Основы электротехники для локомотивных бригад - Зорохович А.Е., Крылов С.К.

Автор: Зорохович А.Е. Крылов С.К.

Теги: электротехника электрооборудование железнодорожный транспорт локомотивы трансжеледоиздат

Год: 1957

Текст

к •

- *

А.Е. ЗОРОХОВИЧ, 6. К. КРЫЛОВ

г •:

. ж
и»

основы

ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

у*

для локомотивных

•V

БРИГАД

I \

ИЛ' л* Ж*1" V

1 Л *

;• У

гсЛ? л .

*•

А.Е ЗОРОХОВИЧ, С. К. КРЫЛОВ

2-2

ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
для локомотивных
БРИГАД

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ТРАНСПОРТНОЕ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

М о а в в а 1957
В книге приведены основные сведения по электро-
технике постоянного и переменноготока, электрическим
машинам и применению их на электровозах и теплово-
зах; также кратко описаны электронные, ионные
приборы, аппараты управления, электроизмеритель-
ные приборы, электротехнические материалы и изло-
жены принципы чтения электрических схем.

Редактор панд, техн, наук Л. В. ГУТ КИН

Той" ПУБЛИЧНАЯ
.А. ЧЛО-ТЕХНИЧЕСН

№5%
ПРЕДИСЛОВИЕ

Электротехникой называется наука о применении электри-
ческой! энергии в различных областях техники.

Широкое внедрение электрической энергии в промышленность,
транспорт и сельское хозяйство произвело коренной перево-
рот в технике производства и позволило добиться мощного техни-
ческого прогресса.

На основе применения электричества оказалось возможным
решить вопрос о передаче энергии на дальние расстояния Эго
дало возможность строить мощные электростанции в местах сосре-
доточения запасов топлива и на берегах больших рек и выработан-
ную ими электрическую энергию передавать по проводам па фаб-
рики, заводы, в города и сёла. На основе применения электричества
было обеспечено внедрение механического привода во все отрасли
техники. На смену старым типам двигателей: ветряным, паро-
вым и пр., пришли надёжные компактные электрические двига-
тели, которые в настоящее время используются во всех отраслях
народного хозяйства.

Применение электричества позволило осуществить новые виды
производственных процессов (электросварку, электрический на-
грев, производство высококачественных сталей, электрохимическоз
получение цветных металлов и химических веществ и пр.).

Подлинный переворот произвело применение электричества
в технике освещения и в различных средствах связи. После появле-
ния электрических ламп все другие способы освещения были пол-
ностью вытеснены. На смену старым способам связи: почтовой
и др., пришли телеграф, телефон, радио и телевидение.

Электротехника развивалась усилиями многих величайших
учёных. Нет, пожалуй, ни одного крупнейшего физика с мировым
именем, который не внёс бы свой вклад в развитие электротехники.
Особенно большую роль в развитии электротехники, как и многих
других отраслей науки, сыграли наши отечественные учёные и изо-
бретатели М. В. Ломоносов, Э. X. Ленц, В. В. Петров, Б. С. Якоби,
Д. А. Лачинов, П. Н. Яблочков, М. О. Доливо-Добровольский
А. С. Попов и др,

Электрическая энергия является основой современной техни-
ки. Основатель Коммунистической партии и Советского государ-
ства В. И. Ленин придавал важное значение внедрению электри-
ческой энергии в народное хозяйство.
Указания В. И. Ленина об электрификации страны, о создании
и всемерном развитии крупной машинной индустрии положены в
основу политики нашей партии по построению коммунистического
общества.

За годы советской власти энергетика и электромашиностроение
в нашей стране развивались бурными темпами, и в настоящее
время Советский Союз занял по производству электроэнергии
второе место в мире. Выдающимся достижением отечественной
техники является строительство грандиозных гидроэлектростанций
на Днепре, Волге, Ангаре и Енисее и создание промышленных
электростанций, работающих на атомной энергии.

Электрическая энергия является также мощным техническим
средством ускорения технологического процесса на железнодорож-
ном транспорте, обеспечения ритмичности и бесперебойности его
работы.

Наиболее экономичным видом тяги на железнодорожном транс-
порте является электрическая.Общий коэффициент полезного дей-
ствия (к. п. д.) системы электрической тяги достигает 15 — 37%,
в то время как средний эксплуатационный к. и. д. паровоза не
превышает 4%. Следовательно, 1 кг топлива, сожжённого на
электрической станции, при электротяге производит в 4 — 9 раз
больше работы, чем 1 кг топлива, сожжённого в топке паро-
воза.

Опытом установлено, что провозная способность железнодорож-
ных линий после перевода их на электрическую тягу возрастает
в 1,5 — 2 раза, а себестоимость перевозок на железпых дорогах
при этом уменьшается на 25 — 30% по сравнению с паровой
тягой.

Перспективным видом является и тепловозная тяга, в которой
также используются электрические машины и различная аппара-
тура для передачи энергии от теплового двигателя (дизеля или
газовой турбины) к движущим колёсным парам.

Современное железнодорожное хозяйство не мыслится без
широкого применения автоматической блокировки, автоматиче-
ской локомотивной сигнализации, диспетчерской централизации,
электрической централизации стрелок и сигналов и других уст-
ройств СЦБ и связи, обеспечивающих безопасность движения по-
ездов и ускорение их продвижения по участкам. Все эти уст-
ройства СЦБ и связи основаны на использовании электрической
энергии.

Директивами XX съезда КПСС по шестому пятилетнему плану
предусматривается широкое развёртывание электрификации
железных дорог Советского Союза, а также внедрение тепловоз-
ной тяги. В шестом пятилетии намечается электрификация 8 100 км
железнодорожных линий, т. е. в 3,6 раза больше, чем за пятое пяти-
летие. Транспорт должен получить 2 000 электровозов и 2 250 ма-
гистральных тепловозов.

Техническая реконструкция тяги, осуществляемая на основе
широкого применения электровозов и тепловозов, резко повысит
роль этих локомотивов в общем грузообороте. Так, уже в 1960 г.
электровозами и тепловозами должно быть выполнено 40 — 45%
всех перевозок.

Широкое внедрение электрической и тепловозной тяги обеспечит
значительное повышение веса поездов и скорости их движения и, сле-
довательно, явится важнейшим фактором повышения пропускной н
провозной способности наших железных дорог.

Учитывая огромное народнохозяйственное значение электрифи-
кации железных дорог, Центральный комитет Коммунистической
партии Советского Союза в феврале 1956 г. принял генеральный
план электрификации железных дорог. Этим планом предусматри-
вается в течение ближайших 15 лет электрифицировать 40 000 км
железнодорожных линий на важнейших грузонапряжённых на-
правлениях, горных дорогах, магистралях с интенсивным пасса-
жирским движением, а также пригородные участки крупных
промышленных центров.

Для осуществления намеченных мероприятий по широкому
внедрению электровозной и тепловозной тяги требуются кадры,
освоившие в совершенстве устройство и работу прогрессивных ло-
комотивов—электровозов и тепловозов. Для этой цели расширяется
сеть учебных заведений по подготовке и переподготовке паровоз-
ных машинистов в электровозные и тепловозные.

Изучение весьма сложных конструкций электровозов и тепло-
возов, их аппаратуры, электрических схем требует знаний в области
электротехники. В помощь этим учащимся и предназначена на-
стоящая книга, освещающая основы электротехники и применение
её в устройствах электровозов и тепловозов.

Расположение материала в книге несколько отличается от
общепринятого в учебниках электротехники. Так, вслед за
электрическими цепями постоянного тока рассматриваются элек-
трические машины постоянного тока, а затем основные законы и
машины переменного тока. Такая последовательность изложения
материала соответствует программе Главного управления учебны-
ми заведениями МПС по электротехнике для технических школ
машинистов и помощников машинистов электровозов и тепловозов.

Изложение основ электротехники и электрических машин в книге
иллюстрируется примерами, относящимися к работе электрического
оборудования, установленного на электроподвижном составе и
тепловозах. Для лучшего усвоения основных законов электротех-
ники в соответствующих главах книги приведены числовые примеры.
Каждая глава сопровождается контрольными вопросами.

Все пожелания и замечания читателей по книге просьба направ-
лять по адресу: Москва, Б-174, Басманный тупик, 6а, Трансжел-
дориздат.
ГЛАВА I

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

1. Основные сведения о строении вещества и физической
природе электричества

Чтобы понять работу электрических аппаратов» приборов и
машин, надо знать, что такое электрический ток, откуда в природе
берётся электричество, где и как оно возникает.

Ответить на эти вопросы помогает нам знание строения вещест-
ва, из которого состоят окружающие нас предметы.

Строение молекул. ЛАир веществ многообразен. Стол изготовлен
из дерева, машины — из стали, меди и других металлов, дома
построены из кирпича, бетона и т. д. Все эти вещества имеют
различные вес, цвет, прочность и другие свойства, отличающие
их от остальных веществ. Эти свойства сохраняются при деле-
нии веществ до мельчайших частиц, называемых молекулами.

Почему молекулы одних веществ отличаются по своим свойст-
вам от молекул других веществ? Оказывается, это зависит от того,
как устроены сами молекулы. Ещё в древности учёные обнаружили,
что молекулы состоят из ещё более мелких частиц — атомов.
Б природе имеется около 100 различных видов атомов, которые
этличаются между собой весом и химическими свойствами. Каждый
химический элемент— водород, гелий, кислород, углерод, железо,
медь, алюминий, золото, радий, уран и пр. — состоит из одинако-
вых атомов определённого вида. Молекулы различных по своим
свойствам пзществ—стали, стекла, дерева и др.—состоят из раз-
ных атомов; в некоторых случаях они отличаются друг от друга
количеством атомов, входящих в молекулу, и их взаимным рас-
положением.

Так, например, атомы твёрдых веществ расположены в про-
странстве в определённом порядке. Поэтому каждое твёрдое тело в от-
личие от жидкостей и газов имеет определённую форму. Если на-
рушается порядок расположения атомов, то при этом изменяются
и свойства вещества.

Таким образом, свойства различных веществ зависят от того, из
каких атомов опи состоят и как эти атомы расположены в молекуле.

Строение атомов. Строение атома весьма сложно. Упрощенно
атом можно представить в виде ядра, окружённого оболочкой
(фиг. 1). Оболочка образот ана из постоянно движущихся с чрезч
б
вычайно большой скоростью мельчайших частиц — электронов»
ядро — из протонов и нейтронов.Атомы настолько малы, что их
нельзя увидеть даже в самый сильный микроскоп.

В разных атомах содержится различное количество протоков,

нейтронов и электронов,
около 350 таких частиц.

Ядро и электроны
в сотни тысяч раз мень-
ше, чем сам атом.

Наиболее тяжёлые атомы насчитывают

Фиг. 1. Атом гелия

Фиг. 2. Аюм кислорода

• Злектцо^

Электроны располагаются вокруг ядра несколькими слоями
на очень большом по сравнению со своими размерами расстоянии.
Так, например, атомы водорода и гелия (см. фиг. 1) имеют один
электронный слой, атомы углерода и кислорода (фиг. 2) — два слоя
и атомы радия и урана — семь слоев.

Что же удерживает электроны в атоме? Почему они, находясь на
значительном расстоянии от ядра, не улетают, а движутся вокруг
него? Причина в том, что у ядер и электронов есть электрический
заряд.

Электрические заряды бывают двух родов — положительные,
обозначаемые знаком плюс ( 4- ), и отрицательные, обозначаемые
знаком минус ( — ).

Протоны обладают положительным зарядом, электроны — от-
рицательным. Заряды протона и электрона равны между собой.
Нейтроны не имеют электрического заряда, т. е. являются нейт-
ральными частицами.

Наукой установлено, что при взаимодействии электрических
зарядов между ними возникают силы притяжения или отталкивания.
Эти силы носят название электрических сил.

Одноимённые заряды создают силы отталкивания (фиг. 3, а и б),
разноимённые — силы притяжения (фиг. 3, в). Силы притяжения,
действующие между отрицательно заряженными электронами и по-
ложительно заряженным ядром, удерживают электроны в атоме и
заставляют их двигаться вокруг ядра.
Эти электрические силы определяют и размеры атомов. При
очень тесном сближении двух атомов возникают огромные силы
отталкивания между их электронами. Они препятствуют дальней-
шему сближению и определяют объём, занимаемый атомом; внутрь
этого объёма не может проникнуть другой атом.

Что же удерживает одноимённо заряженные протоны в ядре
атома? Почему ядро не разлетается в результате действия электри-

Силы отталкивания

ческих сил отталкивания, воз-
никающих между его прото-
нами? Оказывается, что между
составными частицами ядра
(протонами и нейтронами) дей-
ствуют также огромные силы

взаимного притяжения, назы-
ваемые ядерными силами. Эти
силы значительно больше сил
взаимного отталкивания между
одноимёнными электрическими
зарядами протонов. Поэтому
ядра атомов большинства хими-

ческих элементов разделить на
части очень трудно.

Существуют, однако, и такие
вещества (радий, уран, плуто-
ний и др.), ядра атомов кото-

Фиг. 3. Схема взаимодействия элект- рых постепенно и самопроиз-
рических зарядов вольно распадаются с выделе-

нием энергии. Эта энергия уно-
сится в пространство в виде излучений. Такие вещества назы-
ваются радиоактивными.

Так их назвали потому, что явление радиоактивности впервые
было обнаружено у химического элемента, названного радием.

Энергию, выделяющуюся при самопроизвольных, а также выз-
ванных искусственным путём превращениях ядер атомов, называют
атомной энергией.

Несмотря на то,что все атомы состоят из электрически заряжен-
ных частиц, мы не наблюдаем электрических сил притяжения и от-

талкивания между окружающими нас телами.

Это происходит потому, что общий отрицательный заряд всех
электронов в атоме равен положительному заряду ядра, и атом
в целом электрически нейтрален. Поэтому и тело, состоящее из ато-
мов, не обладает электрическим зарядом и не проявляет электри-
ческих свойств.

Так как атом в целом нейтрален, то различные атомы отличают-
ся между собой не только числом электронов, но и строением

ядер.

Чем больше электронов в оболочке атома, тем больше должно
быть протонов в его ядре.
Заряд ядра зависит от числа положительных частиц — прото-
нов. Масса ядра атома (его вес) зависит от числа протонов и
нейтронов.

В природе существует несколько видов атомов, имеющих оди-
наковый заряд ядра, но разную массу. Это означает, что атомы таких
элементов содержат одинаковое число протонов, но различное число
нейтронов. Такие атомы получили название изотопов. Радиоактив-
ные изотопы, которые нашли сейчас широкое применение в нау-
ке и технике, можно получать искусственным путём в так назы-
ваемых реакторах и ускорителях.

Физическая природа электричества. Зная строение вещества,
можно ответить на вопрос, поставленный в самом начале этой главы:
где и как возникает электричество?

Впервые люди узнали об электричестве в Греции две с поло-
виной тысячи лет назад. Они натирали янтарь шерстью, при
этом янтарь становился заряженным и притягивал к себе лёгкие
предметы. Нормально каждый атом янтаря нейтрален, но при
натирании его шерстью часть электронов отрывается от атомов
шерсти и переходит к атомам янтаря. Молекулы янтаря, получив-
шие один или несколько электронов, перестают уже быть нейтраль-
ными. Положительный заряд ядер в таких молекулах меньше, чем
отрицательный заряд электронов.

Янтарь по-гречески называется «электрон». Так родилось слово
«электричество».

Таким образом, при определённых условиях атомы могут те-
рять электроны или приобретать их от соседних атомов. В' этом
случае они перестают быть нейтральными, так как равновесие их
электрических зарядов нарушается.

Атомы, потерявшие часть своих электронов, становятся положи-
тельно заряженными и называются положительными ионами.
Атомы, получившие избыточные электроны, становятся отрицатель-
но заряженными и называются отрицательными ионами.

Процесс превращения нейтральных атомов в электрически за-
ряженные частицы — ионы — называют ионизацией.

Если в каком-либо теле накопятся электроны или положитель-
ные либо отрицательные ионы, то говорят, что в теле накопилось
электричество. Такое тело становится электрически заряженным
и приобретает электрические свойства. Эти свойства есть, по сути
дела, проявление электрических сил, действующих между элек-
тронами и ядрами атомов.

Сообщая телу электроны, мы тем самым придаём ему отрицатель-
ный заряд. При потере электронов тело приобретает положитель-
ный заряд. Движение электронов или положительных либо отрица-
тельных ионов от одного тела к другому мы называем электриче-
ским током.

За единицу электрического заряда в физике принято считать
заряд электрона. В этих единицах измеряют количество электри-
чества, запасённого в атомах разных веществ.
Однако заряд электрона очень мал, поэтому им практически
неудобно измерять количество электричества, проходящего по
электрическим проводам или поступающего в различные электри-
ческие устройства.

В практической электротехнике электрические заряды, т. е. ко-
личество электричества, принято измерять в кулонах (к). Один кулон
больше заряда электрона в несколько миллиардов миллиардов раз
(точнее в 6,29-Ю18 раз). Если по проводу прошло 6,29 млрд. млрд,
электронов, то говорят, что по проводу прошло количество
электричества в 1 кулон.

2. Электрическое поле

Физическая природа электрического поля и его графическое
изображение. Опытами установлено, что вокруг любой электричес-
ки заряженной частицы (электрического заряда) существует осо-
бый вид материи, обладающей запасом электрической энергии.
Этот вид материи в учении об электричестве принято называть
электрическим полем.

Фиг. 4. Простейшие электрические ноля:

а—одиночны* положительного и отрицательного зарядов; б—двух
разноимённых зарядов; в—двух одноимённых зарядов; а—дзух па-
раллельных и разноимённо заряженных пластин (однородное поле)

Электрическое поле обладает запасом электрической энергии.
Эта энергия проявляется в виде электрических сил, которые дейст-
вуют на находящиеся в поле заряженные тела.
Наблюдать электрическое поле непосредственно нельзя; поэ-
тому его условно изображают в виде электрических силовых линий.
Эти линии показывают направления действия электрических сил,
создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сто-
рону, в которую двигалась бы в электрическом поле положительно
заряженная частица. Как показано на фиг. 4, электрические сило-

вые линии расходятся в
разные стороны от поло-
жительно заряженных тел
и сходятся у тел, обла-
дающих отрицательным
зарядом. Поле, созданное
двумя плоскими разноимён-
но заряженными пласти-
нами (фиг. 4, г), назы-
вается однородным.

Напряжённость поля.
Электрическое поле дей-
ствует на внесённый в
него заряд д (фиг. 5) с не-
которой силой Г, которая
зависит от величины этого
заряда и интенсивности
поля.

Следовательно, об ин-

Фиг. 5. Электрическое поле действует на
внесённый в него электрический заряд д
с некоторой силой Р

тенсивности электрическо-

го поля можно судить по величине силы, с которой притяги-
вается или отталкивается некоторый электрический заряд, при-

нятый за единицу.

В электротехнике интенсивность поля характеризуют величи-
ной напряжённости электрического поля Е. Под напряжённостью
понимают отношение силы Л, действующей на заряженное тело

в данной точке поля, к величине заряда д этого тела

(1)

Поле с большой напряжённостью Е изображается графически
силовыми линиями большей густоты; поле с малой напряжён-
ностью—редко расположенными силовыми линиями.

Из рассмотрения фиг. 4 видно, что напряжённость поля в раз-
личных его точках различна. По мере удаления от заряженно-
го тела силовые линии электрического поля располагаются реже,
т. е. напряжённость поля уменьшается. Только в однородном элек-
трическом поле (фиг. 4, г) напряжённость одинакова во всех
точках поля.

Напряжённость поля, созданного электрическим зарядом (2
(см. фиг. 5), зависит от электрических свойств среды, в которой
создаётся электрическое поле, и от расстояния г между зарядом
и интересующей нас точкой Б поля. Эта зависимость выражается
формулой

Здесь е—постоянная величина, характеризующая электрические
свойства среды, в которой создаётся поле; она называется
относительной диэлектрической проницаемостью.

Относительная диэлектрическая проницаемость пустоты
(вакуума) принята за единицу. Для всех других веществ она больше
единицы. Так, например, диэлектрическая проницаемость резины
больше, чем вакуума, почти в 3 раза, фарфора в 6 раз, слюды —
в 4 — 8 раз, стекла — в 7 — 8 раз, а дистиллированной воды —
в 80 раз.

Следовательно, относительная диэлектрическая проницаемость
среды показывает, во сколько раз уменьшается величина электри-
ческих сил, которые создаёт поле в какой-либо реальной среде
(воздухе, фарфоре, стекле и пр.), по сравнению с пустотой.

Существуют вещества и со значительно большей диэлектриче-
ской проницаемостью; такова, например, сегнетова соль и титанат
бария (химическое соединение редкого металла титана с барием),
относительная диэлектрическая проницаемость которых равна
нескольким тысячам. В настоящее время учёные усиленно иссле-
дуют эти вещества, и предвидится много интересных применений их
в науке и технике.

3. Электрический потенциал и напряжение

Энергия электрического поля. Электрическое поле обладает
определённым запасом энергии, т. е. способностью совершать ра-
боту. Такую же энергию можно накопить, например, в пружине,
для чего её нужно сжать или растянуть.

За счёт запасённой в пружине энергии можно получить опре-
делённую работу. Если освободить один из концов пружины, то
он сможет переместить на некоторое расстояние связанное с этим
концом тело.

Точно так же энергия электрического поля может быть реали-
зована, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил
поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых
линий, совершая определённую работу.

Электрический потенциал. Для того чтобы характеризовать
энергию, запасённую в каждой точке электрического поля, введено
специальное понятие — электрический потенциал.

Электрический потенциал данной точки поля равен работе,
которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы
положительного заряда из этой точки поля за его пределы.

Разность электрических потенциалов двух точек поля харак-
теризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемеще-
12
ние единичного заряда из одной точки поля с большим потенциалом
в другую точку с меньшим потенциалом.

Понятие электрического потенциала аналогично понятию уровня
для различных точек земной поверхности (фиг. 6).

Очевидно, что для подъёма локомотива в точку Б нужно затра-
тить большую работу, чем для подъёма его в точку /1. Поэтому
локомотив, поднятый на уровень /72, при спуске сможет совершить

Фиг. 6. Разность потенциалов в электрическом поле аналогична разности
уровней в поле земного тяготения

большую работу, чем локомотив, поднятый на уровень Нг. За нуле-
вой уровень, от которого производится отсчет высоты, принимают
обычно уровень моря (говорят, например, что данная местность
находится на высоте 200 м над уровнем моря). Точно так же за нуле-

вой потенциал условно при-
нимают потенциал, который
имеет поверхность земли.

Электрическое напряже-
ние. Различные точки элек-
трического поля обладают
разными потенциалами. Обыч-
но нас мало интересует
абсолютная величина потен-
циалов отдельных точек
электрического поля, но нам
весьма важно знать разность
потенциалов между двумя
точками поля, например, меж-
ду точками А и Б (фиг. 7),
так как от этой величины за-

Фиг. 7. Разность потенциалов и между
точками А и Б электрического поля
определяет работу, которую следует за-
тратить для перемещения заряда д меж-
ду этими точками

висит работа, которую следует затратить для перемещения заря-
да 7 из одной точки в другую.

Точно так же нас на практике мало интересуют абсолютные
высоты Нг и Н2 точек Л и Б над уровнем моря (см. фиг. 6); но
для нас очень важно знать разность уровней Н. между этими точ-
ками, так как на подъём локомотива из точки Л в точку Б надо
затратить работу, зависящую от величины Н.
Разность электрических потенциалов между двумя точками
поля носит название электрического напряжения. Электрическое
напряжение обозначается буквой С/ и численно равно отношению
работы А, которую нужно затратить на перемещение заряда д
из одной точки поля в другую, к величине этого заряда, т. е.

и = — (3)

Следовательно, напряжение С7, действующее между различными
точками электрического поля, характеризует запасённую в этом
поле энергию, которая может быть отдана путём перемещения меж-
ду этими точками электрических зарядов.

Электрическое напряжение—важнейшая электрическая величина,
позволяющая вычислять работу и мощность, развиваемую при пере-
мещении зарядов в электрическом поле. Единицей электрического
напряжения служит вольт (в).

Напряжённость электрического поля может быть также выра-
жена в виде отношения электрического напряжения, действую-
щего между двумя точками поля, к расстоянию I между этими
точками

Из этой формулы вытекает, что напряжённость электрического
поля измеряется в вольтах на единицу длины, например, на метр
(в/м).

4. Электрический ток в металлических проводниках

Физическая природа электрического тока. Все гела в зависи-
мости от электрических свойств делятся на три группы: провод-
ники, диэлектрики (изоляторы) и полупроводники. Характерной
особенностью проводников является возможность свободного пере-
мещения внутри тела электрически заряженных частиц материи
(электронов и ионов). Существует два рода проводников: провод-
ники первого рода — металлы и проводники второго рода — вод-
ные растворы кислот, солей, щелочей и оснований, называемые
электролитами.

Рассмотрим, каким образом металлы становятся проводниками
электрического тока.

В металлах, как и в других твёрдых телах, атомы расположены
в определённом порядке, образуя так называемую пространствен-
ную кристаллическую решётку (фиг. 8). Силы, действующие между
атомами, удерживают каждый из них на своём месте и они со-
вершают лишь небольшие колебания около своего среднего поло-
жения. Поэтому твёрдое тело, в отличие от жидкостей и газов, имеет
определённую форму.

Однако электроны, расположенные на внешних орбитах атомов
металлов, сравнительно слабо связаны с их ядрами. Поэтому они

и
свободно перемещаются между атомами, переходя из сферы дей-
ствия одного атома в сферу действия другого и заполняя прост-
ранство между ними наподобие газа. Эти электроны принято на-
зывать свободными.

Фиг. 8. Атомы в металлах расположены в определённом порядке,
образуя пространственную криоаллическую решётку

Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного
движения (фиг. 9) и не создают отрицательного заряда ни на одном
конце проводника. Однако, если внести металлический проводник
в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил

О-* -Электроны

6’1 - Положительные
ионы

Фиг. 9. В металлических проводниках часть электронов отрывается
от своих ядер и превращается в свободные электроны, которые
находятся в состоянии беспорядочного движения, заполняя
пространство между атомами

поля начнут перемещаться в сторону положительного заряда
(фиг. 10), создавая электрический ток.

