тока и
происходит, например, отключение масляного выключателя. Таким образом, время
выдержки реле определяется скоростью повышения напряжения заряжаемого
конденсатора. Эта скорость зависит от постоянной времени т=-гС контура зарядки. По истечении
времени t^3rC напряжение конденсатора будет почти равно U{u^=0,95 (/). Точнее,
выдержка времени, создаваемая релейным устройсгвом, определяется по формуле
здесь (/^и — начальное напряжение конденсатора, если в начальный момент он не
разряжен полностью.
Для повторного срабатывания такого реле времени нужно на короткий срок
(порядка 0,3 с) отключить его от источника напряжения U.
Энергия, накапливаемая заряжаемой емкостью, относительно мала, поэтому в
качестве основы релейной системы применяют электронные или полупроводниковые
приборы, для срабатывания которых достаточно весьма малой мощности. В схеме рис. 300
для этой цели применен тиратрон Тир, а напряжение заряжаемого конденсатора подано
на его сет^у. При подаче на сетку напряжения U^^ тиратрон отпирается и его анодный
ток обтекает обмотку реле. Последнее замыкает цепь оперативного тока 1^„ (ключ К^)
и одновременно, замыкая ключ ^2> разряжает конденсатор.
Тиратрон можно заменить тиристором. В этом случае напряжение С/^р должно быть
подано на управляющий электрод тиристора.
Длительность выдержки времени регулируется путем изменения сопротивления
резистора, через который заряжается конденсатор С.
299.
Блок-схема
электронного реле времени (а)
и кривая зависимости
напряжения
конденсатора от времени (б)

300.
Схема электронного реле 301.
времени Схема фотореле
Релейная система, подключенная параллельно заряжаемому конденсатору, по су-
uxectey является реле напряжения, так как она срабатывает, когда напряжение
конденсатора достигнет заданной величины. Вообще в электронной технике основными
элементами — ключами простейших реле напряжения служат тиристор и тиратрон, так как они
отпираются при определенном значении управляющего напряжения. Но электронные
реле напряжения собираются и на транзисторах или на электронных лампах.
Фотоэлектронное реле срабатывает при изменении светового потока, падающего
на их входную часть — на фотоэлемент. Оно служит для автоматической сигнализации
и управления самыми различными процессами как на производстве, так и в быту. В
зависимости от выбора фотоэлемента и особенностей управляемого процесса такое фотореле
(как его часто называют) может быть очень простым без усилителя или с одним каскадом
усиления (рис. 301) или же содержать несколько каскадов усиления и управлять на выходе
магнитным или электромашинным усилителем.
Схемы фотореле делятся на схемы прямого действия, в которых ток на выходе
фотореле возрастает с увеличением светового потока, падающего на фотоэлемент, и схемы
обратного действия, в которых увеличение светового потока вызывает уменьшение силы
тока на выходе.
Контрольные вопросы
1. Какие аппараты называются реле?
2. Чем отличается реле от усилителя?
3. Каково назначение оперативного тока в устройствах релейной защиты?
4. Что такое селективная защита?
5. Для чего применяют выдержку времени в защитных устройствах?
•6. Каково назначение реле времени?
7. Нарисуйте блок-схему электронного реле времени.
8. Из каких частей состоит фотореле с фоторезистором?
9. Что такое характеристика управления реле?

Поправка
На стр. 2 строка 19 напечатано:
Цена 1 руб. Следует читать:
Цена 85 коп.
Зак. 819.