Таким образом, электрическим током в металлических про-
водниках называется упорядоченное (направленное) движение
электронов.
За единицу электрического тока принят 1 ампер (а). Это
такой ток, при котором через поперечное сечение проводника
каждую секунду проходит количество электричества равное 1
кулону (фиг. 11).

Направление движения электронов

Принятое направление
____________тока

6-*- -Злектроны

Фйг. 10. Электрический ток — упорядоченное движение
свободных электронов

Ток иногда измеряют тысячными долями ампера — миллиам-
перами (ма) или миллионными долями ампера — микроамперами
(мка); в формулах ток обозначается буквой / или I.

При внесении проводника
в электрическое поле, соз-

Фиг. 11. При токе в 1 а через по-

перечное сечение проводника в 1 сек
проходит 6,29-1018 электронов

данное, например, двумя пла-/
стинами А и Б (фиг. 12),
электрический ток будет про-
текать по проводнику лишь
очень короткое время. Объяс-
няется это тем, что имеющие-

ся в проводнике свободные
электроны, перемещаясь по
направлению к положительно
заряженной пластине, соз-
дадут на левом конце провод-
ника (где возникает избыток
электронов) отрицательный за-
ряд, а на правом конце (где
будет недостаток электронов)'
собственное,

положительный заряд. Эти заряды образуют своё

внутреннее электрическое поле, направленное против поля пла-
стин. Поэтому электрический ток будет протекать по проводнику
лишь до тех пор, пока действие внутреннего электрического поля
не уравновесит действие внешнего поля.

Весь этот процесс протекает очень быстро, в малые доли секунды.
Обычно при внесении металлического проводника в электрическое
поле не успевают заметить пробегающий по нему мгновенный ток.
Обнаруживают лишь его результат — появление зарядов; этот
процесс носит название электризации металла влиянием.
пластине. Эти электроны устремятся

Фиг. 12. Электрическое поле заряжен-
ных пластин заставляет свободные элект-
роны перемещаться по металлическому
проводнику по направлению к положи-
тельно заряженной пластине

Если две заряженные пластины (см. фиг. 12) сдвинуть так,
чтобы они касались расположенного между ними стержня, то послед-
ний послужит проводником для электронов, имеющихся в избытке
на отрицательно заряженной
по металлическому стержню
к положительной пластине,
т. е. по стержню потечёт элект-
рический ток. Протекание
тока будет продолжаться до
тех пор, пока обе пластины не
станут нейтральными и не
разрядятся.

Электродвижущая сила.
Можно, однако, обеспечить и
непрерывное движение элект-
ронов по проводнику, т. е.
непрерывное протекание элек-
трического тока. Для этого
надо каким-то образом воз-
вращать электроны обратно
на отрицательную пластину;
другими словами, поддержи*
вать постоянными заряды двух

разноимённо заряженных тел, соединённых проводником. Это озна-
чает, что для протекания постоянного тока по металлическому
проводнику необходимо всё время обеспечивать на его концах раз-
ность потенциалов, или напряжение.

Фиг. 13. Истопник электрической энергии обеспечивает непрерывное про-
хождение тока по замкнутой электрической цепи подобно тому, как насос
обеспечивает протекание воды по замкнутому трубопроводу

Для этой цели применяются устройства, называемые источ-
никами электрической энергии.

Источник электрической энергии и проводник, соединяющий его

Я Заказ 1216

Ч'
зажимы, образуют замкнутую электрическую пепь, по которой
будет непрерывно проходить электрический ток (фиг. 13).

Причину, вызывающую упорядоченное движение электронов по
электрической цепи, называют электродвижущей силой (э. д. с.).
Она поддерживает разность потенциалов, или напряжение, на за-
жимах источника электрического тока.

За единицу электродвижущей силы, так же как и напряжения,
принят вольт (<?). В технике напряжение и э. д. с. иногда измеряют
в тысячных долях вольта — милливольтах (иге) и миллионных до-
лях вольта—микровольтах (мкв). Для измерения высоких напря-
жений пользуются более крупными единицами—киловольтами (ко) —
тысячами вольт.

Направление тока. В электрической цепи электроны движутся
от отрицательного полюса источника тока к положительному; по-
этому следовало бы считать, что электрический ток идёт от ми-
нуса ( — ) к плюсу ( +).

Однако до объяснения электрических явлений с точки зрения
электронной теории, когда природа электрического тока не была
достаточно изучена, полагали, что ток идёт от положительного
полюса источника к отрицательному.

Чтобы не менять этого установленного и прочно вошедшего
в практику положения, решили сохранить такую условность и счи-
тать, что ток идёт от плюса к минусу, как показано на фиг. 13.
В действительности же в металлических проводниках ток прохо-
дит в обратном направлении.

Скорость протекания тока. Электрическое поле распространяется
в пространстве с огромной скоростью—300 000 км/сек, т. е. со
скоростью распространения света. С такой же скоростью рас-
пространяется и электрический ток в проводнике. Однако каж-
дый отдельный электрон движется в среднем по проводнику со
скоростью нескольких миллиметров или сантиметров в секунду1.

Чем же объяснить тогда громадную скорость распространения
электрического тока? Причина в том, что каждый электрон находит-
ся в общем электронном потоке, заполняющем проводник, и при
прохождении электрического тока испытывает непрерывное воз-
действие со стороны соседних электронов. Поэтому хотя сам элек-
трон движется медленно, скорость передачи движения от одного
электрона к другому (скорость распространения электрической
энергии) будет огромна.

В этом отношении движение электрического тока по проводам
аналогично движению воды но трубам. Действительно, в момент
открытия водопроводного крана вода сразу же начинает вытекать
из трубы, несмотря на незначительную скорость движения отдель-
ных водяных частичек. Так и при включении рубильника на электро-
станции практически мгновенно появляется ток в каждом участке

1 Эта скорость зависит от напряжённости электрического поля, под
действием которого перемещается электрон.
электрической цепи целого города, несмотря на незначительную
скорость движения отдельных электронов.

5. Электрическое сопротивление

Физическая природа электрического сопротивления. При дви-
жении свободных электронов в проводнике они сталкиваются на
своём пути с атомами и молекулами вещества, из которого выполнен
проводник, и передают им часть своей энергии. При этом энергия
движущихся электронов в результате столкновения их с атомами
и молекулами частично выделяется и рассеивается в виде тепла,
нагревающего проводник.

Ввиду того что электроны, сталкиваясь с частицами провод-
ника, преодолевают некоторое сопротивление движению, принято
говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением.

Если сопротивление проводника мало,— он сравнительно
слабо нагревается током, если же сопротивление велико, — про-
водник может раскалиться. Провода, подводящие ток к электриче-
ской плитке, почти не нагреваются, так как сопротивление их мало,
а спираль плитки, обладающая большим сопротивлением, раскаляет-
ся докрасна. Ещё сильнее нагревается нить электрической лампочки.

За единицу сопротивления принят ом. Сопротивлением в 1 ом
обладает столбик ртути при 0°С длиной 106,3 см, имеющий попереч-
ное сечение, равное 1 мм2. На практике часто сопротивления изме-
ряют тысячами ом—килоомами (ком) или миллионами ом—мегома-
ми (мгом). В формулах сопротивление обозначается буквой Я или г.

Проводимость. Всякий проводник можно характеризовать не
только его сопротивлением, но и так называемой проводимостью—
способностью проводить электрический ток. Проводимость есть

величина, обратная сопротивлению,
цей проводимости принято считать
обозначают буквой О или

Электропроводность различных

т. е. она равна Едини-

1 л. Н

; в формулах проводимость
материалов. Атомы разных

металлов оказывают движению электрического тока неодинаковое
сопротивление; поэтому различные металлы обладают неодинако-
вой электропроводностью.

Наиболее высокой электропроводностью обладают серебро и
медь, так как их атомная структура позволяет легко передвигаться
свободным электронам, затем следуют золото, хром, алюминий, мар-
ганец, вольфрам и т. д. Плохо проводят ток железо, ртуть.

О способности отдельных металлов и сплавов проводить электри-
ческий ток можно судить по их удельному электрическому сопро-
тивлению р, т. е. сопротивлению проводников длиной 1 м и сечением
1 мм2. Например, удельное сопротивление серебра при 20°С со-
ставляет 0,016 -°МММ , меди—0,0175 — алюминия—0,029°Лиш2.

м м м

Л . л о 0МММ2
стали —0,134-0,3------•

м
Серебро — металл дорогой и в электротехнике используется
сравнительно мало, медь же применяется для изготовления прово-
дов, кабелей и других электротехнических изделий в громадных
количествах. Электропроводность алюминия в 1,7 раза меньше,
чем меди, и поэтому алюминий применяется несколько реже,
чем медь.

Чистые металлы всегда прогодят электрический ток лучше,
чем их сплавы. Это объясняется тем, что атомы элементов, состав-

Фиг. 14. Проводники разной длины и сече-
ния оказывают различное сопротивление
электрическому току. Если ток идёт по
тонким и длинным проводам, нить лампочки
накаливается слабо, если провода имеют
малую длину и достаточно большое сече-
ние, нить накаливается ярко

ляющих примеси, вклини-
ваются в кристаллическую
решётку металла и нару-
шают её правильную струк-
туру. В результате кри-
сталлическая решётка ста7
новится более серьёзной
преградой для электрон-
ного потока.

Поэтому в электротех-
нике используют преиму-
щественно очень чистую
медь, содержащую только
0,05% примесей. И, на-
оборот, в тех случаях,
когда необходим материал
с высоким сопротивле-
нием— для различных на-
гревательных приборов и
пр., — применяют спе-
циальные сплавы: констан-
тан (удельное сопротив-

- к ~ - 0МММ2\
• ление 0,4 — 0,5 --—-1 ,

м }
нихром (удельное сопро-

. . оммм2 ч ,
тивление 1,1- —),фех-

раль

ление

(удельное сопротив-
, . оммм2 .

1,4 —-—) и пр.

лт

Следует отметить, что в технике, кроме металлических про-
водников, используются и неметаллические проводники. К таким
проводникам относится, например, уголь, из которого изготов-
ляют щётки электрических машин, электроды для прожекторов
и пр.

Проводниками электрического тока являются толща земли,
живые ткани растений, животных и человека. Проводят электри-
ческий ток сыроэ дерево и многие другие изоляционные материа-
лы во влажном состоянии.
Величина сопротивления. Кроме материала проводника, на
величину его сопротивления оказывает влияние поперечное сече-
ние 5.

В этом отношении электрическое сопротивление подобно со-
противлению, оказываемому движению воды в трубе, которое за-
висит от площади сечения трубы (фиг. 14). Наконец, величина
сопротивления зависит от длины проводника /, так как чем длин-
нее проводник, тем большее число столкновений с атомами и мо-
лекулами испытывают движущиеся электроны.

Сопротивление любого проводника может быть определено по
формуле

/? - р 5 .

(5)

Для того чтобы получить сопротивление проводника в омах,
длину его надо подставлять в формулу (5) в метрах, а площадь
поперечного сечения в квадратных миллиметрах.

Пример 1. Определить сопротивление медного провода длиной 100 м и
площадью поперечного сечения 2 лш2. Удельное сопротивление меди
л л 1 -те ОМММ-

0,0175

Решение. По формуле (5) получаем:

I 100

К = = 0,0175 — = 0,875 ом.

Зависимость сопротивления от температуры. Электропровод-
ность металлических проводников зависит от их температуры.

При нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристал-
лической решётке металла увеличиваются, вследствие чего воз-
растает и сопротивление, которое они оказывают электронному
потоку.

При охлаждении происходит обратное явление: беспорядочное
колебательное движение атомов в узлах кристаллической решётки
уменьшается, сопротивление их потоку электронов понижается
и электропроводность проводника возрастает.

Исследуя свойства металлов при глубоком (очень сильном)
охлаждении, учёные обнаружили замечательное явление: вблизи
абсолютного нуля (—273,16е) некоторые металлы полностью утра-
чивают электрическое сопротивление. Они становятся «идеальными
проводниками», способными длительное время пропускать ток по
замкнутой цепи без всякого воздействия источника тока. Это явле-
ние названо сверхпроводимостью. Оно наблюдается у алюминия,
цинка, олова, свинца и некоторых других металлов.

В природе, однако, имеются некоторые сплавы, у которых
в определённом интервале температур электрическое сопротивле-
ние меняется сравнительно мало* К таким сплавам относятся кон-
стантан, манганин и др. Подобные сплавы применяются в технике
для изготовления различных дополнительных сопротивлений, ис-
пользуемых в электроизмерительных приборах и в некоторых
аппаратах для компенсации влияния температуры на их рабогу
(см. главы IX и XI).

О степени изменения сопротивления проводников при изме-
нении температуры судят по так называемому температурному
коэффициенту сопротивления а. Этот коэффициент показывает,
какую долю составляет изменение сопротивления проводника от
начальной его величины при изменении температуры на ГС;
значение а для меди и алюминия равно 0,004, для константана —
0,000005.

Сопротивление металлического проводника при любой тем-
пературе I можно определить по формуле

[1 + (6)

где 7?0—сопротивление проводника при некоторой начальной тем-
пературе /0 (например, при температуре 4~ 20° С), которое
может быть подсчитано по формуле (5);

I — ?0 — изменение температуры.

Пример 2. Определить сопротивление медного контактного провода
длиной 10 км и сечением 100 мм- при 20 и при 50°С.

Решение. По формуле (5) при 20°С имеем:

I 10 000

= Р 7 = 0,0175 ♦ ~[оу = 1.75 ом.

По формуле (6) при 50е С

Я/ = #0 [1 4- а (/ — /0)] = 1,75 [1 + 0,004 (50 - 20)] =1,96 ом.

Свойство металлических проводников увеличивать своё сопро-
тивление при нагревании часто используется в современной тех-
нике для измерения температуры. Так, например, при испытаниях
тяговых двигателей после ремонта температуру нагрева их обмо-
ток определяют путём измерения их сопротивления до работы и
после работы под нагрузкой в течение установленного периода
времени (обычно в течение 1 часа).

Пример 3. Сопротивление обмоток тепловозного тягового двигателя
ДК-304Б при температуре 4-20°С было равно 0,0182 ом; после работы дви-
гателя в течение часа сопротивление обмоюк возросло до 0,024 ом. Опре-
делить, до какой температуры нагрелись обмотки двигателя (обмотки вы-
полнены из медною провода а = 0,004).

Решение. Из формулы (6) находим:

, . 0,024 — 0,0182

‘ — 'о— аЦа ~ 0,004 • 0,0182 “ '

так как начальная температура равна 20й, то обмотки двигателя нагре-
лись до температуры I = 20 + 80 = 100°С.

По такому же принципу устроены так называемые термометры
сопротивления, которые выполнены в виде топких проволочек,
закладываемых в различные части машин, нагревательных устройств
и пр. По изменению сопротивления этих проволочек судят об из-
менении температуры частей машин и устройств в процессе работы.
22
6. Диэлектрики (изолирующие вещества)

В некоторых веществах все электроны прочно удерживаются
вблизи своих ядер и количество свободных электронов или иоиов
у них ничтожно. Такие вещества называются непроводниками,

Асфальтированная
бумажная ткань

Лужёные
медные Жилы

Хлопчатобумажная
ткань{„ чулок"}

Вулканизированная

резина

Фарфоровый
ролик

Фарфоровый
изолятор

Фиг. 15. Провода изолируются от окружающих предметов
хлопчатобумажными тканями и нитями, резиной и пр.;
а-шнур с резиновой изоляцией—двухжильный, марки ШР; б-про-
вод медный с резиновой изоляцией, марки ПР

диэлектриками, или изоляторами; к ним относятся газы, в том чис-
ле и воздух, некоторые жидкости (минеральные масла, лаки), а так-
же фарфор, стекло, слюда, резина, парафин, эбонит и пр.

Лучшим диэлектриком (изолятором) является пустота (вакуум).

Применение диэлектриков в технике. Диэлектрики нашли ши-
рокое применение в электротехнических установках для изоляции
проводов (фиг. 15) и токоведущих частей от утечек тока, а также

Фиг. 16. Во избежание утечки тока в местах крепления проводников
к опорам проводники прикрепляются к ним при помощи изоляторов:
а—опорный изолятор для крепления пантографа на крыше электровоза или мо-
торного вагона; о—подвесной изолятор для крепления контактного провода
к опорам контактной сети

для предотвращения опасности поражения током людей. В качестве
изолирующих материалов применяют бумагу, пропитанную различ-
ными маслами и смолами, хлопчатобумажные и шёлковые нити
и ткани, резину, проклеенную лаком, слюду и другие изоляторы
(см. главу XIII).

При прохождении электрического тока по неизолированным про-
водникам роль изолирующей оболочки выполняет воздух.

Для предотвращения утечек тока через места крепления проводов
и других токоведущих частей к стенам зданий или к специальным
опорам применяют изоляторы из фарфора (фиг. 16).

Чем выше напряжение, под которым работает электрическая
установка, тем более толстой и высококачественной должна быть

Фиг. 17. Электрические кабели и провода, находя-
щиеся под высоким напряжением, имеют несколько
изолирующих слоёв;

а—трёхжильпый силовой высоковольтный кабель марки СБ;
б—высоковольтный монтажный провод для подвижного
состава марки ПС

изоляция токоведущих деталей. Так, например, кабели и прово-
да высокого напряжения имеют несколько изолирующих слоёв
(фиг. 17). В некоторых случаях кабели снабжают свинцовыми
оболочками, предотвращающими проникновение влаги к изоляции,
и наружной броней из стальных лент для защиты электрической
изоляции от механических повреждений.

Различные электроизолирующие материалы широко используют-
ся в электрических машинах и электрической аппаратуре тепло-
24
возов и электровозов для изоляции их обмоток, электрических
контактов, тркопроводягцих деталей и пр. от корпусов машин
и аппаратов и опорных деталей (см. главы IV, VIII и XI).

Поляризация диэлектриков. При внесении диэлектрика
в электрическое поле, например, между двумя разноимённо заря-
женными пластинами Л и Б (фиг 18,а) происходит смещение положи-
тельно заряженных ядер атомов в сторону действия силовых линий
поля (по направлению к отрицательной пластине Б), а электрон-
ных оболочек в противоположную сторону.

В результате этого электрически нейтральные молекулы ди-
электрика поляризуются, т. е. все положительные заряды, входящие

Направление поля

Фиг. 18. В электрическом поле происходит взаимное смещение
ядер атомов диэлектрика и их электронных оболочек. При этом
молекулы диэлектрика поляризуются, т. е. смещаются электри-
ческие заряды, входящие в состав каждой молекулы

в состав молекул, смещаются в направлении действия сил поля,
а все отрицательные заряды — в противоположном направлении
(фиг. 18, б).

В таком поляризованном состоянии молекулы находятся всё
время, пока диэлектрик расположен в электрическом поле. Если
напряжённость электрического поля не слишком велика, то поло-
жительные и отрицательные заряды молекул полностью разойтись
не могут, так как электроны будут удерживаться в атомах и молеку-
лах диэлектрика внутриатомными и внутримолекулярными силами.

В момент смещения электрических зарядов в молекулах ди-
электрика в нём возникает так называемый ток смещения. Однако,
в отличие оттока в проводнике, он образуется не за счёт перемещения
свободных электронов от одного атома к другому, а благодаря сме-
щению электронов внутри атомов. Ток смещения появляется при
внесении диэлектрика в электрическое поле и удалении его из зоны
действия поля или же при изменении интенсивности (напряжён-
ности) поля При неизменяюшемся электрическом поле ток сме-
щения в диэлектрике возникнуть не может.
Пробой диэлектриков. Следует отметить, что любой диэлектрик
обладает некоторой электропроводностью, но она чрезвычайно
мала, так как при обычных условиях в диэлектрике невозможно
создать достаточно большой поток электронов.

Однако при некоторых условиях, например, в сильном электри-
ческом поле, происходит расщепление молекул диэлектрика на

Фиг. 19. В сильном элект-
рическом поле при высо-
ком напряжении происхо-
дит пробой диэлектрика;
воздух, являющийся хоро-
шим изолятором, становит-
ся проводником

ионы, и вещество, которое при отсут-
ствии электрического поля или в слабом
поле было диэлектриком, становится
проводником. Происходит, как говорят,
«пробой» диэлектрика (фиг. 19).

Подобный пробой воздуха происхо-
дит, например, во время грозы, когда
между облаком и землёй возникает боль-
шая разность потенциалов, вызываю-
щая ионизацию молекул воздуха и обра-
зование электрического разряда — мол-
нии, которая представляет собой ги-
гантскую электрическую искру (фиг. 20).
Так как молния несёт с собой очень
большой электрический заряд, то при
попадании в контактную сеть электри-
ческих железных дорог и в электровозы
она может причинить большие повреж-
дения. Для предупреждения этого на
электровозах и на тяговых подстанциях
устанавливают специальную защитную
аппаратуру, так называемые разряд-
ники, а контактную сеть защищают мол-
ниеотводами. Эти устройства отводят
в землю атмосферные электрические за-
ряды, попавшие на защищаемые объекты.

Жидкие диэлектрики и газы после
пробоя полностью восстанавливают свои
изоляционные свойства. Пробой же

твёрдых диэлектриков сопровождается их механическим повреж-
дением, вследствие чего твёрдый диэлектрик может выйти из строя
после одного единственного пробоя.

Напряжённость электрического поля, при которой начинается
ионизация молекул диэлектрика, называется пробивной напря-
жённостью. Опа характеризует электрическую прочность диэлек-
трика, т. е. способность его выдерживать высокие напряжения.
Пробивная напряжённость сухого незапылённого воздуха состав-
ляет примерно 30 кв/см, пропитанной лаком хлопчатобумажной
ленты 40 — 50 кв/см, электрокартона 80 —100 кв/'см, фарфора
60 —150 кв!см, слюды 800 — 2 000 кв/см.

Величина напряжённости электрического поля, которая до-
пускается в изолирующем материале при его использовании в
2$
электрической установке, обычно в несколько раз меньше про-
бивной.

Испытание электрической прочности изоляции обязательно для
любой электротехнической установки при выпуске её с завода или
из ремонта. Оно заключается в создании в изоляции требуемой
напряженности путём подачи определённого напряжения между
токоведущими частями установки и корпусом. Подобным испыта-
ниям подвергаются, в частности, все электрические машины и
аппаратура электровозов и тепловозов.

Фиг. 20. Молния представляет собой явление пробоя воздуха под влиянием
электрическою поля, созданного электрическими зарядами в облаке

Напряжение, при котором происходит пробой изоляции электри-
ческой машины или аппарата, называется пробивным напряжением.

Пример 4. Изоляция якорной обмотки электрической машины выпол-
нена из пропитанной лаком хлопчатобумажной изоляционной ленты тол-
щиной (1 — 0,4 мм. Требуется определить пробивное и допускаемое напря-
жение для этой машины при условии, что допускаемая напряжённость
меньше пробивной в 2,5 раза (пробивная напряжённость изоляционной
ленты ЕПр = 50 кв/см).

Решение. Пробивное напряжение по формуле (4)

С!пр —Епрс1 = 50 • 0,04 = 2 кв.

Допускаемое напряжение, при котором может работать электрическая
установка

I) 2

V = = 0.8 = 800 в.

2,5

На электропроводность диэлектриков большое влияние ока-
зывает температура. Так, например, стекло, являющееся хорошим
изолятором, при подогреве до красного каления начинает довольно
хорошо пропускать электрический ток. При очень высоких темпера-
турах все изоляционные вещества становятся проводниками, так
как многие их атомы ионизируются. Чем прочнее химическое соеди-
нение, из которого состоит вещество диэлектрика, тем при более
высокой температуре оно может работать, не теряя своих изоляцион-
ных свойств.

7. Конденсаторы

Заряд и разряд конденсатора. Конденсатор представляет собой
устройство, способное накапливать электрические заряды. Простей-
шим конденсатором являются две металлические пластинки
(электроды), разделённые между собой каким-либо диэлектриком
(фиг. 21). Конденсатор можно зарядить, если соединить его элек-
троды с источником постоянного тока, как показано на фиг. 22, а.

При заряде конденсатора свободные электроны, имеющиеся
на одном из его электродов, устремляются к положительному полюсу

Фиг. 21. Простейший конденсатор представляет собой
две металлические пластины (электроды), разделённые
слоем диэлектрика

источника тока, вследствие чего этот электрод становится положи-
тельно заряженным. Электроны с отрицательного полюса источника
тока устремляются ко второму электроду и создают на нём избыток
электронов; поэтому он становится отрицательно заряженным. В ре-
зультате, на обоих электродах конденсатора образуются равные,
но противоположные по знаку заряды и между ними возникает
электрическое поле. Электрическое поле создаёт между электро-
дами конденсатора определённую разность потенциалов. Когда
эта разность потенциалов станет равной напряжению источника
тока, движение электронов в цепи конденсатора, т. е. протекание по
ней электрического тока, прекращается. Этот момент соответствует
окончанию процесса зарядки конденсатора.

При отключении от источника тока (фиг. 22, б) конденсатор
способен длительное время сохранять накопленные электрические
заряды. Заряженный конденсатор является источником электри-
ческой энергии, имеющим некоторую э. д. с.

Если соединить электроды заряженного конденсатора ка-
ким-либо проводником (фиг. 22, б), то конденсатор начнёт раз-
ряжаться. При этом по проводнику пойдёт ток, так как электроны,
имеющиеся в избытке на отрицательном электроде конденсатора,
28
устремятся к положительному электроду. Начнёт уменьшаться и
разность потенциалов между электродами, т. е. конденсатор будет
отдавать накопленную электрическую энергию во внешнюю цепь.

В тот момент, когда количество свободных электронов на каждом
электроде конденсатора станет одинаковым, электрическое поле

между электродами исчезнет и
дальнейшее прохождение тока
по проводнику, соединяющему
электроды, прекратится. Это
означает, что произошёл пол-
ный разряд конденсатора, т. е.
он отдал накопленную им элект-
рическую энергию.

Емкость. Свойство конден-
сатора накапливать и удержи-
вать электрические заряды ха-
рактеризуется ёмкостью конден-
сатора. Чем больше ёмкость кон-
денсатора, тем больше накоп-
ленный им электрический за-
ряд; так же как с увеличением
ёмкости сосуда или газового
баллона увеличивается количе-
ство вмещаемой жидкости или
газа.

Ёмкость С конденсатора
определяется по формуле

С= (7)

где С — заряд конденсатора;

6'—приложенное напряже-

Фиг- 22. При зарядке конденсатора
он накапливает электрические заря-
ды, поступающие к нему от источни-
ка тока. При разряде накопленная
конденсатором электрическая энергия
отдаётся во внешнюю цепь

ние.

Ёмкость конденсатора измеряется в фарадах (ф). Ёмкостью
в одну фараду обладает конденсатор, который при напряжении
1 в накапливает количество электричества, равное 1 кулону.

В практике преимущественно пользуются более мелкими еди-
ницами: микрофарадой (мкф)—одной миллионной частью фарады и
пикофарадой (пф) — одной миллионной частью микрофарады.

Емкость конденсатора зависит от формы и размеров его электро-
дов, от их взаимною расположения и от свойств диэлектрика,
разделяющего электроды.

Чем больше площадь электродов конденсатора, чем меньше рас-
стояние между ними и чем больше диэлектрическая проницаемость
диэлектрика, находящегося между электродами, тем больше ём-
кость конденсатора.

Влияние диэлектрической проницаемости диэлектрика на ём-
кость конденсатора объясняется тем, что в материалах с большей
диэлектрической проницаемостью под действием электрического
поля данной напряжённости увеличивается степень поляризации
молекул и образуется большее количество парных электрических
зарядов (см. фиг. 18, б).

Фиг. 23 Некоторые типы конденсаторов

Поляризованные молекулы создают дополнительное электри-
ческое поле, ослабляющее основное поле между электродами кон-
денсатора. Благодаря этому от источника тока к конденсатору
сможет переходить большее количество электрических зарядов.

Устройство конденсаторов. В зависимости от типа применяемого
диэлектрика конденсаторы бывают бумажными, слюдяными, воздуш-
ными и т. д. (фиг. 23). Используя в качестве диэлектрика, вместо
воздуха, слюду, бумагу, керамику и другие материалы с высокой
диэлектрической проницаемостью, удаётся при тех же размерах
конденсатора увеличить в несколько раз его ёмкость. Для того
чтобы увеличить площадь электродов конденсатора, его делают
обычно многослойным (фиг. 24).

На электроподвижном составе и тепловозах применяют сухие
электролитические конденсаторы. Электролитический конденсатор
(фиг. 24) изготовляют из двух скатанных в рулон тонких алю-
миниевых лент, между которыми проложена бумага, пропитанная
специальным электролитом (раствор борной кислоты с аммиаком
в глицерине). Одну из алюминиевых лент покрывают тонкой

Электролитический

Фиг. 24. Устройство бумажного и электролитического
конденсаторов

плёнкой окиси алюминия; эта пленка образует диэлектрик, обла-
дающий высокой диэлектрической проницаемостью. Электродами
конденсатора служа!- лента, покрытая окисной плёнкой, и элек-
тролит; вторая лента предназначена лишь для создания электри-
ческого контакта с электролитом. Конденсатор помещают в цилинд-
рический алюминиевый корпус.

При включении электролитического конденсатора в цепь по-
стоянного тока необходимо строго соблюдать полярность его полю-
сов; при неправильном включении диэлектрик пробивается.

В радиотехнических устройствах применяют также конденса-
торы переменной ёмкости (сриг. 25). Этот конденсатор состоит из
двух групп пластин: неподвижных и подвижных разделённых воз-
душными промежутками. Подвижные пластины могут перемещаться
относительно неподвижных; при повороте оси конденсатора из-
меняется площадь взаимного перекрытия пластин, а следовательно,
и ёмкость конденсатора

Всякий конденсатор характеризуется не только величиной
ёмкости, но и величиной напряжения, которое выдерживает его
диэлектрик. При слишком больших напряжениях электроны ди-
электрика отрываются от атомов и конденсатор пробивается.
Применение конденсаторов в технике. Конденсаторы широко
применяются в системах энергоснабжения производственных пред-
приятий для улучшения использования электрической энергии
в установках переменного тока (см. §45), а также в радиотехнике
для создания электромагнитных колебаний и фильтрации перемен-
ных токов (см. § 46).

' УСЛОВНОЕ
! ОБОЗНАЧЕНИЕ
КОНДЕНСАТОРА
ПЕРЕМЕННОЙ
ЁМКОСТИ

Фиг. 25. Устройство конденсатора переменной
ёмкости

На электроподвижном составе, тепловозах и других устройствах
(автомобилях, тракторах и пр.) конденсаторы часто используют
для борьбы с искрением контактов электрических аппаратов
(см. § 76).

Свойствами конденсатора обладают не только специально из-
готовленные на заводе приборы, но и любые два проводника, раз-
делённые диэлектриком. В частности, конденсатором являются
два параллельно расположенных провода, провод и земля, электри-
ческий кабель с металлической оболочкой и пр. Все опи обладают
определённой ёмкостью, которая оказывает существенное влияние
па работу электротехнических установок при переменном токе
(см. § 43).
Контрольные вопросы

I. Что такое атом и каково его строение?

2. Как взаимодействуют одноимённые и разноимённые электрические
заряды?

3. Что такое электрическое поле?

4. Как определяется напряжённость поля?

5. Что такое диэлектрическая проницаемость?

6 Что такое электрический потенциал?

7. Что такое электрическое напряжение и в каких единицах оно из-
меряется?

8, Что называется электрическим током?

9. Что такое электродвижущая сила (э. д. с.) и в каких единицах
она измеряется?

10. Какова скорость и направление просекания электрического тока
в проводнике?

И Что называется электрическим сопротивлением и в каких едини-
цах оно измеряется?

12. Чго называется удельным электрическим сопротивлением?

13. Как определить сопротивление проводника?

14. Что называется электрической проводимостью?

15. Ч1О такое диэлектрики (изоляторы)?

16. Что называется поляризацией диэлектриков?

17 Что такое пробой диэлектрика и пробивная напряжённость?

18. Что представляет собой конденсатор?

19. Какие бывают типы конденсаторов?

20. Что такое ёмкость конденсатора и как она определяется?

Заказ 1216
ГЛАВА II

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

8. Электрическая цепь

Составные элементы электрической цепи. Для того чтобы полу-
чить электрический ток, нужно создать замкнутую электрическую
цепь.

Электрическая цепь образуется из источников электрической
энергии, в которых возбуждается электродвижущая сила (сокра-
щённо э. д. с.), и потребителей (фиг. 26). Источники электрической
энергии называют также источниками питания или источниками тока.

Фиг 26. Схема электрической цепи

В электрическую цепь обычно включают также вспомогательное
оборудование: устройства для включения и выключения (например,
рубильники или другие аппараты), приборы для измерения электри-
ческих величин (амперметры, вольтметры, ваттметры), защитные
устройства (предохранители) и пр.
В качестве источников электрической энергии применяют глав-
ным образом электрические генераторы, в которых механическая
энергия преобразуется в электрическую, и гальванические элемен-
ты или аккумуляторы, в которых происходит преобразование хи-
мической энергии в электрическую.

Потребители электрической энергии весьма разнообразны.
К ним, например, относятся электродвигатели, в которых электри-
ческая энергия преобразуется в механическую, лампы накаливания
и различные электронагревательные приборы, в которых электри-
ческая энергия преобразуется в тепловую, электролитические
ванны, в которых происходит преобразование электрической энер-
гии в химическую, и пр.

Электрическая цепь может быть разделена на два .участка:
внешний и внутренний.

Фиг. 27 Схема электрической цепи участка электрической железной
дорог и

Внешний участок, или, как говорят, внешняя цепь, состоит из
одного или нескольких потребителей электрической энергии,
соединительных проводов и различных вспомогательных устройств,
включённых в эту цепь.

Внутренний участок (внутренняя цепь) представляет собой
сам источник электрической энергии Во внешней цепи электри-
ческий ток направлен от положительного зажима ( 4-) источника
энергии к отрицательному ( — ); во внутренней цепи ток имеет
обратное направление, т. е. от ( — ) к ( + ).

Электрическая цепь участка электрической железной дороги.
В качестве примера рассмотрим электрическую цепь участка
электрической железной дороги (фиг. 27). Она состоит из тяго-
вой подстанции, контактной сети, рельсовой цепи и электрических
локомотивов.

Гяговая подстанция является источником питания для данного
участка железной дороги.

Сами тяговые подстанции не вырабатывают электрическую энер-
гию, а получают её от тепловых или гидравлических электростан-
ций по линиям электропередачи. Поэтом}7 их часто называют
преобразовательными подстанциями, так как они лишь преобра-
зуют поступающий пт электрических станций ток и напряжение
в такой ток (постоянный или переменный) и такое напряжение,
которые могут быть использованы для питания электровозов и
моторных вагонов, работающих на данной дороге.

Контактная сеть предназначена для непрерывного подвода
электрического тока к движущимся по железной дороге электро-
возам и моторным вагонам; от них электрический ток отводится
обратно к тяговой подстанции по рельсовой цепи.

Электрические локомотивы (электровозы и моторные вагоны)
являются в данном случае потребителями электрической энергии;
в электрических локомотивах осуществляется преобразование элек-
трической энергии в механическую работу, затрачиваемую на
передвижение поездов.

Если рассматривать электрическую цепь самого электрического
локомотива, то для неё источником питания является контактная
сеть электрической железной дороги, по которой к локомотиву
подводится электрический ток, а основными электрическими потре-
бителями — тяговые двигатели, преобразующие электрическую
энергию в механическую работу.

На тепловозе источником питания является электрический гене-
ратор, приводимый во вращение дизелем, а основными электриче-
скими потребителями — тяговые электродвигатели.

Кроме этих основных потребителей, на электровозах, тепловозах
и моторных вагонах имеется целый ряд вспомогательных электри-
ческих потребителей: электродвигатели компрессоров, вентиляторов,
насосов, электрические печи, электромагнитные приводы различных
аппаратов и пр.

9^ Закон Ома

Закон Ома для электрической цепи. В главе! мы выяснили, что
электрический ток, или упорядоченное движение электронов, может
возникнуть только под действием электродвижущей силы, созда-
ваемой источником электрического тока (см. фиг. 13).

Закон Ома устанавливает связь между электродвижущей си-
лой источника тока, сопротивлением и током в электрической
цепи. Согласно этому закону,ток / в электрической цепи (фиг. 28)
равен электродвижущей силе Е источника, поделённой на сопро-
тивление цепи т. е.

'-К (8)

Полное сопротивление всей замкнутой цепи можно представить
в виде суммы двух сопротивлений — сопротивления внешней цепи
Е и внутреннего сопротивления л0 источника тока.

Я, = /? + /•„. (9)
Поэтому ток будет равен

I = —

X I- - о

(Ю)

Закон Ома вытекает непосредственно из физических представле-
ний о природе электрического тока. Очевидно, чем больше электро-
движущая сила Е источника тока, поддерживающая на его за-
жимах определённую разность потенциалов V (см. фиг. 28), тем
большее количество электронов проходит в единицу времени по
электрической цепи от одного зажима источника, где имеется их
избыток, к другому зажиму, на котором ощущается их недостаток.

Иными словами, чем больше э. д. с. источника тока и чем меньше
сопротивление электрической цепи, тем больший ток протекает
по этой цепи

Фиг. 28. Ток I в цепи равен электродвижущей силе Е источника
тока, поделенной на сопротивление всей цепи

В этом отношении прохождение электрического тока по про-
водникам полностью аналогично прохождению воды по трубам
(фиг. 29). Чем больше разность уровней воды при входе и при вы-
ходе из трубы (напор), тем больше воды проходит сквозь трубу
в единицу времени.

Пример 5. Электродвижущая сила тепловозного генератора составляет
640 в; определить ток при сопротивлении цепи 0,5 ом.

Решение.

Е 640

1 ~ ~ 0,5 ~ 1 280 а'

Преобразуя формулу (8), можно получить, что электродви-
жущая сила источника тока равна произведению величины тока
на полное сопротивление всей электрической цепи. Е

Е = //?„. (17)
Пример 6. Определить э- д. с., которую должен создавать генератор,
для того чтобы через электрическую цепь сопротивлением 10 проходил
юк 100 а

Решение.

Е = 1ЯЦ = 100 . 10= I 000 в.

Величина сопротивления цепи равна электродвижущей силе
источника тока, поделённой на величину тока в цепи

Лч = у. (12)

Фиг. 29 Чем больше раз-
ность уровней воды при
входе и при выходе из
трубы, тем большее коли-
чество воль: вытекает каж-
дую секунду из фонтана.
Чем больше разность элект-
рических потенциалов (на-
пряжение) на зажимах ис-
точника тока, тем больший
ток проходит по электриче-
ской цепи

Пример 7. Определить сопротивление электрической цели, через кото-
рую проходит ток 50 а при э. д. с. источника тока 200 в.

Решение.

, Е 200

— I ~ 50 — 4 оМ

Закон Ома для участка электрической цепи. Закон Ома может
быть применён не только ко всей цепи в целом, но и к любому
её участку. В этом случае э. д. с. Е источника тока в формуле (8)
должна быть заменена разностью потенциалов между началом
и концом рассматриваемого участка, т. е. напряжением I), а
вместо сопротивления всей цепи в формулу должно быть подстав-
лено сопротивление данного участка. Так, например, рассмат-
ривая потребитель (фиг. 30) как отдельный участок цепи, полу-
чим, что ток I в данном участке цепи равен напряжению (7, при-
за
сложенному к потребителю, поделённому на сопротивление этого
потребителя:

Пример 8. Определить ток, который будет поступать в элек рическую
лампочку, включённую под напряжение 220 в, если сопротивление лампоч-
ки равно 440 ом.

Решение.

/ _ 220 . е
К “ 440 “ 0,5 а'

Фиг. 30. Ток / на участке цепи равен напряжению О, приложенному
к этому участку, поделённому на сопротивление Я

Падение напряжения. Преобразуя формулу (13), можно полу-
чить, что напряжение С, действующее на некотором участке цепи,
равно произведению тока / на сопротивление Р этого участка

0=1$. (14)

Так как потенциал электрического поля в начале участка
электрической цепи больше, чем в конце, то разность потенциа-
лов, или напряжение О, приложенное к участку электрической
цепи, часто называют падением напряжения на данном участке.

Пример 9. Определить, к какому напряжению нужно подключить элек-
трическую лампочку, имеющую сопротивление 60 ом, для того чтобы через
неё протекал ток 2 'а.

Решение.

У ]р> = 2 - 60 = 120 в.

Пример 10. Определить напряжение на зажимах тепловозного генера-
тора при токе нагрузки 1 200 о, если его э. д. с. равна 640 в, а внутрен-
нее сопротивление ОД ом.
Решение. Падение напряжения во внутреннем сопротивлении гене-
ратора

/г0 = 1 200 • 0,1 = 120 в.

Напряжение на зажимах генератора

(/ = Е~/г0 = 640—120 = 520 в.

Сопротивление Р. участка цени равно напряжению, приложен-
ному к данному участку, поделённому на протекающий по этому
участку ток, т. е.

Я = (10)

Пример 11. По спирали электрической плитки, включённой под напря-
жение 220 в, протекает ток 5 а. Определить сопротивление спирали плитки.

Решен не.

и 220

Н = -у — = 44 ом

10. Использование сопротивлений для регулирования величины
тока в электрической цепи

Сопротивления и реостаты Закон Ома наглядно показывает,
что ток в электрической пепи можно изменять, включая в неё со-
противление той или иной величины. Этим свойством сопротивлений
широко пользуются в практике для регулирования и ограничения

Фиг 31. Ползунковый реостат с плавным изменением сопротивления
величины тока в двигателях, генераторах и других электрических
потребителях.

Термин >• электрическое сопротивление,, характеризует свойство
любого конкретного проводника, электрической машины, аппарата
или участка электрической цепи препятствовать прохождению
40
электрического тока. В этом смысле, например, говорят: обмотка
двигателя обладает сопротивлением 1,5 сл<, или электрическая
лампочка имеет сопротивление 75 ом.

Сопротивлением называют также электрический аппарат, пред-
назначенный для включения в электрическую цепь с целью регули-
рования или ограничения протекающего по ней тока. Регулируемые
сопротивления называются реостатами.

Фиг. 32 Ползунковый реостат со штурвалом и ступенчатым изме-
нением сопротивления:
а—общий вид' б—схема

Сопротивления и реостаты обычно изготовляются из проволоки
или ленты, материалом для которой служат сплавы металлов,
обладающие высоким удельным сопротивлением (константан,
никелин, манганин, фехраль), что даёт возможность для изготовле-
ния сопротивления применять проволоку наименьшей длины.

а ё 8 г

Фиг 33. Пусковые реостаты электровозов и мо-
торных вш онов обычно разбиваются на отдельные
секции (я, б, в, г и т. д.), замыкаемые в процессе
пуска накоротко контакторами 1, 2, 3, 4 и т. д.

Устройство реостатов. Реостаты могут выполняться с плавным
или ступенчатым изменением сопротивления.

На фиг. 31 изображён ползунковый реостат с плавным изме-
нением сопротивления, который часто используется в схемах
управления электрическими машинами и испытательными устрой-
ствами.

Такой реостат состоит из изоляционной трубки, на которую
намотана проволочная спираль. К виткам этой спирали прикасается
подвижной контакт. Один зажим реостата соединяется с подвнж-
ним контактом, другой зажим — с одним из концов спирали. Пере-
мещая подвижной контакт, можно изменять длину проволоки,
расположенной между зажимами реосгага, и тем самым изменять
его сопротивление.

Па фиг. 32 изображён ползунковый реостат со ступенчатым
изменением сопротивления, применяемый для пуска и регулирова-
ния электрических двигателей станков, грузоподъёмных механиз-
мов и пр.

Реостат состоит из ряда одинаковых сопротивлений (секций),
присоединённых к контактам Для включения в цепь того или
иного количества секций служит ползунок со штурвалом.

Реостаты, применяемые для
регулирования тока при пуске
тяговых двигателей электри-
ческих локомотивов, так на-

Фиг. 34. Пусковые реостаты электрово-
зов, выполненные из чугунных пластин

зываемые пусковые реостаты,
имеют ступенчатое изменение
сопротивления. Для этой цели
реостат разбивается на от-
дельные секции а. б, г и т. д.
(фиг. 33), которые в процессе
пуска замыкаются накорот-
ко специальными дистанцион-
но действующими выключате-
лями /, 2, 3, 4 и т. д., назы-
ваемыми контакторами.

Общий вид пусковых рео-
статов электровозов и мотор-
ных вагонов показан на фиг.34
и 35.

На некоторых электрово-
зах пусковые реостаты выпол-
нены из чугунных литых пла-
стин особой формы, напомина-
кщей зигзагообразно уложен-
ную ленту (фиг. 34, а). Отдель-
ные пластины собираются на
изолированных шпильках в
общие аппараты, называе-
мые ящиками сопротивлений
(фиг. 34,6).

В последнее время пусковые реостаты электровозов и моторных
вагонов выполняют из фехралевой ленты, намотанной на фарфоро-
вые изоляторы (фиг. 35).

Схемы включения реостатов. Реостат может быть включён в
цепь между потребителем и источником тока так. как показано на
фиг. 36 В этом случае при изменении сопротивления реостата
например, вследствие перемещения подвижного контакта 77, изк с-
няется и поступающий к потребителю ток. Этот ток протекает

только по части реостата.

Однако реостат можно включить в цепь таким образом, чтобы

ток протекал по всему сопротивлению, а к потребителю ответвлялась

бы только часть тока, по-
ступающего от источника.

На фиг. 37 показана та-
кая схема с использованием
ползункового реостата; в
этой схеме два крайних за-
жима реостата и К2 под-
ключаются к источнику то-
ка, а один из этих зажимов
(например и подвижной
контакт П реостата присо-
единяются к потребителю.
Очевидно, что при таком
включении к потребителю
будет подаваться напряже-
ние 77, равное падению на-

Фиг. 35. Пусковые реостаты электровозов
и моторных вагонов, выполненные из
фехралевой ленты

пряжения между точкой и подвижным контактом реостата П
и меньшее, чем всё подводимое от источника напряжение. Следова-

тельно, передвигая подвижной контакт реостата, можно изменять

напряжение 77, подводимое к потребителю.

Фиг. 36. Обычная схема включения реостата в цепь потребителя
электрической энергии
Реостат, включённый по схеме, показанной на фиг. 37, назы-
вается делителем напряжения, или потенциометром.

Фиг. 37. Схема включения реостата в качестве делителя напряжения

II. Электродвижущая сила и напряжение источника тока,
холостой ход н короткое замыкание

Э. д. с. и напряжение источника тока. Как вытекает из за-
кона Ома, электродвижущая сила источника тока равна сумме
падений напряжений во внешней цепи и внутри источника тока:

/? = //?+/г0, (16)

где //? — падение напряжения во внешней цепи;

1г0—падение напряжения внутри источника тока.

Учитывая, что напряжение V на зажимах источника тока
равно падению напряжения /А* во внешней цепи, получим:

Е = 1У 4~ /г0. (17)

Эта формула показывает, что электродвижущая сила источни-
ка тока больше напряжения на его зажимах (см. фиг. 28) на вели-
чину падения напряжения внутри источника. Следовательно,
напряжение на зажимах источника будет меньше э. д. с. на
величину внутреннего падения напряжения в источнике, т. е.

О—Е — 1г0. (18)

Рассмотрим режимы работы источника электрической энергии
в следующих трёх случаях: когда электрическая цепь разом-
44
кнута, когда она замкнута на некоторое сопротивление и когда
сопротивление внешней цепи равно нулю.

Холостой ход. Режимом холостого хода называют такой режим
работы источника электрической энергии, при котором прие»лДи-

болътметр показывает злектро-
МиЖущую силу (ае по разомкнута)

фиг. 38. При холостом ходе напряжение источника тока равно его
э. д. с.; при нагрузке напряжение источника уменьшается с воз-
растанием тока нагрузки

нённая к нему электрическая цепь разомкнута, т. е. тока в цепи
нет.

В этом случае внутреннее падение напряжения будет равно
нулю, и формула (17) примет вид:

Е = У. (19)
Таким образом, при разомкнутой электрической цепи (при ре-
жиме холостого хода) напряжение на зажимах источника тока равно
его э. д. с. (фиг. 38, а). Это обстоятельство можно использовать для

измерения э. д. с. источников электроэнергии.

Режим нагрузки. Нагрузочным режимом называют такой ре-
жим работы источника электрической энергии, при котором эле-
ктрическая цепь замкнута и по ней течёт некоторый ток /, завися-

Фиг. 39. Короткое замыкание возникает
при соединении между собой проводов,
связывающих источник электроэнергии
с потребителем. Оно может произойти при
повреждении изоляции проводов или в
результате неправильных дейс1вий об-
служивающего персонала

щий от сопротивлений по-
требителей электроэнер-
1ии, подключённых к ис-
точнику.

В этом случае внутри
источника тока имеет место
падение напряжения /г0, за-
висящее оттока нагрузки /.
Чем больше будет ток на-
грузки, тем меньшее напря-
жение покажет вольтметр
на зажимах источника тока
(фиг. 38. б).

Падение напряжения в
источнике зависит также и
от внутреннего сопротивле-
ния г0; поэтому обычно все
источники электроэнергии
изготовляют с возможно
меньшим внутренним сопро-
тивлением.

Короткое замыкание.
Коротким замыканием на-
зывают такой режим рабо-

ты источника электроэнер-
гии, когда его зажимы зам-
кнуты проводником,сопро-
тивление которого можно
считать равным нулю.

Практически короткое

замыкание возникает при
соединении между собой проводов, связывающих источник электро-
энергии с потребителем, так как эти провода имеют обычно незначи-
тельное сопротивление. Короткое замыкание может происходить в
результате неправильных действий персонала, обслуживающего
электротехнические установки (фиг. 39, а), или же при повреждении
изоляции проводов (фиг. 39, б и в); в последнем случае эти про-

вода могут соединяться непосредственно через землю, имеющую
весьма малое сопротивление, или через окружающие металличе-
ские детали (корпуса машин и аппаратов, кузов локомотива
и пр.).
При коротком замыкании ток становится равным

I КОР —

(20)

Ввиду того что внутреннее сопротивление источника г0 обычно
очень мало, ток в цепи возрастает до весьма больших значений
(фиг. 40).

Фиг. 40. При коротком замыкании ток возрастает до весьма
большой величины и может повредить источник тока и
включённые в электрическую цепь приборы, аппараты
и провода

Напряжение же в месте короткого замыкания становится рав-
ным нулю, т. е. электрическая энергия на участок электрической
цепи, расположенный за местом короткого замыкания, поступать
не будет.

Короткое замыкание является аварийным режимом, так как
возникающий при этом большой ток может привести в негодность
как сам источник, так и включённые в цепь приборы, аппараты и
провода. Лишь для некоторых специальных типов генераторов,
например, сварочных, короткое замыкание не представляет опас-
ности и является нормальным рабочим режимом.

Пример 12. Определить ток короткого замыкания тепловозного генератора,
если его э. д. с. равна 640 в и внутреннее сопротивление 0,1 ом.

Решение.

Е 640

1кор= г0 = (Ц = б40(и
12. Падение напряжения в проводах

Величина падения напряжения в проводах. Передача электриче-
ской энергии от источника питания к потребителям происходит по
проводам, образующим электрическую сеть. При передаче энергии
возникает падение напряжения в проводах. В результате этого
напряжение О2 в конце электрической сети (фиг. 41) оказывается

Фиг 41 Падение напряжения з проводе и в рельсах уменьшает напряже-
ние 6/2 на токоприёмнике электровоза по сравнению с напряжением
у источника питания (тяговой подстанции). По мере удаления электровоза
от источника питания напряжение б'2 уменьшается

меньше напряжения (Д в начале сети. Падение напряжения в
проводах определяется формулой

Ыпр = Шпр, (21)

где — сопротивление проводов.

На электрических железных дорогах одним из проводов, соеди-
няющих источник питания — тяговую подстанцию с потреби-
телем— электровозом, является контактный провод, а другим—
рельсы. Поэтому под падением напряжения в проводах &Упр
в этом случае понимается суммарное падение напряжения &УКС
в контактной сети и в рельсах (см. фиг. 41).

Падение напряжения в проводах не является постоянной
величиной: оно колеблется в зависимости от тока нагрузки от
нуля (при 1—0) до некоторого наибольшего значения (при
максимальной нагрузке). Кроме того, оно зависит ст сопротив-
ления провода, т. е. от его материала, поперечного сечения и
длины.