ГЛАВА 1.
ЦЕПИ
ПОСТОЯННОГО
ТОКА
ГЛАВА 2.
ЕМКОСТЬ
И ИЗОЛЯЦИЯ
ЭЛ ЕКТРОТЕ X Н И Ч Е-
СКИХ
УСТРОЙСТВ
ГЛАВА 3.
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
И
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
ГЛАВА 4.
ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
г
44
68
ГЛАВА 5.
ТРЕХФАЗНАЯ СИСТЕМА
ПЕРЕМЕННЫХ ТОКОВ
ГЛАВА 6.
ТРАНСФОРМАТОРЫ
104
118
1.1. Электрический ток, количество электричества и сила
тока
1.2. Напряженность, работа и напряжение
1.3. Сопротивление и проводимость
1.4. Потенциал и электродвижущая сила
1.5. Мощность электрического тока
1.6. Законы Кирхгофа. Параллельное и смешанное
соединения резисторов
1.7. Расчет проводов на потерю и отклонение напряжения
1.8. Нагревание проводников током и расчет проводов на
нагревание
1.9. Короткие замыкания и перегрузки. Тепловая защита
1.10. Электролиз
2.1. Напряженность и смещение в электрическом поле
2.2. Поток смещения
2.3. Электрическое поле простейших систем
2.4. Эквипотенциальные поверхности
2.5. Энергия электрического поля
2.6. Электрическоя емкость
2.7. Ко/1денсатрры
2.8. Электроизоляционные материалы
3.1. Магнитное поле электрического тока
3.2. Системы магнитных единиц
3.3. Диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные
вещества
3.4. Закон полного тока
3.5. Закон Ома для магнитной цепи
3.6. Расчет магнитной цепи
3.7. Воздействие магнитного поля на проводник, несущий ток
3.8. Электромагнитная индукция и принцип Ленца
3.9. Электродвижущая сила, индуктируемая в катушке и по-
токосцепление
3.10. Индуктивность и явления самоиндукции
3.11. Энергия магнитного поля
3.12. Взаимная индуктивность
3.13. Вихревые токи
4.1. Основные определения
4.2. Синусоидальный ток
43- Источники переменного тока
4.4 Действующие значения переменных тока и напряжения
4.5. Векторное изображение переменных токов и напряжений
4.6. Простейшие цепи переменного тока
4.7. Последовательное соединен'ие приемников переменного
тока
4.8. Мгновенная и активная мощности переменного тока
4.9. Поверхностый эффект
4.10. Резонанс напряжений
4.11. Проводимости переменного тока
4.12. Параллельное соединение приемников переменного тока
4.13. Активная, реактивная и полная мощности переменного
тока
4.14. Резонанс токов и повышение коэффициента мощности
4.15. Комплексный (символический) метод
4.16. Комплексная мощность
4.17. Несинусоидальные периодические токи
5.1. Общие принципы построения многофазных систем
5.2. Элементы трехфазной сист;:мы
5.3. Соединение звездой
5.4. Соединение треугольником
5.5. Мощность трехфазной системы и ее измерение
5.6. Расчет трехфазной цепи при симметричной нагрузке
6.1. Принцип действия и устройство трансформатора
6.2. Потери в стали при переменном намагничивании
6.3. Расчет тока холостого хода
6.4. Магнитные потоки рассеяния
6.5. Напряжения, намагничивак>щие силы и токи в
нагруженном трансформаторе
6.6. Векторная диаграмма нагруженного трансформатора
6.7. Опыт короткого замыкания трансформатора
6.8. Особенности устройства и работы трехфазных
трансформаторов
6.9. Группы соединений обмоток трансформаторов
6.10. Автотрансформаторы
7
11
13
U
18
19
23
25
27
29
33
3$
36
37
38
39
41
42
45
46
47
51
S3
54
55
57
59
60
63
64
66
69
70
73
74
75
77
01
84
85
87
90
92
94
9S
97
100
100
105
106
108
111
113
115
119
123
124
126
128
130
132
133
13S
137