В условиях электрической железной дороги падение напря-
жения увеличивается по мере удаления электровоза от тяговой
подстанции, в соответствии с этим уменьшается и напряжение,
подаваемое на электровоз.

Принципы расчёта проводов. Падение напряжения в проводах
допускается небольшим по сравнению с напряжением сети с целью
экономии электроэнергии и обеспечения малого колебания напря-
жения у потребителя.

Для правильной работы электрических потребителей весьма
важно, чтобы подаваемое к ним напряжение поддерживалось
по возможности постоянным и было бы равно их номинальному
напряжению (т. е. напряжению, на которое нормально рассчитаны
потребители). Понижение напряжения вызывает существенное ослаб-
ление накала электрических ламп и ухудшение режима работы
двигателей, а увеличение по сравнению с номинальным — сокраще-
ние срока службы ламп и электрических машин В стационарных
установках для электрических ламп уменьшение напряжения про-
лив номинальною допускаете я до 3%. а для электродвигателей—
до 5%.

Исходя из этих условий и производится расчёт электрических
проводов, т. е. подбор их поперечного сечения; оно выбирается
таким, чтобы при максимальной нагрузке падение напряжения на
участке от источника питания до самого удалённого потребителя
не превышало 3 — 5% нормального напряжения.

В условиях электрической тяги выбор сечения контактного
провода значительно усложняется, так как не только всё время
меняется ток, потребляемый электровозами, работающими на участ-
ке между двумя тяговыми подстанциями (вследствие изменений
профиля пути), но меняется также и расстояние их от подстанций.
Однако и в этом случае при подборе сечения контактного провода
исходят из условия, чтобы на токоприёмнике электровоза действо-
вало напряжение (72, достаточное для нормальной работы электри-
ческих машин локомотива.

Пример 13. Напряжение у тяговой подстанции равно 3 300 в. Определить
напряжение на токоприёмнике электровоза, потребляющего ток 1 000 а,
когда он находится на расстоянии 2 и 8 км от подстанций. Сопротивление
1 км проводов контактной сети равно 0,04 ом и 1 км рельсового пути
0,025 ом.

Решение. Падение напряжения в контактном проводе:
при расстоянии 2 км

ЬУпр = Шпр = 1 000 • 0,04 • 2 = 80 в;

при расстоянии 8 км

Ьипр = {Япр = 1 000 • 0,04 • 8 «=• 320 в.

Падение напряжения в рельсах;
при расстоянии 2 км

Ьйр = 1Кр = 1 000 • 0,025 • 2 = 50 в;
при расстоянии 8 км

М/р = 1 000 • 0,025. 8 = 200 в.
Напряжение на токоприёмнике электровоза;
при расстоянии 2 км

Ь\ — ьиар - = 3 300 — 80 - 50 = 3 170;

при расстоянии 8 км

Сг = 3 300 — 320 — 200 = 2 780 б.

Рассмотренный пример наглядно показывает, что напряжение,
подаваемое на электрический локомотив, вовсе не является постоян-
ной величиной, равной 3 000 в; оно непрерывно меняется в зависи-
мости оттока нагрузки локомотива (который, как мы увидим дальше,
зависит от веса состава и профиля пути) и расстояния его от питаю-
щей подстанции.

13. Законы Кирхгофа

Закон Ома устанавливает зависимость между током, напря-
жением и сопротивлением для простейшей электрической цепи,
представляющей собой один замкнутый контур. В практике встре-
чаются более сложные—разветвлённые электрические цепи. Вели*
чины токов и напряжений для таких цепей можно находить с по-
мощью законов Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа. Он устанавливает зависимость между
токами для точек электрической цепи, к которым подходит не-
сколько проводов: такие точки называют точками разветвления,
или узловыми точками. Согласно этому закону сумма токов, на-
правленных к точке разветвления, равна сумме токов, направ-
ленных от неё.

Например, для точки разветвления А (фиг. 42) имеем

Л + /2 + /3 = /, + /5. (22)

Преобразуя эю уравнение, получим

Л + /2 +Л-'4-/5 = 0, (22')

т. е. алгебраическая сумма токов в узловой точке равна нулю.
При этом токи, направленные к точке/, считаются положительными,
а токи, направленные от неё, — отрицательными.

Второй закон Кирхгофа. Он устанавливает зависимость между
токами и падениями напряжения в замкнутой электрической
цепи. Согласно этому закону во всякой замкнутой электрической
цепи алгебраическая сумма э. д. с. равна алгебраической сумме
падений напряжений в отдельных сопротивлениях, входящих в эту
цепь. При составлении формул, вытекающих из второго закона
50
Кирхгофа, э. д. с. и падения напряжений считаются положительными
(ставятся в формуле со знаком +)» если направления э. д. с. и
токов в соответствующих участках цепи совпадают с произвольно
выбранным направлением обхода цепи. Если же направления
э. д. с. и токов в соответствующих участках цепи противоположны
выбранному направлению обхода, то такие э. д. с. и токи считаются
отрицательными.

Фиг. 42. В электрической цепи сумма токов, направленных к точке раз-
ветвления /1, равна сумме токов, отходящих от неё; точно так же поток
воды, подходящий к тройнику трубопровода, равен сумме потоков, обхо-
дящих от тройника

Рассмотрим в качестве примера электрическую цепь (фиг. 43, а),
в которой имеется два источника электроэнергии с э. д. с.: Ег и
Е2 и внутренними сопротивлениями г01 и г02 и два потребителя
с сопротивлениями и /?2. Применяя второй закон Кирхгофа
для этой цепи и выбирая направление её обхода по часовой
стрелке, получим

Е2~ ф- /г02 /7?! IЙ2‘

При этом э. д. с. Ег и ток / совпадают с выбранным направ-
лением обхода контура и считаются положительными, а э. д. с.
Е.2, противоположная этому направлению, считается отрицатель-
ной.

Пример 14. Ток I в электрической цепи фиг. 43, а равен 2а, а э. д. с.
Ег — 100 в. Внутренние сопротивления источников тс*ка г01 = 1 ом и г02 =
= 1 ом, а сопротивления потребителей /?а — 20 ом и Яа = К) ом. Опреде-
лить величину и направление э. д. с Е2.

Решение. Принимая предварительно, что э. д. с направлена,
как показано на фиг. чЗ, а, составляем согласно второму закону Кирхгофа
уравнение

100 — /?2 = 2 « 1 + 2 . 1 + 2 • 20 + 2 • 10.

Откуда

Е2 = 100 - 2 — 2 — 40 - 20 = 36 в.

Положительное значение э. д. с, Е2 указывает, что предварительно
выбранное направление её было правильным.
Если бы э.д. с. Е2 получила отрицательное значение, то это указывало
бы, что в действительности она направлена против направления, принятого
на фиг. 43, а.

Фиг. 43. В замкнутой электрической цепи сумма электродвижущих
сил Е равна сумме падений напряжений 11? на отдельных её участках

Если в электрической цепи имеются ответвления (фиг. 43,6),
то по отдельным её участкам протекают различные по величине
токи и /2. Применяя к такой цепи второй закон Кирхгофа,
получим уравнение

где Ех и Е2 — э. д. с. двух источников;

г01 и б02 — внутренние сопротивления этих источников;
/?1? /?2, А*3 и /?4 — сопротивления потребителей.

При составлении этого уравнения э. д. с. и ток Ц считаются
положительными (совпадают с принятым направлением обхода
контура), а э. д. с. Е2 и ток /2— отрицательными.

Пример 15. В электрической цепи фиг. 43, б ток /1=5 с, э. д. с. Ег= 160 в,
э. д. с. ^2 = 50 в. Внутренние сопротивления источников тока г01 — 2 ом,
г02 — 2 ом, сопротивления потребителей = 10 ом, Л?2 = 8 ом, /?3 = 5 ом и
~ 4 ом.

Определить ток /2.

Решение. Применяя второй закон Кирхгофа, получаем следующее
уравнение:

160 —50 = 5 - 2-|-5 • 10—72 • 8 —/2 • 2 — /2 • 5 +5 • 4,
откуда

— /, (8 4- 2 + 5) = 160 — 50—5 • 2 — 5 • 10-5-4,
или

15 /2 = — 30,
т е.
Знак минус указывает, что в действительности ток /2 имеет направле-
ние, противоположное принятому на фиг, 43, б.

14. Способы соединения потребителей электроэнергии

Любой потребитель, включённый в электрическую цепь, можно
рассматривать как определённое сопротивление, которое нужно
преодолеть электрическому току. Это обстоятельство даёт нам воз-
можность при составлении и изучении электрических схем заменять
конкретные потребители их сопротивлениями, так как от величины
этих сопротивлений зависят токи и напряжения, действующие на
отдельных участках электрической цепи

Различают следующие способы соединения сопротивлений: по-
следовательное, параллельное и смешанное.

Фиг. 44. При последовательном соединении сопротивлений общее сопротив-
ление цепи равно сумме отдельных сопротивлений, общее напряжение
равно сумме падений напряжений на отдельных участках цепи

Последовательное соединение. При последовательном соедине-
нии нескольких сопротивлений конец первого сопротивления сое-
диняется с началом второго, конец второго с началом третьего
и т. д. При таком соединении для тока существует только один
путь, вследствие чего по всем сопротивлениям последовательной
цепи протекает один и тот же ток /.

Примером последовательного соединения может служить изо-
бражённое на фиг. 44 соединение трёх электрических лампочек,
обладающих сопротивлениями Р2 и 7?3

При последовательном соединении общее сопротивление цепи
Роб1ц равняется сумме всех входящих в эту цепь сопротивлений,
например, для трёх сопротивлений

Следовательно, чем больше потребителей включено в последо-
вательную цепь, тем больше сопротивление всей цепи. Общее
напряжение ё/, действующее в цепи с последовательно включён-
ными сопротивлениями, равно сумме падений напряжений на
каждом из них; например, в случае трёх сопротивлений

и = и, -г + Цр (24)

(1ри этом падение напряжения распределяется между после-
довательно соединёнными сопротивлениями пропорционально вели-
чинам их сопротивлений

СЛ : О2: С/3 = : /?3, (25)

т е. чем больше величина какого-либо сопротивления в по-
следовательной цепи, тем больше получается па нём падение
напряжения.

В случае, если последовательно соединяются несколько,
например, п одинаковых сопротивлений/?], то общее сопротивление
цепи будет в п раз больше сопротивления т. е.

^ = ^1. (23')

а падение напряжения на каждом сопротивлении в п раз
меньше общего напряжения С!:

(24-)

# и

Пример 16. При разгоне тепловоза в цепь обмотки возбуждения генера-
тора сопротивлением Рв = 0,69 ом вводится дополнительное сопротивление
#доп — 14 ом. Обмотка возбуждения генератора питается напряжением 55 в.

Во сколько раз уменьшается ток в обмотке возбуждения и как распре-
делится напряжение между обмоткой возбуждения и дополнительным соп-
ротивлением?

Решение. Ток в обмотке возбуждения при отсутствии дополнитель-
ного сопротивления равен

С/ 55

71 “ /?в ~ 0,69 “ 79,7 а'

Общее сопротивление цепи обмотки возбуждения при включении
дополнительного сопротивления

Яо5щ = 4- Ндоп = 0,69 -Ь И = 14,69 ом.

Ток при включении дополнительного сопротивления
б’ 55

14,69“ 3,75 “

Следовательно, при включении дополнительного сопротивления ток
уменьшается в 21,3 раза

Напряжение на обмотке возбуждения при включении дополнительного
сопротивления

С/в = 12рв = 3,75 • 0,69 = 2,58 в.

Напряжение на дополнительном сопротивлении
Пример 17. В электрическую сеть напряжением V = 220 в включено
последовательно пять электрических ламп сопротивлением Рл — ПО см
каждая.

Определить общее сопротивление ламп, протекающий по цени ток и
напряжение на каждой лампе.

Решение. Общее сопротивление цепи

Росщ '-= 3 5 • НО — 550 ом.

Ток в цепи

220 п

~ 550 ~ 0,4 а'

Напряжение

на каждой лампе

220

Т = 44 й.

Последовательно могут соединяться не только сопротивления,
но и электрические двигатели. Так, например, на электровозах
и тепловозах в начальный период разгона поезда электрические
двигатели соединяются последовательно (см. фиг. 165—166). Этим
достигается уменьшение напряжения, приходящегося на каждый
двигатель (см. более подробно § 34).

Пример 18. Определить напряжение, под которым находятся тяговые
двигатели электровоза ВЛ22, при последовательном соединении шести,
трёх и двух двигателей при напряжении в контактном проводе (у панто-
графа электровоза) Усети = 3 000 в

Решение. При шести последовательно включённых двигателях на
каждый двигатель будет приходиться напряжение

Р сети 0 000

= 500 в;

при трёх последовательно соединённых двигателях

С сети 3 00(

Удв = = I 000 в;

при двух последовательно соединённых двигателях

,, 1- сети

дв 2

3 000

2 ~ 1 $00 в-

Параллельное соединение,
скольких сопротивлений они
электрической цепи, образуя

При параллельном соединении не-
включаются между двумя точками
параллельные ветви.

Примером параллельного соединения может служить изобра-
жённое на фиг. 45 соединение трёх электрических ламп. Заменяя
лампы сопротивлениями /?2, /?3, получим показанную на

фиг. 45 схему, в которой сопротивления К2,
в три параллельные ветви.

3 включены

При параллельном соединении все потребители находятся под
одинаковым напряжением I}, а токи распределяются между
отдельными ветвями обратно пропорционально их сопротивлениям,
например, при трёх сопротивлениях:

Л: (26)

при этом общий ток

/ = /14-/2 + /,. (27)

В этом отношении имеет место полная аналогия между распреде-
лением токов по отдельным электрическим сопротивлениям и
распределением потоков воды по трубам.

Фиг. 45 При параллельном соединении сопротивлений общая проводимость
цепи равна сумме проводимости отдельных ветвей; общий ток равен сумме
токов отдельных ветвей. Распределение юка между отдельными ветвями
происходит аналогично распределению потока воды между различными
трубами

Общее сопротивление
ляется формулой

при параллельном соединении опреде-

общ

2 ^з

(28)

Заменяя электрические сопротивления обратными величинами—

проводимостями 6 — — , получим, что общая проводимость при

параллельном соединении равна сумме проводимостей отдельных
ветвей, т. е.

Ообщ = О, + О2 + 03.
Следовательно, при увеличении числа параллельно включаемых
сопротивлений общая проводимость электрической цепи увели-
чивается, а общее сопротивление уменьшается.

Эти формулы дают возможность определить общее сопротив-
ление цепи для различных конкретных случаев. Например, при
двух параллельно включённых сопротивлениях /?] и /?2 общее
сопротивление цепи будет равно

г) ___ ^1^2 .

при трёх параллельно включённых сопротивлениях /?2 и
п _ ________________________________________

йбщ + Я А '

В случае, если параллельно соединяются несколько, например/г,
одинаковых сопротивлений /?, то общее сопротивление цепи будет
в п раз меньше сопротивления /?, т. е.

Я общ = ту » (27')

а проходящий во каждой ветви ток /г будет в п раз меньше
общего тока Г.

1, = ^- (26')

Пример 19. Определить общее сопротивление двух секций пускового
реостата — 4 ом и А?а = 10 ом, соединенных параллельно, и протекаю-
щий по этим секциям ток, если общий ток, поступающий к реостату
равен 250 а.

Решение. Общее сопротивление двух секций реостата

К общ Ку К 2 4 10 1

ИЛИ
г, 4 • 10

- общ — |д 2,86 ом.

Распределение токов между сопротивлениями

Общий ток

/ = /г+ /2 = 2,5 /24/2 = 3,5/а
или

/ 250

— /2 = 250 — 71,5 == 178,5 а.
Пример 20. К сети с напряжением 220 в подключены параллельно
10 ламп сопротивлением /?л = 100 ом каждая. Определить общее сопротив-
ление цепи, ток в каждой лампе и общий ток, потребляемый всеми лампами.

Ре ше пие. Обшее сопротивление ламп

100

'общ — 10 — 10 " ‘1 0 Л1'

Ток в каждой лампе

и 220

/л “ /?л ~ 100 = 2,2 а'

Ток, потребляемый всеми лампами,
, С 220
1 ~ ~ 10 -22 “•

или

/ = п1л 10 • 2,2 = 22 а.

При параллельном соединении потребителей все они находятся
под одним и тем же напряжением, и режим работы каждого из
них не зависит от остальных. Это означает, что величина тока,
проходящего по какому-либо из потребителей, не будет оказывать
существенного влияния на другие потребители. При всяком выклю-
чении или выходе из строя любого потребителя остальные
потребители остаются включёнными, и действие их не прекращается.

Совершенно иначе обстоит дело при последовательном соеди-
нении потребителей, при котором изменение сопротивления одного
из них тотчас же влечёт изменение напряжения на других
связанных с ним потребителях. При выключении или обрыве
электрической цепи в одном из потребителей прекращается питание
электрическим током и остальных последовательно включённых
потребителей. Отсюда видно, что параллельное соединение имеет
существенные преимущества перед последовательным, вследствие
чего оно получило наиболее широкое распространение. В част-
ности, электрические лампы и двигатели, устанавливаемые на
заводах и в депо, предназначенные для работы при определённом
(номинальном) напряжении, всегда включаются параллельно.

На электровозах и тепловозах тяговые двигатели в процессе
регулирования скорости движения нужно включать иод различные
напряжения, поэтому они в процессе разгона переключаются
с последовательного соединения на параллельное (см. более под-
робно § 34).

Пример 21. Определить ток, потребляемый электровозом присоединении
двигателей в две и три параллельные группы, если каждый двига-
тель потребляет ток 250 а.

Решение. При соединении двигателей в две параллельные группы
19Л = — 2 • 250 = 500 а;

при соединении двигателей в три параллельные группы

/зл = п1Ьв = 3 • 250 = 750 а
Смешанное соединение. Смешанным соединением называется
такое соединение, при котором часть сопротивлений включается
последовательно, а часть параллельно. Так, например, в схеме
(фиг. 46, а) имеются два последовательно включённых сопротив-

ления А\ и параллельно им
включено сопротивление 7?3, а
сопротивление Т?4 включено после-
довательно с группой сопротив-
лений

Определение общего сопротив-
ления при смешанном соединении
производится постепенно, по от-
дельным этапам. Например, для
схемы (фиг. 46, а) вначале опреде-
ляется общее сопротивление /?Ь2
последовательно включённых со-
противлений и Т?2:

Т?1-2 = 7?! -ф Т?2,
при этом схема фиг. 46, а заме-
няется эквивалентной схемой
фиг. 46, б. Затем определяется
суммарное сопротивление Т?|.2.3
параллельно включённых сопро-
тивлений /?1.2 и 7?3 по формуле

р __ 7?1.27?3

Л12'3- /г(-2 +л?з ’

Фиг. 46. Схема смешанного вклю-
чения сопротивлений:

я—первоначальная схема; б и в — экви
валентные схемы, получаемые объеди-
нением отдельных сопротивлений по за-
конам последовательного и параллель-
ного соединений

при этом схема фиг. 46, б заменяется эквивалентной схемой
фиг. 46, в. После этого находится общее сопротивление всей цепи
суммированием сопротивления Т?12-з и последовательно вклю-
чённого с ним сопротивления /?4:

р ____ р, _ , ।. р __ О' 1 Т?2) 7?3 . п

-1-2-3 ^4 । ,, -Т- Д1 1ч*'

Следовательно, любое смешанное соединение сопротивлений
последовательными этапами может быть сведено к одному равно-
ценному (эквивалентному) сопротивлению.

Последовательное, параллельное и смешанное соединения широко
применяются для изменения сопротивления пусковых реостатов
при пуске и регулировании скорости электровозов и моторных
вагонов.

15. Способы соединения источников электрической
энергии

В тех случаях, когда ток и напряжение, создаваемые отдель-
ным источником электрической энергии (электрическим генератором
или аккумулятором), являются не достаточными для нормальной
ра«^ гы электрических потребителей, применяют соединение источ-
ников /ока в определённые группы.

Источники электрической энергии, так же как и потребители,
можно соединять последовательно, параллельно и смешанно.

Последовательное соединение. При последовательном соедине-
нии источников энергии постоянного тока отрицательный полюс

Фиг- 47- При последовательном вклю-
чении источников тока общая э. д. с.
равна сумме э. д. с отдельных
источников

первого источника соединяют с
положительным полюсом вто-
рого, отрицательный полюс
щорого с положительным по-
люсом третьего и т. д. (фиг. 47).
Нагрузку (потребитель) при-
соединяют к отрицательному
полюсу первого источника и
положительному полюсу послед-
него источника.

На схемах такое соединение
для химических источников
тока (аккумуляторов) условно
изображают, как показано на
фиг. 47, при этом отрицатель-
ный полюс источника тока
изображается толстой корот-
кой линией, а положительный
полюс — тонкой длинной ли-
нией.

При последовательном соединении источников тока их э. д. с.
складываются и общая э. д. с. равна сумме э. д. с. отдельных
источников, например, для трёх источников тока:

ЕОбщ — ^2 + ^з- (29)

Следовательно, чем больше количество источников тока вклю-
чено последовательно в цепь, тем больше напряжение, под
которым находятся потребители (фиг. 48).

Общее внутреннее сопротивление последовательно соединённых
источников тока равно сумме внутренних сопротивлений отдельных
источников, например, при трех источниках:

Го общ = г<л + г<а + 'оз- (30)

В этом случае ток, протекающий через потребитель, обладаю-
щий сопротивлением /?, равен

<31)

"Г 'о общ

Если последовательно соединяют п одинаковых источников

тока, то

Еп
где Е и г0 — э. д. с. и внутреннее сопротивление одного источ-
ника тока.

Пример 22. Определить электродвижущую силу батареи, состоящей иэ
двадцати пяти последовательно соединённых аккумуляторов каждый из
которых имеет э д. с. Е = 2, 2 в и внутреннее сопротивление г0 = 0,04 ом.
Какой ток отдаёт батарея, если к ней подключено сопротивление 7?=10о.и
и каково будет напряжение на её зажимах?

Решение. Э. д. с. батареи

Еобщ = Еп = 2,2 • 25 = 55 в.

Ток, отдаваемый батареей,
, _ Еобщ________________________55______

1 ~ р + Гоп ~ 10 4-0,04-25 а'

Внутреннее падение напряжения в батарее

А Ебат = 1гоп = 5 С,04 - 25 = 5 а.

Напряжение на зажимах батареи

(У = Еобщ — А ! бат = 55 5 =50 в.

6»

Фиг. 48. Чем больше источников тока соединено последовательно,
тем больше напряжение на потребителе и тем ярче горит лампочка

Параллельное соединение. При параллельном соединении все
положительные полюсы отдельных источников тока соединяются
вместе и образуют общий положительный полюс; вес отрицатель-
ные полюсы отдельных источников также соединяются вместе и
образуют общий отрицательный полюс. Нагрузка присоединяется
к общему отрицательному и общему положительному полюсу
параллельно соединенных источников тока (фиг. 49).
Соединять параллельно можно только источники тока с одина-
ковыми напряжениями. Если напряжения двух источников
тока различны, например, из-за неравенства их э. д. с. (см. схем}'
фиг. 50, в которой э. д. с. больше э. д. с. Е2), то от источ-
ника тока с большей э. д. с. к источнику тока с меньшей э. д. с.
будет поступать некоторый дополнительный ток, который носит

Фиг. 49. При параллельном включении
источников тока общий ток равен сумме
токов, отдаваемых отдельными источ-
никами

название уравнительного
тока. Уравнительный ток
равен

Он не поступает к по-
требителю и не соверша ст
никакой полезной работы,
а создаст лишь потери
электрической энергии.

Уравнительный ток вы-
зывает также неравномер-
ную нагрузку отдельных
источников тока. Так, па-
пример, в случае, приве-
дённом на фиг. 50, ток,
протекающий по первому

источнику, равен

ток, протекающий по второму источнику

2 2

УР'

При большой разности между э. д. с. и Е2 уравнительный
ток может достигать весьма большой величины, при этом он
может сильно перегрузить первый источник тока и полностью
разгрузить второй источник.

В этом случае второй источник может перестать посылать ток
потребителю и начать потреблять его от первого источника.
Иными словами, он может превратиться из источника электриче-
ской энергии в потребитель (генератор будет при этом работать
двигателем, а аккумулятор перейдёт из режима разряда в режим
заряда).

Пример 23. Два генератора работают параллельно на общую нагрузку,
которая потребляет ток / = 200 а Первый генератор имеет э д. с Ег =
= 120в, а второй э. д. с. Е2 = 115 в, внутреннее сопротивление каждого
генератора г01 — гсг = 0,05 ом.

Определить ток каждой машины и напряжение на её Зажимах для этих
условий, а также когда э. д. с. второго генератора уменьшается до 105 в.
Р ешеиие. Уравнительный ток

, _ _ 1 I '_о1 г<1з ।«16 ИЁ- )П 0,05____________

Чр ' гС1 + г02 “ 2 *701 + гоа “ 0,05 + 0,05 ~ -'ю0,05 + 0,05 ~ й а

Токи, отдаваемые первым и вторым генераторами,

Л = у + 1УР = 100 + 50 = 150 а;

/а — —- — /„р = Ю0 — 50 ~ 50 а.

Напряжение на зажимах генераторов:
Ь\ = Ег — /^о! = 120 — 150 0,05=112,5 в;
6’2 = Еа — /2гоа = 115 — 50 • 0,05 = 112,5 в.

Уравнительный ток, когда второй гене
ратор имеет э. д. с. Е3 = 105 в,
120—105

!ур = 0,05 0,05 - 15Ь а‘

Фиг. 50. Если э, д. с. парал-
лельно соединённых источни-
ков тока будут различны, то
по обоим источникам потечёт
уравнительный ток I Ур, не со-
вершающий полезной работы
и создающий лишь потери
энергии в обоих источниках

Токи первого и второго генераторов
в этом случае

Ц = —4- /ур= 100 4- 150 = 250 а;

/а = - — 1ур — 100 — 150 = — 50 а.

Отрицательное значение тока /8 указывает, что второй генератор теперь
не отдаёт,а потребляет ток, т. е. работает как потребитель электрической
энергии (двигатель).

Для того чтобы по параллельно соединённым источникам
тока протекали одинаковые по величине токи, необходимо, чтобы
они имели одинаковые э. д. с. и одинаковые внутренние сопро-
тивления.

При соблюдении этих условий параллельного соединения
источников тока общая э. д. с. источников будет равна э. д. с.
каждого источника тока, т. е.

^общ ~ ~ = Е3, (32)

а общее внутреннее сопротивление будет равно

Гл

? общ ~ ~ » (33)

где г0—внутреннее сопротивление каждого источника тока;

п—число параллельно соединённых источников.
При подключении к параллельно соединённым источникам
тока потребителя с некоторым сопротивлением общий ток,
отдаваемый потребителю, будет равен

/ = -----. (34)

/? -<•_

При этом ток, протекающий по каждому источнику, будет
в п раз меньше тока /, отдаваемого потребителю

>ист = = (34'>

Пример 24. Определить ток, отдаваемый батареей, состоящей из пяти
параллельно соединённых аккумуляторов, имеющих э. д. с. Е = 2,2 в и
внутреннее сопротивление 0,05 ом, если к батарее подключена электриче-
ская лампочка с сопротивлением Д’ = 1 ом Какой ток будет протекать через
каждый аккумулятор?

Решение. Ток, отдаваемый батареей,

Ток, протекающий через

каждый аккумулятор,

ист - п - 5

2,2

= 0,44 а.

Смешанное соединение.
Последовательное соедине-
ние источников тока при-
меняется в том случае,

когда напряжение отдель-
ных источников тока мало
и не обеспечивает нор-
мальную работу потреби-
телей.

Параллельное же сое-
динение используется тог-
да, когда напряжение од-
ного источника тока доста-
точно для работы потреби-

Фиг. 51. Смешанное соединение источников
тока применяется тогда, когда отдельный
источник не б состоянии обеспечить напря-
жение и ток, необходимые для нормальной
работы потребителей

телей, но они
большой ток,
в состоянии
источник.

потребляют
который не

дать

ОДИН

В тех случаях,
отдельный источник

не обеспечивает возможности получения требуемого тока

когда
тока

и на-

пряжения, применяют одновременно последовательное и парал-
лельное соединение источников тока, такой способ их соединения

носит название смешанного соединения.
Нафиг. 51 показано смешанное соединение четырёх источников
тока; оно составлено из двух параллельных групп, в каждой
из которых имеется по два последовательно соединённых источ-
ника.

Пример 25. Выбрать аккумуляторную батарею (определить число акку-
муляторов и способ их соединения), необходимую для аварийного питания
электроэнергией ламп сигнального и служебного освещения. Лампы
работают при напряжении О = 50 в и потребляют ток I = 12 а;
каждый аккумулятор имеет напряжение = 2 в и может отдать ток
'ак-= 6 а.

Решение. Количество параллельных групп в аккумуляторной батарее

I 12 _
ппар — г ~ о — 2.
1 ак 4

Количество последовательно соединённых аккумуляторов

Г 50

ПпоС— {] ~ 9 —

16. Работа и мощность электрического тока

Электрическая энергия. В природе и в технике непрерывно
происходят процессы превращения энергии из одного вида е другой
(фиг. 52). В источниках тока различные виды энергии (механи-

Фиг. 52- Пути превращения энергии

ческая, тепловая, химическая и лучистая) превращаются в элек-
трическую энергию.

В электрических потребителях, наоборот, электрическая энер-
гия превращается в другие виды энергии—тепловую, механическую,
химическую, лучистую и пр. Так, например, в нагревательных
приборах электрическая энергия превращается в тепловую;
в электрических двигателях, которые приводят в движение ма-
шины, станки, электровозы и тепловозы, — в механическую;
6 Заказ 799 65
ё аккумуляторах при их зарядке — в химическую; в электрических
лампах — в лучистую и тепловую.

Электрическая энергия Л, потребляемая на каком-либо участке
электрической цепи или каким-либо потребителем, численно равна
произведению напряжения У, действующего на данном участке
цепи или приложенного к данному потребителю, на ток /, про-
ходящий по участку цепи или по потребителю, и на время /,
в течение которого проходит ток:

д = ин. (35)

Энергия, которая создаётся электрическим током в 1 а при
напряжении 1 в в течение 1 сек, принята за единицу электри-
ческой энергии и называется ватт-секунда (вт-сек).

Ватт-секунду иногда называют также джоулем (дж). Ватт-
секунда очень маленькая единица, поэтому на практике для
измерения электрической энергии приняты более крупные единицы,
а именно:

1 ватт-час (вт-ч) = 3 600 вт-сек\

1 гектоватт-час (гвт-ч)=100 вт-ч = 360 000 вт-сек.

1 киловатт-час (квт-ч) = 1000 вт-ч = 3 600000 вт-сек.

Электрическая энергия, расходуемая в небольших установках,
для освещения и для питания бытовых нагревательных приборов,
подсчитывается обыкновенно в гектоватт-часах^ энергия, потреб-
ляемая заводами, фабриками и электрическими локомотивами, — в
киловатт-часах.

Пример 26. Электрическая плитка, включённая в сеть напряжением
220 о, потребляет ток 5 а. Определить расход электрической энергии при
использовании плитки в течение 3 час. и стоимость пользования ею, если
1 гвт-ч электроэнергии стоит 4 коп.

Решение. Электрическая энергия, потребляемая плиткой,

А = 220 ’ 5 • 3 — 3 300 вт-ч = 33 гвт-ч.

Стоимость электроэнергии

33 • 4 = 1 р. 32 к.

Электрическая мощность. Энергия, получаемая потребителем
или отдаваемая источником тока в течение 1 сек., называется
мощностью. Мощность обозначается буквой Р.

Мощность равняется произведению напряжения и на ток /,
т. е.

Р—Ш. (36)

Используя закон Ома для определения тока и напряжения
в зависимости от сопротивления Р, получим следующие выраже-
ния для мощности:

а) электрическая мощность равна произведению квадрата
величины тока на сопротивление

Р = РР; (36')
б) электрическая мощность равна квадрату напряжения, по-
делённому на сопротивление,

Мощность, которая создаётся током в 1 а при напряжении 1 в,
принята за единицу мощности и называется ватт (вгп).

В технике мощность измеряют более крупными единицами—
киловаттами:

1 киловатт (кет) = 1 000 вгп.

Пример 27. Электрический двигатель электровоза питается напряже-
нием 1 500 в при тске 285 а. Определить мощность, потребляемую дви-
гателем.

Решен не.

р « 1Л = I 500 • 285 = 427 500 е = 427,5 кет.

Пример 28. Через электрическую плитку сопротивлением 24 ом проходит
ток 5 а; определить мощность, потребляемую плиткой.

Решение.

р рр = 52 . 24 = 600 ет.

Пример 29. Электрическая лампочка сопротивлением 484 ом включена
под напряжение 220 б. Определить мощность, потребляемую лампочкой:

О’2 2202

Р = ~р ~ 484 = 100 вт'

Мощность иногда измеряют в лошадиных силах (л. с.).

Между лошадиной силой и киловаттом имеются следующие
соотношения:

1л с = 736 вт = 0,736 к.вт;

1 кет = 1,36 л. с.

Потери энергии и коэффициент полезного действия. При пре-
вращении электрической энергии в другие виды энергии (меха-
ническую, тепловую и пр.), или наоборот, не вся энергия превра-
щается из одного вида в другой; часть её непроизводительно
затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках
машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны
в любой машине и в любом аппарате.

Отношение мощности, отдаваемой источником тока или по-
требителем, к получаемой им мощности называется коэффициентом
полезного действия. Коэффициент полезного действия (к.п.д.)
обозначается буквой тд; он равен

(37)

где Р2— отдаваемая (полезная) мощность;

Р] — получаемая мощность;

ДР — потери мощности.
Коэффициент полезного действия всегда меньше единицы,
так как в любой машине и аппарате имеются потери энергии.
Иногда к.п.д. выражают в процентах. Так, например, тяго-
вые электродвигатели электровозов и тепловозов имеют коэффи-
циент полезного действия от 86 до 92?4, мощные трансформаторы
от 96 до 98%, тяговые подстанции от 94 до 96%, контактная
сеть электрических железных дорог около 90%, генераторы
тепловозов 92 — 94%.

Фиг. 53. Схема преобразования энергии в электрической цепи

Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в элек-
трической цепи, изображённой на фиг. 53. Генератор, питающий

эту цепь, получает от первичного двигателя
машины и пр.) механическую мощность Рмех =
электрическую мощность Рэл = 26 кет (2,9
собой потери мощности в генераторе).

Поэтому он имеет к.п.д., равный

РЭЛ 26 _Л о

~ 28,9 — '

(дизеля, паровой
28,9 кет, а отдаёт
кет представляет

Мощность Рэл ~ 26 кет, отдаваемая генератором, расходуется
на питание электрических ламп — 6 кет, на нагрев электрических
плиток—7,2 кет и на питание электродвигателя—10,8 кет.

Часть мощности &Рпр = 2 кет теряется па бесполезный нагрев
проводов, соединяющих генератор с потребителями. Потери мощ-
68
ности в электрических проводах &Р„р при прохождении по ним
электрического тока 1 могут быть подсчитаны по формуле

(38)
где /?„— сопротивление проводов, зависящее от их длины и
поперечного сечения.

Следовательно, чем больше длина проводов и чем меньше их
поперечное сечение, тем больше потери мощности и энергии
в проводах.

В каждом потребителе также имеют место потери мощности,
например, потери мощности в электрическом двигателе состав-
ляют 0,8 кет (он получает из сети мощность 10,8 кет, а отдаёт
только 10 кет), поэтому к. п.д. его равен

= Т0”8 = 0,925‘

Из мощности 6 кет, полученной лампами, лишь незначитель-
ная часть идёт на создание лучистой энергии, большая часть её
бесполезно рассеивается в виде тепла. В электрической плитке
на нагрев пищи расходуется не вся полученная мощность 7,2 кет,
так как часть созданного ею тепла рассеивается в окружающем
пространстве.

При рассмотрении электрических цепей наряду с определением
токов и напряжений, действующих на отдельных участках, не-
обходимо определять и проходящую по ним мощность. При этом
должен соблюдаться так называемый энергетический баланс, или
баланс мощностей. Это означает, что мощность, получаемая
каким-либо устройством (источником тока или потребителем) или
участком электрической цепи, должна быть равна сумме, отдавае-
мой ими мощности и потерь мощности, которые возникают в дан-
ном устройстве или участке цепи.

Пример 30. Определить к. п. д. тягового двигателя, отдающего мощ-
ность 400 кет, если потери мощности в нём составляют ДР = 32 кет.
Какова мощность Р1Т потребляемая двигателем, и потребляемый ток I при
напряжении У = 1 500 в?

Решение.

Р2 400

~ Р2 + ДР ~ 400 Д- 32 “ 0,925 = 92>5%’
потребляемая мощность

Рх = р2 + др = 400 + 32 = 432 кет;
потребляемый ток

, Рг 432 000

1 “ У “ 1 500 “ :"88 а‘

17. Тепловое действие тока

Выделение тепла электрическим током. При прохождении
электрического тока по проводнику в результате столкновений
свободных электронов с его атомами и ионами проводник на-
гревается.
Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении
электрического тока, определяется законом Ленца—Джоуля.
Согласно этому закону количество выделенного тепла пропор-
ционально квадрату величины тока, сопротивлению проводника
и времени прохождения тока через проводник:

р = 0,24/Ж (39)

В этой формуле С)—количество тепла, измеряемое в калориях
(калория — единица измерения теплоты — количество тепла,
необходимое для нагревания 1 г воды на 1°С), I — ток в а,
Я — сопротивление в олц /— время в сек.

Произведение 7-7?/ представляет собой электрическую энергию,
потребляемую данным проводником. Следовательно, количество
выделившегося тепла пропорционально количеству электрической
энергии, поступившей в данный проводник.

Постоянная величина 0,24 выражает собой соотношение между
единицами тепловой и электрической энергии, т. е.

1 в/л-сел = 0,24 кал.

Пример 31. Определить количество тепла, выделившегося в течение
I часа в электрической плитке, если плитка включена под напряжение
220 в, а сопротивление её спирали 55 ом.

Решение. Ток, поступающий в плитку,

, У 220

1 ~ ~ 55 ~ 4 а'

Количество выделившегося тепла

(? = 0,24 Г* XI = 0,24 • 42 • 55 • 3 600 = 760 320 кал.

Допустимая величина тока. Превращение электрической энер-
гии в тепловую нашло широчайшее применение в технике. Па этом
принципе основаны различные производственные и бытовые электро-
нагревательные приборы (электрические печи, электроплитки,
электрические паяльники и пр.), а также электрические лампочки
накаливания, аппараты для электрической сварки и пр.

Однако во многих электрических устройствах, например, элек-
трических машинах и аппаратах, электрических проводах и? д.,
превращение электрической энергии в тепло вредно, так как это
тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих
машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреж-
дения и аварии.

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он
находится, может пропускать через себя, не перегреваясь, ток не
превышающий некоторую допустимую величину. Эта величина
характеризуется допустимой плотностью тока й, т. е. величиной
тока /, приходящейся на 1 мм1 площади поперечного сечения 5
проводника

8 = / (40)

О
Так, например, допустимая плотность тока в проводах сило-
вых и осветительных сетей не должна превышать 5 а'мм', в
обмотках электродвигателя и генераторов 3 — 6 а!мм^ в нити
осветительной электрической лампочки 15 а!мм1.

Превышение допустимой величины тока в проводнике может

вызвать чрезмерное повышение его температуры.

При температуре, превышающей допускаемую величину, изо-
ляция проводов электродвигателей, генераторов и электриче-

ских сетей начнёт обу-
гливаться и гореть, что
может привести к ко-
роткому замыканию и
пожару. Неизолирован-
ные же провода могут
при высокой температу-
ре расплавиться и обо-
рваться.

Для того чтобы пре-
дотвратить недопустимое
увеличение тока, во всех
электрических установ-
ках должны принимать-
ся меры для автомати-
ческого отключения от
источника электриче-
ской энергии тех потре-
бителей или участков
электрической цепи, в
которых имеет место
перегрузка или корот-

НеппотныИ
ко игла нт

Фиг. 54. При неплотном электрическом кон-
такте и плохом соединении между собой элек-
трических проводов в месте соединения выде-
ляется большое количество тепла

кое замыкание.

Для этой цели в технике очень широко используются плавкие
предохранители, тепловые реле и другие устройства (см. § 77).

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев
проводника, как вытекает из закона Ленца—Джоуля, может проис-
ходить не только вследствие прохождения по нему тока большой
величины, но и вследствие повышения сопротивления проводника.
Поэтому для надёжной работы электрических установок имеет
большое значение величина сопротивления в месте соединения
отдельных проводников.

При неплотном электрическом контакте и плохом соединении
проводников (фиг. 54) электрическое сопротивление в месте их
соединения (так называемое переходное сопротивление электри-
ческого контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усилен-
ное выделение тепла. В результате место неплотного соединения
проводников будет представлять собой источник пожарной опас-
ности, а значительный нагрев может привести к полному выгора-
нию плохо соединённых проводников.
Во избежание этого при соединении проводов па электропод-
вижном составе концы их тщательно очищают, облуживают и впаи-
вают в кабельные наконечники, которые надёжно прикрепляют
болтами к зажимам электрических машин и аппаратов.

Специальные меры принимаются и для уменьшения переходного
сопротивления между контактами электрических аппаратов, осу-
ществляющих включение и выключение тока (см. § 75).

Контрольные вопросы

I. Как образуется электрическая цепь и из каких частей она состоит?

2. Из каких элементов состоит электрическая цепь участка электри-
ческой железной дороги?

3. Сформулируйте закон Ома для электрической цепи и для отдель-
ного её участка.

4. Что такое падение напряжения и как оно определяется?

5. Для чего применяются сопротивления и реостаты и из чего они
изготовляются?

6. Что такое делитель напряжения (или потенциометр)?

7. Какое существует соотношение между э. д. с. источника тока и
напряжением на его зажимах?

8. Как подсчитывается падение напряжения в проводах?

9. Сформулируйте первый и второй законы Кирхгофа.

10. Как определить общее сопротивление при последовательном,
параллельном и смешанном соединениях сопротивлений?

11. Как определить общую э. д. с. при последовательном, параллель-
ном и смешанном соединениях источников тока?

12. Какие источники тока можно соединять параллельно?

13. Какие преимущества параллельного соединения потребителей по
сравнению с последовательным?

14. Чему равна электрическая энергия, расходуемая каким-либо по-
требителем, в чем она измеряется?

15. Что такое электрическая мощность и б чём она измеряется?

16. Что такое коэффициент полезного действия (к. п. д.)?

17. Сформулируйте закон Ленца — Джоуля.

18. В каких случаях превращение электрической энергии в тепловую
оказывает вредное влияние?

19. Что такое плотность тока?

20. Что такое переходное сопротивление и какие меры применяют
для его уменьшения?
ГЛАВА III

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

18. Магнитное поле

Фиг. 55. Магнитное поле прояв-
ляет себя в виде сил, дей-
ствующих на движущиеся элект-
рические заряды; оно откло-
няет их от своего первона-
чального пути

При прохождении электрического тока по проводнику вокруг
него образуется магнитное поле. Ма1 ннтное поле представляет собой
особую форму материи. Магнитное и электрическое поля неразрывны
и образуют совместно единое элек-
тромагнитное поле. В магнитном поле
всегда находится в распределённом
виде энергия. Эта энергия проявляет
себя в виде сил, действующих на от-
дельные движущиеся электрические
заряды (электроны и ионы) и на их
потоки, которые представляют собой
электрический ток.

Под влиянием сил магнитного по-
ля движущиеся заряженные частицы
отклоняются от своего первоначаль-
ного пути в направлении, перпенди-
кулярном полю (фиг. 55). Магнитное
поле образуется только вокруг дви-
жущихся электрических зарядов и
его действие распространяется тоже
лишь на движущиеся заряды.

Направление магнитного поля.

Направление магнитного поля в
каждой точке пространства может
быть определено при помощи маг-
нитной стрелки, помещённой в эту
точку (фиг. 56). Направление, в ко-
тором устанавливается северный ко-
нец стрелки под действием сил поля,
принимают за направление магнит-
ного поля.

Графически направление магнитного поля изображают магнит-
ными силовыми линиями; их проводят так, чтобы направление
силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил
поля; магнитные силовые линии всегда являются замкнутыми.
На фиг. 57,а показано магнитное поле постоянного магнита; тот
конец его, из которого выходят силовые линии, принято считать
северным полюсом; противоположный конец, в который силовые
линии входят, — южным полюсом.

Фиг. 56. Направление магнитного поля в каждой точке пространства может
быть определено с помощью магнитной стрелки:

а — при отсутствии тока в проводнике стрелка устанавливается в направлении магнит-
ного поля земли; б —при протекании тока по проводнику она поворачивается в на-
правлении магнитного поля, образующегося вокруг проводника

Распределение силовых линий между полюсами плоского маг-
нита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпан-
ных на лист бумаги, положенный на полюсы (фиг. 57, б).

Фиг. 57. Силовые магнитные линии выходят из северного полюса магнита
и входят в южный:

а—магнитное поле плоского постоянного магнита; б —распределение силовых линий
вокруг магнита

При протекании тока по прямолинейному проводнику вокруг
него возникает круговое магнитное поле. Магнитные силовые линии
этого поля располагаются по концентрическим окружностям,
в центре которых находится проводник с током (см. фиг. 56,6).

Направление магнитного поля всегда находится в строгом со-
ответствии с направлением тока, протекающего по проводнику.
74
Это направление можно определить по правилу буравчика (фиг. 58, а).
Если мысленно ввинчивать буравчик в провод по направлению

тока, то направление вращения его ру-
коятки будет совпадать с направлением
магнитных силовых линий поля.

Так, например, если ток протекает
по проводнику в направлении от нас за
плоскость листа книги (на фиг. 58, б это
направление условно показано крести-
ком), то магнитное поле, возникающее
вокруг этого проводника, направлено
по часовой стрелке. Если ток по про-
воднику протекает по направлению от
плоскости листа книги к нам (на фиг. 58, б
это направление условно показано точ-
кой), то магнитное поле вокруг провод-
ника направлено против часовой стрелки.

Чем больше ток, протекающий по
проводнику, тем сильнее возникающее

Фиг. 59. Чем больше

ток в проводе, тем силь-
нее возникающее вокруг
него магнитное поле и
тем больше отклоняется
магнитная стрелка. При
изменении направления
тока изменяется и на-
правление поля

Фиг. 58. Направление магнитного поля
вокруг проводника с током определяется
по правилу буравчика, при ввинчивании
буравчика в проводник по направлению
тока направление вращения его рукоятки
совпадает с направлением магнитных
силовых линий поля

вокруг пего магнитное поле (фиг. 59). При изменении направления
тока магнитное поле также изменяет своё направление.

Способы усиления магнитных полей. Для получения сильных
магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число
проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое
устройство называют обмоткой, или катушкой.

При свёртывании проводника в виток (фиг. 60, а} магнитные
поля, образованные всеми участками этого проводника, будут

Фиг. 60. При свёртывании проводника в виток интенсивность магнитного
поля внутри него увеличивается. При объединении ряда витков в катушку
магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются, образуя
общее поле катушки

внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность
магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямоли-
нейного проводника.

При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные
отдельными витками, складываются (фиг. 60, б) и их силовые ли-
нии соединяются в общий магнитный поток. При этом концентра-
ция силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное
поле внутри неё усиливается. Чем больше ток, пропускаемый через
катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катуш-

Фнг 61. Катушка, обтекаемая током с находящимся внутри неё
железным сердечником, представляет собой электромагнит

кой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также скла-
дывается из магнитных нолей отдельных витков; однако снаружи
катушки магнитные силовые линии располагаются не так густо,
вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика,
как внутри катушки.
Из рассмотрения фиг. 60, б видно, что магнитное поле катушки,
обтекаемой током, имеет такую же форму, как и поле прямолиней-
ного постоянного магнита (см. фиг. 57); силовые магнитные линии вы-
ходят из одного конца катушки и входят в другой её конец.
Поэтому катушка, обтекаемая током, представляет собой как бы
искусственный электрический магнит; обычно для усиления маг-
нитного поля внутрь катушки вставляют железный сердечник;
такое устройство называется электромагнитом (фиг. 61).

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в тех-
нике. Они создают магнитное поле, необходимое для работы элек-
трических машин (см. главы IV и VIII), а также электродинами-
ческие усилия, требуемые для работы различных электроизмери-
тельных приборов и электрических аппаратов (см. главы IX и XI).

Полярность концов катушки можно определить так же, как
и полярность постоянного магнита, при помощи магнитной
стрелки (см. фиг. 60), К северному полюсу магнитная стрелка пово-
рачивается своим южным концом, к южному полюсу она повора-
чивается северным концом.

Магнитная индукция и магнитный поток. Интенсивность маг-
нитного поля, т. е. способность его производить работу, определяется
величиной, называемой магнитной индукцией (обозначают бук-
вой В). Чем сильнее магнитное поле, созданное постоянным
магнитом или электромагнитом, тем большую оно имеет индукцию.
Магнитную индукцию можно характеризовать плотностью сило-
вых магнитных линий, т. е, количеством силовых линий, про-
ходящих через площадку в 1 см2, расположенную перпендику-
лярно магнитному полю.

Общее число магнитных силовых линий, проходящих через
какую-либо поверхность, называется магнитным потоком (обозна-
чают буквой Ф). Следовательно, магнитная индукция равна
потоку, поделённому на площадь 5 поперечного сечения, через
которую проходят магнитные силовые линии:

в=|. (40)

Отсюда следует, что магнитный поток равен

Ф = В8. (40')

В практической системе магнитный поток измеряется в вольт-
секунд ах (в-сек).

Существует также и меньшая единица для измерения магнит-
ного потока, называемая максвеллом (мкс). Между вольт-секундой
и максвеллом существует следующее соотношение:

1 в-сек — 100 000 С00 мкс.

Магнитная индукция в практической системе единиц измеряется
. „ / в-сек \

в вольт-секундах на 1 м2 [---?—)♦ Применяют также и другие
единицы для измерения индукции: вольт-секунда на 1 см* ------—)

\ см2 /
и гаусс (гг).

Л\ежду этими единицами существуют следующие соотношения:

1 _в:с™ = 10000-^1^-= 100000000 гс.
см2 м2

Пример 32. Магнитная индукция в сердечнике главного полюса тяго-
вого двигателя составляет 15 000 гс.

Полюс имеет длину 300 мм и полезную ширину 220 мм (за вычетом изо-
ляционных прокладок между отдельными стальными листами — см. § 23).

Определить магнитный поток, проходящий через полюс.

Р е ш е и и е. Полезная площадь поперечного сечения полюса (площадь,
занимаемая железными листами)

5 = 30 • 22 = 660 см*.

Магнитный поток полюса по формуле (40')

Ф ~ В8 = 15 000 - 660 = 9 900 000 мкс = 0,099 в-сек.

Магнитная проницаемость. Интенсивность магнитного поля
зависит не только от величины тока, протекающего по провод-
нику или по катушке, но также и от свойств среды, в которой
создаётся магнитное поле.

Величиной, характеризующей магнитные свойства среды,
служит магнитная проницаемость (обозначают буквой р.). Единицей
„ ом ‘ сек

измерения магнитной проницаемости является —- — .

В среде с большей магнитной проницаемостью электрический
ток определённой величины создаст магнитное ноле большей
интенсивности.

Из опытов установлено, что магнитная проницаемость воздуха
и всех веществ, за исключением так называемых ферромагнитных
материалов (железо, никель, кобальт и их сплавы), имеет примерно
то же значение, что и магнитная проницаемость пустоты. В прак-
тической системе единиц величина её равна

ом • сек

р0 == 0,000 001 257 - г— •

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи
и даже десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости
неферромагнитных веществ.

Отношение, магнитной проницаемости какого-либо вещества
к магнитной проницаемости пустоты р0 носит название относи-
тельной магнитной проницаемости

Но

Напряжённость магнитного поля. При расчете
часто пользуются вспомогательной величиной,
7й

магнитного поля
называемой на’
Пряженностью магнитного поля (обозначают буквой //),
которая не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает
влияние величины тока и формы проводов на интенсивность
магнитного поля в данной точке.

Магнитная индукция и напряжённость связаны между собой
соотношением

Я = р/Л (41)

откуда

Н=—. (41')

р-

Напряжённость магнитного поля измеряется в амперах па метр
(а/м) или амперах на сантиметр (а/си).