ГЛАВА 7. 140
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ПРИБОРЫ
ГЛАВА 8.
ЭЛЕКТРОННЫЕ
И ИОННЫЕ ПРИБОРЫ
ГЛАВА 9.
ЭЛЕКТРОННЫЕ
ВЫПРЯМИТЕЛИ.
УСИЛИТЕЛИ
И ГЕНЕРАТОРЫ
ГЛАВА 10.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
И ЭЛЕКТРОИЗМЕРИ-
ТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
158
184
200
ГЛАВА 11.
АСИНХРОННЫЕ
И СИНХРОННЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ГЛАВА 12.
МАШИНЫ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
236
258
ГЛАВА 13.
ПРОИЗВОДСТВО,
ПЕРЕДАЧА
И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ
ГЛАВА 14. РЕЛЕ
И РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
282
298
7.1.
7.2.
7.3.
7.4.
7.5.
7.6.
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
8.6.
8.7.
8.8.
9.1.
9.2.
9.3.
9.4.
9.5.
9.6.
10.1.
10.2.
10.3.
10.4.
10.5.
10.6.
10.7.
10.8.
10.9,
10.10.
10.11.
10.12.
10.13.
11.1.
11.2.
11.3.
11.4.
11.5.
11.6.
11.7.
11.8.
11.9.
11.10.
12.1.
12.2.
12.3.
12.4.
12.5.
12.6.
12.7,
12,8.
12.9.
12.10.
12.11,
ПМ.
13.1.
13.2.
13.3.
13.4.
13.5.
14.1.
14,2.
14.3.
14.4.
Электронная и дырочная проводииост'и
Принесная электронная проводимость
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый триод (транзистор)
Полупроводниковый управляемый вентиль-тиристор
Полупроводниковые фотоэлементы
Особенности электронных и ионных приборов
Электронная эмиссия
Устройство, характеристики и параметры диода
Устройство» характеристика и параметры триода
Многоэлектродные лампы
Электроннолучевые трубки
Ионные приборы
Вакуумные 4*<>'*'0"1^'1сн'>'Ь1
Назначение и схемы выпрямителей
Общий принцип действия и классификация электронных
усилителей
Обратная связь в усилителях
Транзисторные усилители
Ламповые усилители
Электронные генераторы
Значение электрических измерений
Меры и измерительные приборы
Методы измерений
Погрешности измерений и классы точности
Общие узлы стрелочных электроизмерительных
приборов
Механизмы электроизмерительных приборов
Шунты и добавочные сопротивления
Измерение мощности
Измерение электрической энергии
Логометры
Измерение сопротивлений. Омметры
Принципы электрических измерений неэлектрических
величин
Измерительные трансформаторы
Вращающееся магнитное поле
Асинхронное и синхронное вращения
Устройство асинхронного двигателя
Принцип действия асинхронного двигателя
Электродвижущие силы и токи статора и ротора
Механическая мощность
Вращающий момент и его зависимость от скольжения
Рабочие характеристики и к.п.д. двигателя
Пуск в ход двигателей. Фазный ротор
Синхронные машины
Устройство MOLUHH постоянного тока
Принцип действия коллектора
Обмотки якоря
Электродвижущая сила якоря
Электромагнитный момент
Коммутация и реакция якоря
Классификация moiuhh постоянного тока по способу
возбуждения главного магнитного поля
Генератор независимого возбуждения
Генераторы параллельного, последовательного и
смешанного возбуждения
Режим двигателя
Двигатель параллельного возбуждения
Двигатели последовательного и смешанного возбуждения
Общие схемы электроснабжения
Различные виды электростанций
Электрические сети
Схемы распределительных сетей
Распределительные устройства
подстанции
и трансформаторные
Общая характеристика реле
Релейная защита
Электромагнитные реле
Электронные реле времени и напряжения. Фотореле
141
142
144
148
151
1S3
159
161
из
167
170
172
176
181
18S
188
190
191
193
197
201
202
202
203
207
211
220
222
223
22S
227
229
231
237
239
240
242
244
24S
247
249
251
253
259
261
263
264
266
267
269
271
273
27S
277
279
283
285
288
292
299
300
302
304

8S коп.