§19. Магнитные свойства различных веществ

Ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные материалы.
Все вещества — твёрдые, жидкие и газообразные — являются маг-
нитными, так как в магнитном поле они приобретают новые свойства.
Однако в зависимости от магнитных свойств эти вещества можно
подразделить на три группы: ферромагнитные, парамагнитные и
диамагнитные материалы.

Фиг. 02. Ферромагнитные и диамагнитные материалы ведут себя
б магнитном поле различным образом:

а —стержень из ферромагнитного материала —железа—устанавливается в магнитном
поле вдоль силовых линий; б —стержень из диамагнитного материала—висмута — уста-
навливается поперёк силовых линий магнитного поля

К ферромагнитным материалам относятся: железо, кобальт,
никель и их сплавы, а также редкий металл гадолиний.

Ферромагнитные материалы обладают весьма высокой магнит-
ной проницаемостью, притягиваются к магнитам и хорошо намаг-
ничиваются. Стерженёк из ферромагнитного материала устанав-
ливается в магнитном поле вдоль силовых линий (фиг. 62, а).

К парамагнитным материалам относятся: алюминий, олово,
хром, марганец, платина, вольфрам, растворы солей железа и др.
Они намагничиваются очень слабо, поэтому к магнитам парамаг-
Фиг. 63. Магнитные свойства атомов вы-
зываются вращением электронов вокруг
собственной оси и вокруг ядра атома.
При этом каждый атом представляет со-
бой как бы мельчайший (элементарный)
магнит

нитпые мащриалы притягиваются в сотни тысяч раз слабее, чем
ферромагнитные материалы.

К диамагнитным материалам относятся: медь, серебро, золото,
свинец, цинк, смола, вода, воздух, большинство газов и пр. Они
намагничиваются так же слабо, как и парамагнитные материалы,
но к магнитам не притягиваются, а наоборот, отталкиваются.
Стерженёк из диамагнитного материала в магнитном поле устанав-
ливается поперёк силовых линий (фиг. 62, б).

Различия между ферро-, пара- и диамагнитными материалами
объясняются свойствами атомов этих веществ.

Как было установлено выше, магнитное поле порождается дви-
жущимися электрическими зарядами. Возникает оно и при вращении
отдельных электронов вокруг
атомного ядра и вокруг соб-
ственной оси (фиг. 63). По-
этому в каждом атоме имеет-
ся магнитное поле. Магнит-
ное поле атома может быть
усилено или ослаблено в за-
висимости от того, как ориен-
тированы магнитные поля от-
дельных его электронов.
Если большинство из них
будет вращаться в одинако-
вом направлении и оси, вок-
руг которых они вращаются,
будут параллельны, то соз-
данные электромагнитные по-
ля будут складываться. При

встречном же направлении вращения и различном направлении
их осей магнитные поля электронов, наоборот, компенсируют
друг друга, вследствие чего магнитное поле у атома будет умень-
шаться или вовсе отсутствовать.

В различных веществах магнитные поля отдельных атомов
по-разному располагаются в пространстве.

У диамагнитных веществ электроны вращаются так, что дей-
ствие одних полей полностью уничтожается действием других, и
атом диамагнитного вещества нейтрален в магнитном отношении.
Однако при внесении диамагнитного вещества во внешнее магнит-
ное поле атомы этого вещества начинают быстро вращаться и полу-
чают магнитные свойства; они становятся как бы элементарными
магнитиками. При этом магнитные поля этих элементарных маг-
нитиков ориентируются так, что северные их полюса устанавлива-
ются против северного полюса внешнего поля; в результате между
атомом и намагнитившим его внешним полем (фиг. 64, а) возни-
кают силы отталкивания.

У атомов пара- и ферромагнитных веществ магнитные поля,
создаваемые электронами, целиком не уничтожаются, и каждый
атом сам по себе является уже готовым элементарным магнитиком.
В таком магнитике оси вращения электронов направлены в одну
И ту же сторону, совпадают и направления вращения электронов.

В парамагнитных веществах эти магнитики расположены совер-
шенно беспорядочно (фиг. 64, б). Во внешнем поле они стремятся
повернуться в направлении действия силовых магнитных линий
этого поля, т. е. установиться в правильном порядке относительно
внешнего поля. Однако этому препятствует непрерывное тепловое
движение атомов1, которое расшатывает правильный строй атомных
магнитиков, вследствие чего намагнитить парамагнитные материалы
не представляется возможным.

о) Вне поля

Вне поля

Во внешнем магнитном поле

о б р б р б"

Фиг. С>4- Лигнитные свойства различных веществ обусловлены различным
расположением в них элементарных магнитов:

а—диамагнитные материалы; 0 — парамагнитные материалы; а — ферромагнитные
материалы

В ферромагнитных веществах электрические силы, действую-
щие между атомами, настолько велики, что они противодействуют
разрушительному влиянию теплового движения. Благодаря этим
силам элементарные магнитики железа, никеля, кобальта и их
сплавов под влиянием внешнего магнитного поля устанавливаются
в правильном порядке, ориентируясь своими полюсами в направ-
лении действия магнитных силовых линий (фиг. 64, в).

Чем сильнее магнитное поле, в котором расположено ферро-
магнитное тело, тем большее число его элементарных магнитиков
ориентируется вдоль силовых линий внешнего поля.

1 Атомы в любом твёрдом теле совершают колебательное движение
вокруг положений равновесия. Энергия колебательного дзижения атомов
тем больше, чем выше температура тела, поэтому такое движение атомов
называется тепловым.

€ Заказ

1216
При высоких температурах тепловое движение атомов сильно
возрастает, вследствие чего строй элементарных магнитиков нару-
шается, и ферромагнитное вещество перестаёт отличаться по своим
магнитным свойствам от парамагнитного. У никеля это наступает
при температуре 350°, у железа—при 770°, у кобальта—при 1 000°.

Ферромагнитные вещества благодаря своей способности намаг-
ничиваться широко применяются при изготовлении электричес-
ких машин, аппаратов и других электротехнических установок.

Кривая намагничивания. Магнитные свойства ферромагнитных
веществ характеризуются кривой намагничивания (фиг. 65),
которая представляет собой зависимость индукции {В) от напряжён-
ности (/Р магнитного поля. Ввиду того что напряжённость магнит-
ного поля определяется величиной тока, посредством которого
намагничивают ферромагнитный материал, эту кривую можно
рассматривать как зависимость индукции от намагничивающего
тока.

Кривую намагничивания мож-
но разбить на три участка:

Фиг. 66- Электротехническая сталь
хорошо пропускает через себя маг-
нитный поток, кривая её намагничи-
вания располагается выше кривых
намагничивания остальных ферро-

о ю го зо м 5о со

Напряженности О а/с,ч
или намагничивающий тон 0 а

Фиг. 65. Кривая намагничивания
имеет три характерных участка:
прямолинейный участок Оа коле-
но— аб и область насыщения пра-
вее точки б

магнитных материалов

прямолинейный участок Оа, на котором магнитная индукция воз-
растает почти пропорционально намагничивающему току (на-
пряжённости поля), участок аб, на котором рост магнитной индук-
ции замедляется и который часто называют коленом кривой
намагничивания, и участок магнитного насыщения за точкой б,
где зависимость В от Н становится опять прямолинейной, но харак-
теризуется весьма медленным нарастанием магнитной индукции
при увеличении напряжённости поля по сравнению с первым и
вторым участками кривой. Последний участок соответствует так
называемому магнитному насыщению ферромаг-
нитного вещества, т. е такому состоянию, когда все элемен-
тарные магнитики уже ориентированы вдоль направления внеш-
него поля.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов характеризу-
ются также их магнитной проницаемостью р. Чем больше магнит-
ная проницаемость, тем больший магнитный поток можно пропустить
через данное ферромагнитное тело. Так как магнитная проницае-
мость ферромагнитных материалов в тысячи и даже десятки тысяч
раз больше магнитной проницаемости воздуха, то, применяя фер-
ромагнитные вещества, можно получить значительную магнитную
индукцию при сравнительно небольшом намагничивающем токе..

На фиг. 66 показаны в качестве примера кривые намагничивания
некоторых ферромагнитных материалов. Как видно из этих кривых,
обычная сталь (стальное литьё) имеет большую магнитную прони-
цаемость и достигает магнитного насыщения при более высоких ин-
дукциях, чем чугун. Электротехническая сталь имеет ещё более
высокую магнитную проницаемость, чем обычная сталь, и дости-
гает насыщения при больших индукциях. Чем выше располагается
кривая намагничивания ферромагнитного материала, тем меньший
намагничивающий ток требуется для создания в нём заданной
индукции, и, следовательно, тем лучше он пропускает магнитный
поток. По мере насыщения ферромагнитного материала магнитная
проницаемость его падает, и по способности пропускать магнит-
ный поток он начинает приближаться к неферромагнитным мате-
риалам.

Перемагничивание ферромагнитных материалов; петля гисте-
резиса. Большое практическое значение, особенно в электрических
машинах и установках переменного тока, имеет процесс перемагничи-
вания ферромагнитных материалов. На фиг. 67 показан график
изменения индукции при намагничивании и размагничивании фер-
ромагнитного материала (при изменении намагничивающего тока /
или напряжённости магнитного поля И).

Как видно из этого графика, при одних и тех же значениях на-
пряжённости магнитного поля магнитная индукция, полученная
при размагничивании ферромагнитного тела (часть аб кривой
изменения индукции — фиг. 67), будет больше индукции, получен-
ной при намагничивании (часть Оа указанной кривой). Когда
напряжённость поля (намагничивающий ток) будет доведена до
нуля, индукция в ферромагнитном материале не уменьшается до
нуля, а сохраняет некоторое значение, соответствующее отрезку
Об. Это значение называется остаточной индукцией.

Явление отставания, или запаздывания, изменений магнитной
индукции от соответствующих изменений напряжённости внешнего
поля называется магнитным гистерезисом. Сохранение же в ферро-
магнитном материале магнитного поля после прекращения проте-
кания намагничивающего тока называется остаточным магнетиз-
мом.

При изменении направления намагничивающего тока можно
полностью размагнитить ферромагнитное тело и довести магнит-
ную индукцию в нём до нуля. Обратная напряжённость Ов,
при которой индукция в ферромагнитном материале уменьшается
до нуля, называется задерживающей, или коэрцитивной, силой.

Следовательно, при перемагничивании ферромагнитного веще-
ства, например, при постепенном намагничивании и размагничи-
вании стального сердечника электромагнита кривая изменения

ток

Фиг 67. При перемагничивании ферромагнит-
ных материалов кривая зависимости индукции
от напряжённости принимает вид петли гисте-
резиса

индукции получает пет-
леобразный характер; её
называют петлёй гисте-
резиса (см. фиг. 67).

Остаточный магне-
тизм. Возникновение
остаточного магнетизма
объясняется тем, что
имеющиеся в ферромаг-
нитном веществе немаг-
нитные включения за-
трудняют поворот эле-
ментарных магнитиков.

В чистом железе, ни-
келе и кобальте таких
посторонних включений
мало, поэтому намагни-
чивание идет легко, а
после прекращения его
материал почти пол-

ностью размагничивается, так как элементарные магнитики под
действием теплового движения атомов легко возвращаются в пер-
воначальное беспорядочное состояние. Поэтому из чистого однород-
ного железа никогда не удаётся изготовить постоянный магнит.

В стали, где имеется много посторонних включений (частички
углерода, серы, фосфора, кремния, марганца и пр.), для поворота
элементарных магнитиков требуется значительно более сильное
магнитное поле, чем для железа, и поворот их связан с затратой
большего количества энергии. Размагничивание также затруднено
и не происходит до конца, так как посторонние включения тор-
мозят обратный поворот элементарных магнитиков; поэтому в стали
остаётся остаточный магнетизм. Чем выше коэрцитивная сила
ферромагнитного материала, тем более сильный магнит можно из
него приготовить.

Потери энергии при перемагничивании; магнитно-мягкие и маг-
нитно-твёрдые материалы. При непрерывном перемагничивании
ферромагнитного вещества элементарные магнитики непрерывно
поворачиваются, на что затрачивается определённая энергия.
Эта энергия выделяется в виде тепла, вызывая нагревание ферро-
магнитного вещества. Потери энергии, связанные с процессом пере-
магничивания стали, называются потерями на гистерезис, величина
этих потерь при каждом цикле перемагничивания пропорциональна
84
площади петли гистерезиса. В зависимости от ширины петли
гистерезиса ферромагнитные материалы разделяются на магнитно-
мягкие и магнитно-твёрдые (фиг. 68).

Магнитно-мягкие материалы обычно используют для работы
в переменном магнитном поле, так как малая ширина петли гисте-
резиса обусловливает сравнительно малые потери энергии при
перемагничивании. К магнитно-мягким материалам относятся:
электротехническая сталь, обычные стали и пр.

В частности, электротехническая сталь, обладая малой коэрци-
тивной силой, имеет весьма высокую магнитную проницаемость,
что делает её наилучшим материалом для изготовления различных
магнитопроводящих частей з электрических машинах и аппаратах.

Фиг. 68. Характеристики ферромагнитных материалов:

а —магнитно-твёрдые материалы имеют широкую петлю гистерезиса;
б—магнитно-мягкие —узкую петлю гистерезиса; в— магнитодиэлектрики —
узкую петлю гистерезиса с постоянной магнитной проницаемостью

Ещё большую магнитную проницаемость и меньшую коэрци-
тивную силу имеют специальные сплавы железа и никеля — пер-
маллой, перминвар и др., которые применяются в радиотехнике и
телефонии.

Магнитно-твёрдые материалы находят применение для изготов-
ления постоянных магнитов, используемых в электроизмеритель-
ных приборах, телефонах, некоторых реле и пр. К ним относятся
сплавы из железа, кобальта, никеля и алюминия (кобальтовая
сталь, сплав магнико и пр.).

Существует также особая группа ферромагнитных материалов,
называемая магнитодиэлектриками. Они состоят из мельчайших
частичек (порошков) ферромагнитного материала с большой мм-
н пт ной проницаемостью, связанных между собой частичками смолы.
Отличительной особенностью магнитодиэлектриков является доволь-
но постоянная магнитная проницаемость и узкая петля гистере-
зиса. Поэтому они применяются для изготовления сердечни-
ков катушек, работающих при переменном токе высокой частоты
(в телефонии и радиотехнике).
20. Магнитная цепь

Магнитные цепи. Для того чтобы сосредоточить магнитное
поле в определённой части электрической машины, аппарата или
прибора, в конструкции этих устройств широко применяются раз-
личного рода магнитопроводы, выполненные из ферромагнитных
материалов, через которые замыкается магнитный поток электромаг-
нитов или постоянных магнитов. Совокупность этих магнитопро-

водов с разделяющими их воз-
душными зазорами составляет
магнитную цепь электриче-
ской машины, аппарата или
прибора.

Фиг. 69. Магнитная цепь электромагнита (а) и машины постоянного
тока (б). При переходе магнитного потока через воздушные промежутки,
отделяющие различные ферромагнитные детали, часть потока рассеивается

14а фиг. 69, а изображена в качестве примера магнитная цепь
электромагнитного реле, которая включает в себя три участка:
сердечник с катушкой, якорь и два воздушных зазора. Магнитное
воле в этой цепи создаётся током, обтекающим катушку; созда-
ваемый ею магнитный поток замыкается через сердечник, якорь
и воздушные зазоры.

При переходе через воздушные промежутки, разделяющие раз-
личные ферромагнитные детали, часть магнитного потока рассеи-
вается, поэтому магнитный поток в якоре будет меньше магнит-
ного потока в сердечнике.

На фиг. 68, б показана магнитная цепь электрической маши-
ны постоянного тока. Магнитное поле в этой цепи создаётся то-
ком, обтекающим катушки, расположенные на полюсах. Эш
катушки носят название обмоток возбуждения. Создаваемый ими
магнитный поток проходит через сердечники полюсов, вращаю-
щуюся часть машины, называемую якорем, воздушные зазоры
между полюсами и якорем и замыкается через остов.

Намагничивающая сила и магнитное сопротивление. Величина
магнитного потока Ф, создаваемого в магнитной цепи током,
протекающим по проводнику или по какой-либо катушке, опре-
деляется формулой

(42)

магн

где I — ток, протекающий по проводнику или катушке;

цу— число витков катушки;

Кмагн— магнитное сопротивление магнитной цепи, по которой

замыкается поток Ф

Выражение 1и) называется намагничивающей силой; она пред-
ставляет собой произведение тока на число витков катушки.
В технической литературе эту величину называют иногда магнито-
движущей силой.

Намагничивающая сила измеряется в амперах; в практике её
иногда выражают в ампер-витках.

Действие намагничивающей силы в принципе аналогично дей-
ствию электродвижущей силы. Подобно тому, как э. д. с. является
причиной возникновения тока в электрической цепи, так и намаг-
ничивающая сила является причиной возникновения магнитного
потока в магнитной цепи. Чем больше намагничивающая сила, соз-
даваемая катушкой электромагнита, тем больший магнитный поток
проходит по его магнитной цепи.

Магнитное сопротивление #магн может быть подсчитано по
формуле

Кмаен = 4 (43)

Цо

где I — длина магнитопровода;

5—площадь его поперечного сечения;

р, — магнитная проницаемость материала, из которого он вы-

полнен.

Магнитное сопротивление играет в магнитной цепи роль, анало-
гичную электрическому сопротивлению цепи. Так же как в электри-
ческой цепи с увеличением сопротивления уменьшается ток, так и
в магнитной цепи с увеличением магнитного сопротивления умень-
шается магнитный поток.

Принципы расчёта магнитных цепей. Учитывая формулу (43)
для магнитного сопротивления, общая формула для определения
магнитного потока принимает вид

, , р-5

Ф '= /щ - у-

(42')

Формула (42х) показывает, что увеличение магнитного потока
в какой-либо электрической машине или аппарате можно обеспе-
чить следующими мероприятиями:

а) увеличением тока, протекающего по катушке, создающей
магнитное поле в данной машине или аппарате;

б) увеличением числа витков этой катушки;
в) применением в магнитной цепи данной машины или аппарата
ферромагнитных материалов с большой магнитной проницаемостью;

г) уменьшением до минимума величины воздушных зазоров,
разделяющих отдельные участки магнитной цепи, выполненные
из ферромагнитных материалов (ввиду того, что магнитная прони-
цаемость воздуха в десятки тысяч раз меньше, чем ферромагнит-
ных материалов, воздушные зазоры, имеющиеся в магнитной цепи,
создают весьма большое магнитное сопротивление);

д) увеличением поперечного сечения магнитопроводов;

е) уменьшением общей длины магнитной цепи и её отдельных
участков.

Все эти меры широко используются при конструировании элек-
трических машин и аппаратов. При конструировании этих устройств
стараются выполнять магнитопроводы из высококачественных фер-
ромагнитных материалов (электротехнической стали или специаль-
ных сплавов), обладающих высокой магнитной проницаемостью,
и свести до минимума величину воздушных зазоров. При расчёте
электрических машин и аппаратов число витков и сечение проводов
катушек, а также поперечное сечение отдельных участков магнитной
цепи подбирают так, чтобы обеспечить прохождение поданной маг-
нитной цепи требуемого магнитного потока.

При проведении практических расчётов обычно не пользуются
формулой (42'), а ведут расчёт по кривым намагничивания (фиг. 66).
Для этого определяют вначале индукции Въ В2, В.3 и т. д. на
отдельных участках магнитной цепи, затем находят по кривым
намагничивания значения магнитной напряжённости Л/1, /72,
и т. д. для этих участков и подсчитывают намагничивающую
силу катушки по формуле

1и) — /1 Н2 /а 4- /3 и т. д.,

(44)

где /2» ^з и т- Д-—Длина соответствующих участков магнитной
цепи.

Пример 33. Определить число витков да катушки электромагнита, необ-
ходимое для прохождения по его магнитной цепи потока Ф — 500 000 мкс.
Через катушку протекает ток 5 а. Магнитопровод электромагнита выполнен
из электротехнической стали и имеет поперечное сечение 5= 40 см2
и среднюю длину / = 100 см.

Решение. Индукция в сердечнике по формуле (40).

_Ф_ _ 500 000

5 = 5 ~ 40

= 12 500 гс.

Напряжённость магнитного поля II в сердечнике по кривым намагни-
чивания для электротехнической ста ли (см. фиг. 66) при индукции 12 500 гс
равна 6 а/см.

Требуемая намагничивающая сила катушки по формуле (44)

/да = III = 5 • 100 = 600 а.

Число витков катушки

/да
да = —

== 120 витков.
Пример 34. Как изменится число витков катушки, если магнитопровод
электромагнита будет иметь воздушный зазор шириной 5 1 магнитная

ом • сек\
проницаемость для воздуха принимается равной р.о = 0,000001257 —— 1 .

Магнитная индукция в воздушном зазоре в практических единицах
12 500 Л в сек

В = 12 500 гс -= 10 = 1,25 •

Напряжённость магнитного поля в воздушном зазоре по формуле (41')

11 = " 0,000001257 ~ 1 000 000 а/м - Ю 000 а/см.

Намагничивающая сила катушки по формуле (44)

= Ну 1у + Н2 /2 = 6 • 100 4- 10 000 . 0,5 = 5 600 а.

Число витков катушки

/ш 5 600

= 1 120 витков.

Таким образом, появление в магнитной цепи электромагнита воздуш
кого зазора шириной 5 мм потребовало увеличения примерно в 9 раз
числа витков катушки.

21. Механические силы, создаваемые магнитным полем

Проводник с током в магнитном поле. Энергия, заключённая

в магнитном поле, может проявлять
которые возникают при взаимодей-
ствии магнитного поля с движу-
щимися электрическими зарядами.

Сила, возникающая при движе-
нии электрического заряда в маг-
нитном поле, действует на него в
направлении, перпендикулярном
движению и направлению силовых
линий, и стремится вытолкнуть за-
ряд из пределов поля (см. фиг. 55).
Электрический ток представляет
собой упорядоченное движение
электронов. Поэтому если поме-
стить в магнитное поле провод-
ник с током, гс между электро-

себя в виде механических сил,

нами, протекающими по провод-
нику, и магнитным полем возник-
нут механические силы, которые,
складываясь, образуют результи-
рующую силу Г, стремящуюся
вытолкнуть проводник из магнит-

Фпг. 70. На проводник с током,
находящийся в магнитном поле,
действует механическая сила, ко-
торая стремится вытолкнуть про-
водник из пределов поля. Направ-
ление этой силы определяется по
правилу левой руки

ного поля (фиг. 70).

Сила, действующая на проводник с током, зависит от густоты
силовых линий магнитного воля, т. е. от его магнитной индукции В,
от величины тока, пропускаемого через проводник, от длины про-
водника, находящегося в магнитном поле, и от расположения его
относительно силовых линий. Чем больше магнитная индукция,
ток и длина проводника, тем больше сила, действующая на про-
водник.

Величина этой силы в кг при расположении проводника пер-
пендикулярно магнитному полю будет равна

где В — индукция в гс\

/ — ток в а;

I—длина проводника, находящегося в магнитном поле, в м.

Пример 35. Определить силу, действующую на каждый проводник
обмотки якоря тягового двигателя, помещённый в магнитное поле с индук-
цией 10 000 гс. Проводник имеет длину 0,3 м я через него проходит
ток 75 а.

Решение. По формуле (45) имеем

г 0,102 г 0,102

р = “юооб вп Тоооб 10000 ’ 75 ’ 0,3 = 2,3 кг-

Направление силы Р обычно определяется по правилу левой
руки: ладонь левой руки нужно расположить так, чтобы магнит-
ные линии входили в неё и четыре вытянутых пальца совпадали
с направлением тока, тогда расположенный под прямым углом
большой палец левой руки укажет направление действия электро-
магнитной силы (см. фиг. 70).

Внешнее
' поле -

Поле
проводника
с током

Реэцльти
оующее
поле

Фиг. 71. Проводник с током искажает внешнее магнитное ноле, соз-
давая по обеим своим сторонам сгущение и разрежение силовых линий

Сила Р возникает только в том случае, если проводник располо-
жен перпендикулярно или под некоторым углом к магнитным си-
ловым линиям поля. Если же проводник расположен вдоль сило-
вых линий поля, то никакой силы взаимодействия поля с провод-
ником не возникнет.
Возникновение силы Р при взаимодействии проводника с током
и магнитного поля можно наглядно представить следующим обра-
зом.

Как нам уже известно, вокруг проводника с током возникает
сюё собственное круговое магнитное поле (фиг. 71). Это поле будет
складываться с внешним магнитным полем, в которое помещён
проводник с током. При этом справа от проводника, где силовые
линии поля проводника совпадают с линиями внешнего поля, про-

исходит сгущение силовых линии;
ловые линии поля проводника на-
правлены навстречу линиям внеш-
него поля, происходит разреже-
ние силовых линий.

Согласно современным воззре-
ниям магнитное поле материально
и магнитные силовые линии обла-
дают свойством упругости, напо-
минающим сгойство резиновых ни-
тей. Стремясь сократиться по дли-
не, они будут выталкивать про-
водник из области сгущения сило-
вых линий в сторону их разреже-
ния, т. е. справа налево. Возни-
кающая при этом сила Р будет
перпендикулярна к магнитным ли-
ниям и к проводнику с током.

Если поместить в магнитное
поле не проводник, а виток (или
катушку), обтекаемый током, и

слева от проводника, где си-

и)

Фиг. 72. Виток или катушка с то-
ком, находящиеся в магнитном
поле, создают вращающий момент,
стремящийся повернуть виток или
катушку в положение, перпенди-
кулярное силовым линиям

расположить его вертикально

(фиг. 72,а), то, применяя правило левой руки к верхней и нижней
сторонам витка, получим, что силы Р, действующие на них, будут
направлены в разные стороны. В результате действия этих двух сил
возникает вращающий момент Л1, который вызовет поворот витка
в данном случае по часовой стрелке. Величина этого вращающей
момента будет равна

М = РИ,

(46

где Л1 — вращающий момент в кгм\

Р — сила, действующая на каждую сторону витка, в кг\

I)—расстояние между сторонами в м.

Виток будет поворачиваться в магнитном поле до тех пор, пока
он не займёт положение, перпендикулярное, магнитным силовым
линиям поля (фиг. 72,6). При таком положении через виток будет
проходить наибольший магнитный поток.

Следовательно, виток или катушка с током, внесённые во внеш-
нее магнитное поле, всегда стремятся занять такое положение,
чтобы силовые линии поля, создаваемого витком или катушкой,
совпадали по направлению с силовыми линиями внешнего магнит-
ного поля и чтобы через виток проходил возможно больший магнит-
ный поток. Свойство витка и катушки с током поворачиваться в
магнитном поле широко используется в электротехнике: электриче-
ские двигатели и ряд электроизмерительных приборов работают
по этому принципу.

Для увеличения вращающего момента в электрических двигате-
лях применяют не один виток, а несколько. Эти витки, соединён-
ные между собой соответствующим образом, образуют обмотку
якоря электрического двигателя.

Пример 36. Определить вращающий момент якоря тягового двигателя.
Обмотка якоря состоит из 570 проводников, которые находятся в магнитном
поле с индукцией В — 10000 гс. Активная длина проводника (длина части
проводника, находящегося в магнитном поле) равна 30 см, а расстояние

провода от оси якоря — 30 см. Ток I = 75 а в каждом проводе имеет та-
кое направление, при котором силы, действующие на проводники, вра-
щают якорь в одну и ту же сторону.

Решение. Сила, действующая на каждый проводник по формуле (45),

„ 0,102 , 0,102

пр '— 000 ВН — 10 000 * 10 000 • 75 • 0,3 — 2,3 кг.

Вращающий момент, создаваемый каждой парой проводников, распо-
ложенных на противоположных сторонах якоря, по формуле (46)

Мпр — ВО — 2,3 • 0,6 = 1,38 кгм.

Вращающий момент, создаваемый всеми проводниками обмотки якоря
(285 парами проводников),

М = 285 Мпр = 285 • 1,38 = 394 кгм.

Механические силы, возникающие при взаимодействии магнит-
ных полей. Механические силы возникают при взаимодействии между
собой магнитных полей постоянных магнитов или электромагни-
тов. При этом одноимённые полюсы магнитов отталкиваются, а
разноимённые притягиваются (фиг. 73).

Фиг. 73. Одноимённые полюсы магнитов отталкиваются,
разноимённые — притягиваются
Механические силы возникают также и при взаимодействии
магнитных полей, появляющихся вокруг проводов с током. При
одинаковом направлении чока проводники будут притягивать-
ся один к другому (фиг. 74, а), а при разном— отталкиваться

Фиг. 74. При взаимодействии магнитных полей вокруг
проводников с током создаются механические силы.
При одинаковом направлении тока проводники будут
притягиваться, при противоположном—отталкиваться

(фиг. 74,6). Такое взаимодействие проводников с токами называется
электродинамическим. На нём основано устройство некоторых
электроизмерительных приборов.

Особенно большие силы между проводами могут возникнуть
при коротких замыканиях. Поэтому короткие замыкания нередко
сопровождаются не только тепловым, но и механическим разруше-
нием электрических установок и устройств.

Фиг. 75. Сила, с которой электро-
магнит притягивает к себе ферро-
магнитные тела, зависит от вели-
чины магнитной индукции в воз-
душном зазоре электромагнита и
от площади полюсов его сердеч-
ника

Сила притяжения электромагнита. Любой ферромагнитный ма-
териал, помещённый в магнитное поле, приобретает свойства маг-
нита. Поэтому магнит или электромагнит будет притягивать к се-
бе ферромагнитные тела. На этом свойстве основано устройство
разного рода подъёмных и втягивающих электромагнитов, широко
применяемых в электрических приборах и аппаратах.

Сила Г, с которой магнит или электромагнит (фиг. 75) притя-
гивает к себе ферромагнитные тела, зависит от магнитной индук-
цни в воздушном зазоре электромагнита и от площади полюсов его
сердечника.

Величина этой силы в кг равна

(47)

где В— магнитная индукция в гс;
3—сечение полюсов в см2.

Пример 37. Определить силу притяжения электромагнита, если созда-
ваемая им индукция В “ 10 000 гс, а площадь поперечного сечения полю-
сов 5 = 25 см2.

Решение. По формуле (47) имеем

кг.

В \2 / 10 000\2

5 000 1 5 = ( 5 000 ) 25 = 100

Магнитный поток, создаваемый катушкой электромагнита, а
следовательно, и магнитная индукция В в воздушном зазоре, как
было указано выше, зависят от намагничивающей силы катушки,
т. е. от числа её витков и протекающего по ней тока. Поэтому силу Г,
создаваемую электромагнитом, можно регулировать, изменяя ток
в его катушке.

22. Электромагнитная индукция

Направление движения

вдоль проводника

Фиг. 76. При перемещении проводника в маг-
нитном поле имеющиеся в нем свободные элект-
роны под действием сил поля перемещаются
вдоль проводника, вследствие чего между его
концами возникает некоторая разность по-
тенциалов

Индуктирование э. д. с. При перемещении проводника в магнит-
ном поле в нём возникает, или, как говорят, индуктируется электро-
движущая сила. Это яв-
ление называется элект-
ромагнитной индукцией.
Возникновение э. д. с.
объясняется действием
сил магнитного поля на
находящиеся в провод-
никах свободные элект-
роны.

При перемещении
проводника в магнитном
поле вместе с ним пе-
ремещаются и находя-
щиеся в нём свободные
электроны. При этом на
свободные электроны
будут действовать силы
магнитного поля, под

влиянием которых электроны начнут двигаться вдоль проводника
(фиг. 76). В результате этого движения на одном конце проводника
94
накопятся свободные электроны и возникнет отрицательный элект-
рический заряд, а на другом конце, ввиду недостатка электронов,
появится положительный заряд.

Такое разделение электрических зарядов при движении провод-
ника в магнитном поле будет происходить до тех пор, пока элект-
ромагнитные силы не уравновесятся силами электрического поля,
возникшего в проводнике в результате появления на его концах
разноимённых электрических зарядов. Разность потенциалов на
концах проводника, возникающая вследствие появления этих за-
рядов, и будет представлять собой индуктированную в провод-
нике электродвижущую силу.

Индуктирование э. д. с. в проводнике происходит независимо
от того, замкнут он или разомкнут. Если присоединить концы этого
проводника к какому-либо электрическому потребителю, то под
влиянием разности потенциалов на концах проводника по замк-
нутой цепи потечёт электрический ток.

В этом случае иногда говорят, что в проводнике индуктируется
электрический ток; в действительности же индуктируется э. д. с.,
а ток является лишь её следствием и возникает только при усло-
вии, что концы проводника соединены непосредственно или через
какое-либо сопротивление.

Величина индуктированной э. д. с., возникающей в проводнике
при его движении в магнитном поле, прямо пропорциональна ин-
дукции магнитного поля, длине проводника и скорости его переме-
щения, т. е.

Р _ .../ля

100000000’ к -

где Е— индуктированная э. д. с. в в;

В — магнитная индукция в гс;

I — длина проводника в см;

V—скорость движения проводника в см/сек в направлении,
перпендикулярном силовым линиям поля.

Пример 38. Проводчик обмотки якоря тепловозного генератора дли-
ной 40 см перемещается в магнитном поле полюсов со скоростью 30 м/сек.
Определить э. д. с., индуктированную в этом проводнике, если индукция
магнитного поля В — 10 000 гс.

Решение. Э. д. с., индуктируемая в проводнике по формуле (48),
В1о 10 000-40-3000

Е ~ 100000000 “ 100000000 ' = 12 в’

Индуктированная э. д. с. возникает только в том случае, если
проводник пересекает магнитное поле. Если же проводник пере-
мещается вдоль силовых линий поля, т. е. как бы скользит по
ним, то никакой э. д. с. в нём не возникает (фиг. 77).

Направление индуктированной э. д. с. определяют правилом
правой руки.

Если ладонь правой руки держать так, чтобы в неё входили маг-
нитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец указывал
бы направление движения проводника (под действием какой-либо
внешней силы), то вытянутые четыре пальца укажут направление
индуктированной э. д. с. (фиг. 78).

Пользуясь этим правилом, легко убедиться в том, что при изме-
нении направления движения проводника будет изменяться и на-

Фиг. 77. При перемещении проводника вдоль магнит-
ных силовых линий поля индуктированная э. д. с.
равна нулю; при перемещении его перпендикулярно
силовым линиям индуктированная э. д. с. имеет
максимальное значение

правление индукти-
рованной э. д. с.

Индуктировать
э. д. с. в проводни-
ках можно и не пе-
ремещая их в маг-
нитном поле. Для
этого необходимо
перемещать само
магнитное поле или
изменять тем или

иным путём магнит-
ный поток, охваты-
ваемый витком, ка-
тушкой или каким-
либо другим замк-

Величина э. д. с.,

индуктированной

нутым контуром.

в катушке при изменении

охватываемого ею магнитного потока, определяется по закону
электромагнитной индукции, называемом также законом Максвелла.
Согласно этому закону индуктированная э. д. с. е пропорциональ-

изменения магнитного потока и

на скорости
ки, т. е.

Д Ф

где ДФг=Ф1—— Ф2—изменение маг-
нитного потока охваты-
ваемого катушкой (от зна-
чения Фх до значения Ф2);

Д / = — /2— промежуток вре-
мени (от момента до мо-
мента /2), в течение кото-
рого происходит указан-
ное изменение потока;

ш — число витков катушки.

Иными словами, чем быстрее
изменяется магнитный поток, ох-

числу витков катуш-

Фиг. 78. Направление индуктиро-
ванной э. д. с. определяется по
правилу правой руки

ватываемый замкнутым контуром или катушкой, тем больше вели-
чина индуктированной э. д. с.

Так, например, при перемещении внутри катушки магнита
(фиг. 79, а) или электромагнита (фиг. 79, б) изменяется магнит-
ный поток, охватываемый витками катушки (каждый из которых
представляет собой замкнутый контур), и в каждом витке индук-
тируется некоторая э. д. с.

Индуктировать э. д. с. в замкнутом контуре, расположенном
в зоне действия какого-либо магнитного поля, можно также измене-
нием тока в проводнике или катушке, которые создают это магнит-

Фиг. 79. При перемещении внутрь катушки магнита или электро-
магнита в каждом витке катушки индуктируется э. д. с.

ное поле. Так, например, если изменять ток 1г в проводнике АБ
(фиг. 80,а), то в расположенном параллельно ему втором провод-
нике ВГ индуктируется э. д. с. Индуктирование э. д. с. происхо-
дит в результате изменения магнитного потока, созданного током
Часть этого изменяющегося потока охватывается замкнутым кон-
7 Заказ 1216 У7
туром, составленным из проводника ВГ и присоединённого к нему
электроизмерительного прибора.

Необходимо подчеркнуть, что индуктирование э. д. с. в провод-
нике В Г происходит только при изменении величины магнитного

Фиг. 80. При изменении тока, протекающего по проводнику АБ, в распо-
ложенном параллельно ему втором проводнике ВГ будет индуктироваться
э. д. с; при постоянной величине тока в проводнике АБ в проводнике ВГ
не будет индуктироваться никакой э. д. с.

потока, созданного проводником АБ, т. е. при изменении протекаю-
щего по проводнику А Б тока/4 (например при включении и выклю?
чении тока). Если же ток 4 в проводнике АБ не будет изменяться,
а будет иметь некоторое постоянное значение (фиг. 80,6), то
никакой э. д. с. в проводнике ВГ индуктироваться не будет, хотя

Фиг. 81. При изменении тока в обмотке электромагнита, в магнитном поле
которого находится катушка, в этой катушке индуктируется э. д- с.

в зоне действия магнитного

он и будет находиться
эффект индуктирования э. д. с. в
(фиг.82) получим и при изменении
тока в обмотке электромагнита,
в магнитном поле которого нахо-
дится этот виток или катушка.

Явление электромагнитной
индукции широко используется
в различных электрических ма-
шинах и устройствах. На этом
принципе основано устройство

поля. Тот же
катушке (фиг. 81) или в витке

Фиг 82. При изменении тока в обмот-
ке электромагнита, в магнитном поле
которого находится виток, в этом
витке индуктируется э. д. с.

электрических генераторов, дви-
гателей, трансформаторов и раз-
личных электромагнитных пре-
образователей и усилителей.

Способы индуктирования

э. д. с. в электрических машинах. Для индуктирования э. д. с.
в электрических машинах обычно используют три способа:

а) изменение тока в катушке, в магнитном поле которой распей
ложена вторая катушка (фиг. 83). При этом непрерывно изме-
няется магнитный поток, охватываемый второй катушкой, и в ней
(а также и в первой катушке) будет индуктироваться э. д, с. Этет
способ используется в трансформаторах;
б) вращение магнитного поля, созданного постоянными маг-
нитами или электромагнитами, относительно неподвижных витков
или катушек (фиг. 84). При этом непрерывно изменяется величи-

Фиг. 83. При измене-
нии тока б катушке 1
изменяется магнитный
поток, охватываемый ка-
тушкой 2, и в ней ин-
дуктируется э. д. с. Этот
принцип положен в ос-
нову работы трансфор-
маторов

на магнитного потока, охватываемого каждым витком или катушкой,
и в них индуктируются э. д. с. Такой способ используется в основном
в машинах переменного тока;

Фиг. 8-1. При вращении
магнитного поля относи-
тельно неподвижных ка-
тушек изменяется вели-
чина магнитного пото-
ка, охватываемого каж-
дой катушкой, в них
индуктируется э. д. с.
Этот принцип положен
в основу работы машин
переменного тока

в) вращение витков или катушек в постоянном магнитном поле,
созданном неподвижными постоянными магнитами или электро-
магнитами (фиг. 85). При таком вращении непрерывно изме-
няется величина магнитного потока, охватываемого каждым вит-
ком или катушкой, вследствие чего в них индуктируются э. д. с.
Этот способ используется в основном в машинах постоянного тока.

При использовании рассмотренных выше способов э. д. с.,
индуктированные в витках или катушках, будут переменными по

величине и направлению.

Направление индуктиро-
ванной э. д. с. Направление
индуктированной э. д. с. опре-
деляется правилом Ленца. Со-
гласно этому правилу индук-
тированная э. д. с. имеет такое
направление,при котором соз-
данный ею ток противодейст-
вует причине, вызвавшей по-
явление э. д. с., т. е. про-
тиводействует изменению маг-
нитного потока.

Так, например, при опу-
скании магнита (или электро-
магнита) внутрь катушки
(фиг. 86, а) э. д. с., иидукти-

Фиг. 85. При вращении витка в непод-
вижном магнитном поле в витке индук-
тируется э. д. с. Этот принцип положен
в основу работы машин постоянного
тока

катушке, имеет такое направление, при котором соз-
магнитное поле будет противодействовать опуска-

рованная в
данное катушкой
нию магнита. При удалении

Фиг. 86. Индуктированная в катуш-
ке э. д. с. имеет такое направление,
при котором созданное катушкой
магнитное поле противодействует
изменению положения магнита

же магнита из катушки (фиг. 86,6)
индуктированная в ней э. д. с. соз-
даёт магнитное поле, препятству-
ющее удалению магнита.

Э. д. с., индуктированная в про-
воднике ВГ (см. фиг. 80,о), имеет
такое направление, при котором
вызванный ею ток /2 создаёт маг-
нитный поток, препятствующий из-
менению магнитного поля, соз-
данного током С, протекающим в
проводнике АВ.

При увеличении тока э. д. с.
и ток /2 в проводнике ВГ будут
направлены против тока

При уменьшении же тока
э. д. с. и ток /2 в проводнике ВГ
будут направлены в ту же сторо-
ну, что и ток /*!.

23. Вихревые токи

Возникновение вихревых токов. Изменяющийся магнитный поток
способен индуктировать э. д. с. не только в проводах или в витках
катушек, нои в массивных стальных сердечниках, кожухах и других
101
металлических деталях электротехнических установок. Эти э. д. с.
являются причиной появления индуктированных токов, которые
действуют в массивных металлических деталях, замыкаясь накоротко
в их толще (фиг. 87). Такие токи получили название вихревых токов.

Например, при изменении магнитного потока, созданного ка-
тушкой (фиг. 88, а), в её стальном сердечнике индуктируются вихре-’

Фиг. 87. В металле, внесённом в изменяющее-
ся магнитное поле, индуктируются вихревые
токи, вызывающие нагрев металла

Фиг. 88. При изменении магнитного потока,
проходящего по стальному сердечнику, или
при вращении сердечника в магнитном поле
в металле сердечника индуктируются вихре-
вые токи

вые токи, замыкающиеся
в плоскости, перпенди-
кулярной силовым ли-
ниям магнитного поля.

Вихревые токи воз-
никают также и при
вращении в магнитном
поле сердечников якорей
и роторов электриче-
ских машин (фиг. 88,6).

Природа вихревых
токов такая же, как и

токов, индуктированных
в обычных проводах или
катушках. Они, как и
всякие токи, обладают
тепловым действием, т. е.
нагревают проводник.
Однако благодаря очень
малому сопротивлению
массивных проводников
вихревые токи, даже при
небольшой величине ин-
ду ктированной э. д. с.»
достигают очень боль-
ших значений, вызывая
чрезмерное нагревание
этих проводников.

Способы уменьшения
вредного действия вих-
ревых токов. В электри-
ческих машинах и ап-
паратах вихревые токи
обычно нежелательны,

так как они вызывают
нагрев металлических сердечников, создают потери мощности (так
называемые потери от вихревых токов), снижают к. п. д. элект-
рических машин и аппаратов и оказывают согласно закону Ленца
размагничивающее действие. Для уменьшения вредного действия
вихревых токов применяют два основных способа.

а) Сердечники электрических машин и аппаратов выполняются
из отдельных металлических листов толщиной 0,35—1 мм, изолиро-
ванных друг от друга слоем изоляции (лаковой плёнкой, тонкой
бумагой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Бла-
годаря такому выполнению преграждается путь распространению

Фиг. 89. Для уменьшения вредного действия вихревых токов
сердечники электрических машин и аппаратов выполняются
из тонких стальных листов, изолированных друг от друга слоем
изоляции

вихревых токов (фиг. 89) и уменьшается поперечное сечение каждого
отдельного проводника, через которое протекают эти токи, что

приводит к уменьшению их величины.

б) В состав электротехнической стали, из
которой изготовляются сердечники электри-
ческих машин и аппаратов, вводят 1—5%
кремния, что обеспечивает повышение её
удельного сопротивления. Благодаря этому
достигается снижение величины вихревых
токов, протекающих по сердечникам элек-
трических машин и аппаратов.

Полезное использование вихревых токов.
В ряде случаев вихревые токи используют-
ся для полезных целей. Так, например, при

Фиг. 90. Вихревые токи
расплавляют металл в
тигле, помещённом в
магнитное поле высоко-
частотного индуктора

помощи вихревых токов осуществляют рас-
плавление металлов (фиг. 90). Для этой цели
тигель с металлом помещают в изменяю-
щееся магнитное поле, которое индукти-
рует вихревые токи, расплавляющий ме-
талл. Таким же образом вихревые токи

нагревают металлические детали при сварке, наплавке и пайке
(фиг. 91),а также осуществляют поверхностный нагрев, пеобходи-
мый для закалки металлических изделий (фиг. 92). Ввиду того, что
в этом.случае требуется увеличить тепло, выделяемое вихревыми
токами, т. е. получить вихревые токи большой величины, для ин-
дуктирования их используют магнитные поля, изменяющиеся с

I Сжимающее

» усилии

Фиг, 91. Вихревые токи нагревают детали е процессе сварки,
наплавки и гайки

большой скоростью. Такие поля могут быть созданы с помощью
специальных индукторов, выполненных в виде витка или катуш-
ки, по которым протекают переменные, быстроизменяющиеся токи
(так называемые токи высокой частоты).

Зошяо Зок'алко

шестерни гильзы цилиндра

Фиг. 92. Вихревые токи создают поверхностный нагрев, необходимый
для закалки металлических деталей

24. Самоиндукция и взаимоиндукция

Э. д. с. самоиндукции. По закон}7 электромагнитной индукции
при всяком изменении магнитного поля, охватываемого каким-
либо проводником, в этом проводнике индуктируется э. д. с. При
104
этом совершенно безразлично, создаётся ли магнитный поток каким-
либо посторонним магнитом или электромагнитом, или он возникает

в результате прохождения
тока по этому же самому
проводнику.

Э. д. с., индуктированная в
проводнике или катушке в ре-
зультате изменения магнитно-
го потока, созданного током,
протекающим по этому же
проводнику или катушке, но-
сит название э. д. с. самоин-
дукции (фиг. 93). Эта э. д. с.
возникает при всяком измене-
нии тока, например, при за-
мыкании и размыкании элект-
рических цепей, при измене-
нии нагрузки электродвигате-
лей и пр.

Чем быстрее изменяется ток
в проводнике или катушке, тем
больше скорость изменения
пронизывающего их магнитно-
го потока и тем большая в них
индуктируется э. д. с. самоин-
дукции. Величина э. д. с. само-
индукции зависит также от
геометрических размеров пров
от числа витков катушки и от

Фиг. 93. При изменении тока в про-
воднике или катушке созданный этим
током изменяющийся магнитный по-
ток индуктирует в проводнике или
катушке э. д. с. самоиндукции

цника или катушки, от их формы,
материала её сердечника.

Фиг. 94. В момент замыкания цепи (при возрастании тока)
э. д. с. самоиндукции направлена против тока. В момент
отключения цепи (при уменьшении тока) э. д. с. само-
индукции направлена по направлению тока

Направление э. д. с. самоиндукции определяется по известному
нам закону Ленца. Э. д. с. самоиндукции имеет всегда такое направ-
ление, при котором она препятствует изменению вызвавшего её то-
ка и стремится поддержать его величину на одном и том же уровне.

Следовательно, при возрастании тока в проводнике или катушке
индуктированная в них э. д. с. самоиндукции будет направлена про-
тив тока, т. е. будет препятствовать его возрастанию (фиг. 94, а),
и, наоборот, при уменьшении тока в проводнике или катушке
возникает э. д. с. самоиндукции, совпадающая по направлению
с током, т. е. препятствующая его убыванию (фиг. 94,6).

Если же ток в катушке не изменяется, то никакой э. д. с. само-
индукции не возникает.

Из рассмотренного выше правила для определения направле-
ния э. д. с. самоиндукции вытекает, что эта э. д. с. оказывает тормо-
зящее действие на изменение тока в электрических цепях. В этом
отношении её действие аналогично действию силы инерции, которая
препятствует изменению положения тела.

Благодаря тормозящему действию э. д. с. самоиндукции ток
в электрических цепях при включении нарастает не мгновенно, а
достигает своего установившегося значения в течение определён-
ного периода времени. Точно так же при выключении он не умень-
шается мгновенно до нуля, а спадает постепенно (фиг, 95).

Фиг. 95. Благодаря действию э. д. с. самоиндукции ток при
включении и выключении электрических цепей нарастает и
уменьшается не мгновенно, а постепенно в течение некоторого
периода времени

Индуктивность. Для того чтобы характеризовать разные про-
водники и катушки по способности индуктировать в себе э. д. с.
самоиндукции, введено понятие индуктивности.

Индуктивность обозначают буквой Л, она показывает, какая
э. д. с. самоиндукции возникает в данном проводнике или катушке
при изменении тока на 1 а в течение 1 сек.

Индуктивность катушки всегда больше индуктивности одиноч-
ного проводника (при одинаковой длине провода), так как при
свёртывании в спираль магнитное поле одиночного провода усили-
вается. Она зависит от числа витков катушки, её геометрических
размеров и других причин. Если в катушку вставить стальной
1С6
сердечник, её индуктивность резко возрастает за счёт увеличения
магнитного поля катушки.

Индуктивность измеряется в ом*сек\ для этой единицы принято
специальное обозначение генри (ан). Индуктивностью в 1 гн об-
ладает такая катушка, в которой при изменении тока на 1 а в тече-
ние 1 сек. индуктируется э. д. с. самоиндукции, равная 1 в.

Иа практике индуктивность часто измеряют в тысячных долях
генри—в миллигенри (мгн) и в миллионных долях генри—в микро-
генри (мкгн).

Коммутационные перенапряжения. Особенно сильно проявляет
себя э. д. с. самоиндукции при размыкании цепей, содержащих
катушки с большим числом витков и с железными сердечниками
(например обмотки генераторов, электродвигателей, трансформато-
ров и пр.), т. е. непей, обладающих большой индуктивностью. В этом
случае возникающая э. д с. самоиндукции может во много раз
превысить э. д. с. источника тока и послужить причиной возникно-
вения перенапряжений в электрических цепях.

Фиг 96. Э. д. с. самоиндукции, возни-
кающая при размыкании электрической
цепи, пробивает воздушный промежуток
и создаёт электрическую дугу, затяги-
вающую процесс выключения тока

Эти перенапряжения носят название коммутационных перена-
пряжений, т. е. перенапряжений, возникающих при коммутации
(переключениях) электрических цепей. Они являются опасными для
обмоток электрических двигателей и генераторов, так как могут
вызвать пробой их изоляции. Так, например, при отключении
электрических двигателей электровозов и моторных вагонов от кон-
тактной сети в их обмотках возникают э. д. с. самоиндукции, пре-
вышающие в 3—4 раза напряжение, действующее в контактном
проводе.

Большая э. д. с. самоиндукции способствует также возникнове-
нию'электрической искры или дуги в электрических аппаратах,
осуществляющих отключение электрических цепей. Так, например,
в момент размыкания рубильника (фпг. 96) образующаяся э. д. с.
самоиндукции сильно увеличивает разность потенциалов между
разомкнутыми контактами рубильника и пробивает воздушный
промежуток. Возникающая при этом электрическая дуга поддер-
живается в течение некоторого времени э. д. с. самоиндукции,
которая таким образом затягивает процесс отключения тока в цепи.
Это явление весьма нежелательно, так как дуга оплавляет контак-
ты отключающих аппаратов, что приводит к быстрому выходу их
из строя. Поэтому во всех аппаратах, служащих для размыка-
ния электрических цепей, предусматриваются специальные дуго-
гасительные устройства, обеспечивающие ускорение гашения
Дуги.

Фиг. 97. Цепь катушки И связана с цепью катушки I
индуктивной связью

Взаимоиндукция. Явлением взаимоиндукции называется воз-
никновение э. д. с. в проводнике или катушке благодаря измене-
нию магнитного потока, создаваемого другим проводником или ка-
тушкой. Создаваемая таким образом э. д. с. носит название э. д. с.
взаимоиндукции.

Примерами индуктирования э. д. с. взаимоиндукции является
индуктирование э. д. с. в проводнике ВГ (см. фиг. 80) при изменении
тока в проводнике АБ, а также индуктирование э. д. с. в катуш-
ке 2 (см. фиг. 83) при изменении тока в катушке /.

Взаимоиндукция даёт возможность связывать между собой по-
средством магнитного поля различные электрические цепи. Такую
связь принято называть индуктивной связью (фиг. 97).

Э. д. с. взаимоиндукции зависит прежде всего от того, с какой
скоростью изменяется ток в катушке, создающей магнитное поле.
Чем быстрее изменяется в ней ток, тем большая э. д. с. взаимоин-
дукции создаётся во второй катушке.
Кроме того, величина э. д. с. взаимоиндукции зависит от индук-
тивности обеих катушек и от их взаимного расположения, а также
ст магнитной проницаемости окружающей среды.

Чтобы иметь возможность различать между собой катушки по
их способности взаимно индуктировать э. д. с., введено понятие
взаимоиндуктивности. Обозначается взаимоиндуктивность бук-
вой М. Единицей её измерения, так же как и индуктивности,
служит генри.

Направление э. д. с. взаимоиндукции определяется законом
Ленца. Она всегда направлена так, что вызванный ею ток стремится
препятствовать изменению создающего её магнитного поля.

Явление взаимоиндукции широко используется в трансформа-
торах (см. § 51) в радиотехнических устройствах и устройствах
автоматики. Во всех этих устройствах применяют разнообразные
типы катушек с постоянной и переменной индуктивностью, свя-
занные друг с другом индуктивной связью.

Однако в некоторых случаях возникновение э. д. с. взаимо-
индукции является нежелательным. Например, э. д. с. взаимо-
индукции, индуктированные в линиях связи (телефонных и теле-
графных проводах), проложенных вдоль высоковольтных линий
электропередач или вдоль контактной сети электрических железных
дорог переменного тока, создают помехи при передаче телефонных
или телеграфных сигналов. Поэтому телеграфные и телефонные
провода стремятся располагать поперёк проводов линий электро-
передач, а на электрических железных дорогах переменного тока
их прокладывают в виде кабельных линий, защищённых метал-
лическими оболочками (экранами). Это несколько повышает стои-
мость строительства электрических железных дорог переменного
тока по сравнению с дорогами постоянного тока.

Контрольные вопросы

1. Чго такое магнитное поле и как определяется его направление?

2. Что такое магнитная индукция?

3. Что такое магнитный поток и чему он равен?

4. Что такое магнитная проницаемость?

5. Что такое напряжённость магнитного поля?

6. Какая существует зависимость между магнитной индукцией и на-
пряжённостью магнитного поля?

7. На какие группы делятся все вещества по магнитным свойствам?
Охарактеризуйте эти группы.

8. Что называется магнитной цепью?

9. Как определяется магнитное сопротивление в магнитной цепи?

10. Какими мероприятиями можно увеличить магнитный поток какой
либо электрической машины?

11. В каких случаях магнитное поле создаёт механические силы и как
они определяются?

12. Что такое электромагнитная индукция?

13. Чго такое индуктированная э. д. с. и как определяется её величина
и направление?
14. Какие существуют способы для индуктирования э. д. с. в электри-
ческих машинах?

15. Что представляют собой вихревые токи?

16. Какие существуют способы для уменьшения вредного действия
вихревых токов?

17. Что такое э. д. с. самоиндукции?

18. Что представляет собой индуктивность?

19. Что такое коммутационные перенапряжения?

20. Что называется взаимоиндукцией?
ГЛАВА IV

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

25. Принцип действия электрического генератора
и электрического двигателя; принцип обратимости
электрических машин

Электрические машины постоянного тока нашли широкое при-
менение на электрическом подвижном составе и тепловозах.

Все электрические машины, устанавливаемые на электровозах,
тепловозах и моторных вагонах, эксплуатируемых в настоящее
время на железных дорогах СССР (тяговые двигатели, тепловоз-
ные генераторы и вспомогательные машины), являются машинами
постоянного тока.

Применение в нашей стране локомотивов, оборудованных тяго-
выми двигателями постоянного тока, объясняется большими до-
стоинствами этих машин. Электровозы и тепловозы с такими дви-
гателями обладают хорошими тяговыми характеристиками, срав-
нительно просты по конструкции и надёжны в эксплуатации.
Они являются технически совершенными локомотивами, проверен-
ными долголетним опытом.

Электрические машины разделяются по назначению на два вида:
электрические генераторы и электрические двигатели.

Генераторы предназначены для выработки электрической
энергии, а двигатели — для приведения в движение колёсных
пар электрических локомотивов, для вращения станков, вентилято-
ров, компрессоров и т. п.

Генераторы преобразуют механическую энергию в электриче-
скую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его
вал каким-либо неэлектрическим двигателем. На тепловозе, на-
пример, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой элек-
тростанции — паровой турбиной, на гидроэлектростанции — во-
дяной турбиной.

Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электриче-
скую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его
надо соединить проводами с источником электрической энергии,
или, как говорят, включить в электрическую сеть.

Принцип действия электрического генератора. Принцип дейст-
вия электрического генератора основан на использовании явления
электромагнитной индукции.
Простейшим электрическим генератором является виток, вра-
щающийся в магнитном поле (фиг. 98). При вращении витка его
рабочие стороны / и 2 пересекают магнитные силовые линии;
поэтому в них индуктируется э. д. с. Если кольца, к которым при-
паяны концы витка, соединить между собой проводом, то по нему
пойдёт электрический ток. Стороны / и 2 витка называют активными
сторонами. Участки 3 и 4 витка являются нерабочими, так как при

Фиг. 98. Принципиальная схема простейшего электрического генератора.
При вращении витка в магнитном поле в нём индуктируется э. д с.

вращении витка они не пересекают магнитных силовых линий и,
следовательно, не участвуют в создании э. д. с. Эти участки витка
называют лобовыми частями.

Если остановить вращение витка, то исчезнет э. д. с. и пропадёт-
электрический ток. Чем больше силовых линий магнитного поля пере-
секают рабочие стороны / и 2 витка в единицу времени, тем больше
и индуктируемая в них э. д. с. Очевидно, наибольшее число силовых
линий пересечёт виток в единицу времени, когда рабочие стороны
его находятся под полюсами (фиг. 98, б и г). В этот момент в витке ин-
дуктируется наибольшая э. д . с. И, наоборот, э. д. с. в витке умень-
112
шается до нуля, когда его рабочие стороны не пересекают силовые
линии, а как бы скользят вдоль них (фиг. 98, а и в).

Используя правило правой руки для определения направления
индуктированной в витке э. д. с., нетрудно убедиться, что в положе*
нии, показанном на фиг. 98, б, э. д. с. в стороне 1 направлена от нас,
а в стороне 2 направлена к нам. Значит, в витке ток течёт от сто-
роны 1 к стороне 2, а во внешней цепи он возвращается от кольца 2
к кольцу /. Поэтому у кольца 2 поставлен знак (-}-), а у кольца 1
знак (—).

В положении, показанном на фиг. 98, г, стороны витка поменя-
лись местами, а полярность магнита осталась прежней. Значит,
направление э. д. с. в сторонах витка изменилось на обратное.
Итак, мы видим, что за полный оборот витка э. д. с. в нем возрас-
тает от нуля (положение а) до наибольшего значения (положе-
ние б), потом падает до нуля (положение в), меняет своё направ-
ление и вновь возрастает до наибольшей величины (положение г).

Нетрудно убедиться, что величина э. д. с., т. е. количество си-
ловых магнитных линий, пересекаемых сторонами витка в единицу
времени, зависит от угла, под которым виток пересекает эти линии,
т. е. от положения витка относительно оси полюсов. Как будет под-
робно рассмотрено в главе VI, за один оборот витка индуктирован-
ная в нём э. д. с. будет изменяться по некоторой кривой, называе-
мой синусоидой.

По такой схеме (вращение витка в магнитном поле или вращение
магнитного поля относительно неподвижного витка) работают все
генераторы постоянного и переменного тока. Во всех этих машинах
индуктируется только переменная по величине и направлению
э. д. с. Постоянное напряжение от машин постоянного тока полу-
чают с помощью специального выпрямляющего устройства — кол-
лектора см. § 26.

Современные генераторы постоянного тока выполнены в виде ряда
последовательно соединённых между собой проводников (фиг. 99),
которые расположены на ферромагнитном сердечнике, называемом
якорем. Якорь вращается в магнитном поле, созданном постоянными
магнитами или электромагнитами, которые называются полюсами.

При вращении якоря с некоторой скоростью п в каждом провод-
нике индуктируется э. д. с. е, направление которой определяется по
правилу правой руки. Следовательно, при принятом на фиг. 99
направлении вращения якоря э. д. с. в проводниках, расположен-
ных под северным полюсом, направлена от нас, а э. д. с. в прОт
водниках, расположенных под южным полюсом, — к нам.

Если подключить к концам соединённых между собой провод-
ников якоря потребитель (нагрузку) в виде некоторого внешнего
сопротивления то по замкнутой цепи потечёт электрический ток.
Этот ток будет направлен так же, как и э. д. с. е.

Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле при-
ходится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля
или турбины?

Ь Заказ 1216 [13
Как это было установлено в главе III, при протекании тока I
по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый
проводник действует некоторая сила Е. Направление этой силы опре-
деляется по правилу левой руки; следовательно, при указанном
на фиг. 99 направлении тока на проводники, расположенные под
северным полюсом, будут действовать силы А, направленные влево,
а на проводники, расположенные под южным полюсом, силы Л,
направленные вправо. Указанные силы Е создают вращающий мо-
мент Л1, направленный против часовой стрелки.

Фиг. 99. В генераторе ток и э. д. с. совпадают по направлению;
вращающий момент противоположен направлению вращения, Машина
Потребляет механическую энергию и отдаёт электрическую энергию

Из рассмотрения фиг. 99 очевидно, что вращающий момент М,
возникающий при отдаче генератором электрической энергии, на-
правлен в сторону, противоположную вращению проводников, по-
этому он является тормозящим моментом, стремящимся замедлить
вращение якоря генератора.

Для лого чтобы предотвратить замедление якоря и обеспечить
в этом случае нормальную работу генератора, требуется к валу яко-
ря приложить внешний вращающий момент, противоположный мо- •
менту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других
внутренних потерь в машине (см. § 35) внешний вращающий
момент должен быть больше вращающего момента М, созданного
током нагрузки генератора.

Следовательно, необходимо вращать вал якоря генератора ка-
ким-либо посторонним двигателем (дизелем, паровой или водяной
114
турбиной), который может создать требуемый вращающий момент.
Иными словами, для продолжения нормальной работы генератора
к нему необходимо прикладывать извне механическую энергию

Чем больше ток, протекающий по проводникам якоря, тем боль-
ше и тормозной момент. Если вращающий момент, приложенный
к валу якоря от дизеля или турбины, равен тормозному моменту,
возникающем)/ вследствие протекания тока по проводникам якоря
(а с учётом трения и внутренних потерь в машине даже несколько
больше его), то якорь будет вращаться с постоянной скоростью.
Как только возрастёт ток в проводниках якоря, равенство моментов
нарушится и скорость вращения будет уменьшаться. Следовательно,
для сохранения возросшей величины тока потребуется увеличить
вращающий момент, создаваемый дизелем или турбиной, т. е. уве-
личить сообщаемую генератору механическую энергию.

Если пренебречь потерями энергии в процессе преобразова-
ния в машине механической энергии в электрическую, то отда-
ваемая генератором электрическая мощность Р9Л будет равна
механической мощности Рмех, получаемой от вращающего его
двигателя (дизеля или турбины). С учётом потерь энергии будем
иметь:

РМ = РМ1-^Р, (49)

где ЬР — потери мощности, возникающие при работе генератора
(см. подробнее в § 35).

При отсутствии нагрузки (при разомкнутой внешней цепи гене-
ратора) от дизеля или турбины требуется только такое количество
энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенса-
ции других внутренних потерь энергии в генераторе.

Увеличение нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электриче-
ской энергии, вызывает увеличение протекающего по проводникам
якоря тока и создаваемого этим током тормозного момента М.
При этом должен быть увеличен и вращающий момент дизеля или
турбины, которые приводят во вращение вал якоря генератора.
Иными словами, увеличение электрической энергии, отдаваемой
генератором, требует и увеличения механической энергии, которую
он должен получить от дизеля или .турбины для продолжения нор-
мальной работы.

Увеличение вращающего момента, создаваемого дизелем или
турбиной, т. е. механической энергии, сообщаемой ими генератору,
достигается увеличением подачи топлива в цилиндры дизеля или же
подачи пара или воды в паровую или водяную турбину. Обычно
это производится автоматически с помощью соответствующих регу-
ляторов.

Таким образом, чем больше электрическая энергия отбирается,
например, электродвигателями тепловоза от тепловозного генера-
тора, тем больше механической энергии забирает он от вращаю-
щего его дизеля и тем больше топлива надо подавать в дизель.
Из рассмотренных выше условий работы электрического гене’
ратора вытекает, что характерным для него является:

а) совпадение по направлению тока г и э. д. с. е в проводниках
якоря; это указывает, что машина отдаёт электрическую энергию;

б) возникновение тормозного момента М, направленного про-
тив направления вращения якоря; из этого вытекает необходимость
получения машиной извне механической энергии.

Свойство генераторов создавать тормозной момент широко ис-
пользуется на электрическом подвижном составе, где генераторы
применяют в качестве тормозных устройств. На этом свойстве ос-
нованы различные способы электрического торможения: реостатное
и рекуперативное. При электрическом торможении установленные
на электроподвижном составе электрические двигатели переводятся
в генераторный режим; возникающие же при этом тормозные мо-
менты используются для торможения поезда (см. подробнее § 34).

Получение электрической энергии не является главной задачей
этих генераторов. В зависимости от условий, при которых осуще-
ствляется электрическое торможение, выработанная в таких гене-
раторах электрическая энергия или отдаётся в контактную сеть,
откуда она забирается другими электрическими локомотивами (при
рекуперативном торможении), или же бесполезно расходуется в под-
ключённых к генераторам сопротивлениях (при реостатном тормо-
жении).

Принцип действия электрического двигателя. Принципиально
электрический двигатель выполнен так же, как и генератор, т. е.
представляет собой виток или несколько соединённых последова-
тельно проводников, расположенных на якоре, вращающемся в маг-
нитном поле полюсов (фиг. 100).

Если подключить проводники якоря к постороннему источнику
электрической энергии, например к электрической сети, то по каж-
дому проводнику начнёт протекать электрический ток I.

Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создаёт
силы Г, действующие на каждый проводник с током. Направление
сил Е определяется по правилу левой руки, При указанном на
фиг. 100 направлении тока на проводники, расположенные под север-
ным полюсом, будут действовать силы Е, направленные вправо,
а на проводники, лежащие под южным полюсом, силы Е, направ-
ленные влево.

В результате совместного действия этих сил создаётся вращаю-
щий момент М, направленный по часовой стрелке, который приво-
дит якорь с проводниками во вращение.

Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устрой-
ством (колёсной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.),
то двигатель будет приводить это устройство во вращение, т. е.
отдавать ему механическую энергию.

Двигателю в процессе работы под нагрузкой приходится пре-
одолевать определённое сопротивление вращению, создаваемое при-
водимым им в движение механизмом. Так, например, в грузоподъём-
116
ных механизмах поднимаемый груз оказывает сопротивление вра-
щению двигателя, который тянет трос с подвешенным к нему грузом.
При работе электровозов и тепловозов вес поезда и самого локо-
мотива создаёт сопротивление движению поезда, которое приходится
преодолевать тяговым двигателям этих локомотивов.

Чем больше вес состава или чем больше подъём, по которому
следует поезд, тем больше сопротивление, оказываемое вращению
тяговых двигателей локомотива.

Фиг. 100. В электродвигателе э. д. с. направлена против тока; вращающий
момент совпадает с направлением вращения. Машина потребляет электри-
ческую энергию и отдаёт механическую энергию

Если вращающий момент, создаваемый током, протекающим по
якорю двигателя, больше момента, создаваемого силами сопротив-
ления вращению (или, как говорят, момента сопротивления), то
скорость вращения якоря будет всё время возрастать. Если мо-
мент сопротивления больше вращающего момента двигателя, ско-
рость вращения якоря будет уменьшаться. Если вращающий момент
двигателя и момент сопротивления равны между собой, то якорь
будет вращаться с постоянной скоростью.

Выясним, почему для вращения якоря двигателя, работаю-
щего под нагрузкой, требуется подавать в двигатель электриче-
скую энергию.

Как было установлено, при вращении проводников якоря
в магнитном поле в каждом проводнике индуктируется э. д. с. е.
Направление этой э. д. с. определяется по правилу правой руки;
следовательно, при указанном на фиг. 100 направлении вращения
э. д. с. е, индуктированные в проводниках, расположенных под се-
верным полюсом, будут направлены от нас, а э. д. с. е, индуктиро-
ванные в проводниках, расположенных под южным полюсом, бу-
дут направлены к нам.

Из рассмотрения фиг. 100 очевидно, что э. д. с.ё, индуктирован-
ные в каждом проводнике, направлены против тока /, т. е. они пре-
пятствуют его протеканию по проводникам и стремятся умень-
шить ток до нуля. По этой причине э. д. с., индуктированную в об-
мотке якоря двигателя, часто называют противо-э. д. с.

Для того чтобы ток / продолжал протекать по проводникам
якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы двигатель продолжал
нормально работать и развивать требуемый вращающий момент,
необходимо приложить к этим проводникам внешнее напряжение С/,
направленное против э.д.с. и большее по величине, чем суммарная
э. д. с. Е, индуктированная во всех последовательно соединённых про-
водниках. Это напряжение должно обеспечить протекание по про-
водникам якоря такого тока, который необходим для создания дви-
гателем вращающего момента, требуемого для преодоления мо-
мента сопротивления нагрузки. Иными словами, для продолжения
нормальной работы электродвигателя к нему необходимо подводить
извне электрическую энергию.

Если пренебречь потерями энергии в процессе преобразова-
ния в машине электрической энергии в механическую, то отда-
ваемая двигателем механическая мощность Рмех будет равна
электрической энергии Рэл, получаемой им из сети.

С учётом потерь энергии будем иметь

Рле. = Р3.,-^Р. (49')

где ДР — внутренние потери в двигателе.

При отсутствии нагрузки двигатель потребляет от внешнего
источника тока небольшое количество электрической энергии и
по нему протекает небольшой ток холостого хода. Эта энергия
расходуется на покрытие внутренних потерь энергии в машине
и на создание вращающего момента, требуемого для преодоления
трения.

При увеличении нагрузки двигателя, т. е. отдаваемой им меха-
нической энергии, должен увеличиться и проходящий по провод-
никам якоря ток /. Следовательно, должна увеличиться поступаю-
щая в двигатель электрическая энергия.

Таким образом, увеличение механической энергии, отдавае-
мой двигателем при возрастании нагрузки, автоматически вы-
зывает увеличение электрической энергии, забираемой им от
источника тока. При этом весьма важную роль в процессе автома-
тического регулирования мощности, потребляемой двигателем,
играет противо-э. д. с., индуктированная в проводниках его якоря.

При возрастании нагрузки двигателя якорь его в первый мо-
мент начинает замедляться, и уменьшается индуктированная в пре'
118
водниках якоря противо-э. д. с. Ввиду того, что напряжение источ-
ника тока остаётся неизменным, уменьшение протизо-э. д. с.
приводит к возрастанию тока, поступающего в двигатель, т. е.
к увеличению развиваемого им вращающего момента.

В результате автоматически устанавливается равновесие между

тормозящим моментом со-
противления, создаваемым
нагрузкой, и вращающим
моментом, развиваемым
двигателем.

Двигатель всегда пот-
ребляет от источника или
сети такой ток, при котором
развиваемый им вращаю-
щий момент равен моменту
сопротивления, создавае-
мому нагрузкой. С учётом
же трения момент, разви-
ваемый двигателем, должен
быть несколько больше
тормозящего момента наг-
рузки. При возрастании
нагрузки увеличивается по-
требляемый двигателем ток
и развиваемый им вращаю-
щий момент; при уменьше-
нии нагрузки ток, потреб-
ляемый двигателем, и раз-
виваемый им вращающий
момент уменьшаются.

Таким образом, чем
больше механическая энер-
гия, отдаваемая электро-

Фиг. 101. Одна и та же электрическая
машина может работать в качестве генера-
тора и в качестве двигателя

двигателями электровоза или тепловоза для движения поезда,
тем больше электрической энергии забирают они из контактной
сети или тепловозного генератора.

Из рассмотренных выше условий работы электрического двига-
теля вытекает, что характерным для него является:

а) совпадение по направлению вращающего момента Л'1 и ско-
рости вращения п\ это характеризует отдачу машиной механиче-
ской энергии;

б) возникновение в проводниках якоря э. д. с. е, направленной
против тока / и внешнего напряжения I/. Из этого вытекает необхо-
димость получения машиной извне электрической энергии.

Принцип обратимости электрических машин. Рассматривая
принцип действия генератора и двигателя, мы установили, что
устроены они одинаково, и что в основе работы этих машин имеется
весьма много общего. Процесс преобразования механической энер-
гии в электрическую в генераторе и электрической энергии в меха-
ническую в двигателе связан с индуктированием э. д. с. во вращаю-
щихся в магнитном поле проводниках якоря и возникновением
механических сил в результате взаимодействия магнитного поля
и проводников с током. Отличие генератора от двигателя прояв-
ляется только во взаимном направлении э. д. с.,тока, вращающего
момента и скорости вращения.

В генераторе э. д. с. е в проводниках якоря совпадает по направ-
лению стоком (см. фиг. 99), а вращающий моментМ противоположен

Фиг. 102. При увеличении э. д. с. Е, индуктированной в машине
выше напряжения сети Е, токи вращающий момент М изменяют
своё направление. При этом машина переходит из двигательного
режима работы в генераторный

скорости вращения п. В двигателе э. д. с. е направлена против тока /,
а вращающий момент М совпадает по направлению со скоростью
вращения п (см. фиг. 100).

Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и двига-
теля, Э. X. Ленц установил принцип обратимости электри-
ческих машин. Согласно этому принципу любая электрическая ма-
шина может работать и в качестве генератора, и в качестве двигателя
и переходить из генераторного режима в' двигательный и наоборот
(фиг. 101).

Для выяснения этого положения рассмотрим работу электри-
ческой машины, изображённой на фиг. 100 при различных условиях.

Если внешнее напряжение I/ больше суммарной э. д. с. Е во всех
последовательно соединённых проводниках якоря, то ток будет
120
протекать по указанному на фиг. 100 направлению, и машина будет
работать двигателем, потребляя из сети электрическую энергию
и отдавая механическую. Однако, если по какой-либо причине
суммарная э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения V, то
ток I в проводниках якоря изменит своё направление (фиг. 102)
и будет совпадать по направлению с э. д. с. е. При этом изменится
согласно правилу левой руки и направление вращающего момента М,
который в этом случае будет направлен против направления враще-
ния п. Совпадение по направлению э. д. с. е и тока I означает, что
машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление
тормозного момента М— что она должна потреблять извне электри-

Генератор Е больше 17

Фиг. 103. При Е меньшем 17 машина работает в качестве двигателя;
при Е большем 17— в качестве генератора

ческую энергию. Следовательно, когда суммарная э. д. с. Е, индук-
тированная в проводниках якоря, становится больше напряжения
сети 6', машина переходит из двигательного режима работы в ге-
нераторный. Иными словами, при Е, меньшем 17, машина работает
в качестве двигателя; при Еу большем (7,— в качестве генератора
(фиг. 103).

Перевод машины из двигательного режима в генераторный можно
осуществить различными способами: уменьшая напряжение I)
сети или увеличивая суммарную э. д. с. Е путем повышения скоро-
сти вращения п якоря или увеличения магнитного, потока, созда-
ваемого полюсами машины.

Для того чтобы машина могла длительно работать в полученном
таким путём генераторном режиме, необходимо, чтобы к валу
якоря был приложен внешний момент, равный тормозному моменту,
возникающему при работе машины в качестве генератора (а с учё-
том трения даже несколько больше его). В противном случае под
влиянием тормозного момента движение якоря машины может за-
медлиться до такой скорости, при которой э. д. с. Е станет снова
меньше внешнего напряжения и, и машина вновь перейдет из гене-
раторного режима в двигательный.

Внешний момент для вращения вала генератора обычно создаёт-
ся специальными двигателями—паровыми или водяными турби-
нами, дизелями и пр. Подобные же условия могут иметь место и
при движении электрического подвижного состава на спусках,
когда энергия движущегося под уклон поезда обеспечивает п олу-
чение внешнего момента, требуемого для вращения якорей тяго-
вых двигателей. В этом случае работающие в генераторном режиме
тяговые двигатели создают тормозные усилия и мы получаем режим
рекуперативного торможения поезда с отдачей электрической энер-
гии в контактную сеть (фиг. 104, а).

Рекуперативное торможение

Фиг. 104. При рекуперативном торможении электрические
двигатели электроподвижного состава переводятся в генератор-
ный режим, а выработанная ими электрическая энергия отдаётся
в сеть. При реостатном торможении выработанная машинами
электрическая энергия бесполезно теряется в сопротивлениях

Реостатное торможение

При необходимости осуществить электрическое торможение
при низких скоростях движения поезда, когда тяговые двигатели,
работающие в генераторном режиме, не в состоянии уже создать
э. д. с. Е, большую напряжения сети (7, приходится отключать эти
машины от контактной сети и подключать их к какому-либо сопро-
тивлению. При этом генераторный режим работы тяговых двигателей
сохраняется и они продолжают создавать тормозные усилия, но
вырабатываемая энергия не передаётся в сеть, а бесполезно расхо-
дуется на нагрев реостатов (фиг. 104, б). Такой режим работы
тяговых двигателей носит название реостатного торможения.

26. Принцип действия коллектора

Устройство и работа коллектора. В § 25 было установлено, что
при вращении витка в магнитном поле индуктированная в нём
122
Фиг. 105. Принципиаль-
ная схема простейшего
генератора постоянного
тока

э. д. с. непрерывно изменяется по величине и направлению (см.
фиг. 98). Изменяется соответственно и ток во внешней цепи.

Для получения во внешней цепи постоянного по направлению
тока в простейшем генераторе виток присоединяют не к двум
кольцам, как показано на фиг. 98, а к одному кольцу, разрезанному
па две изолированные друг от друга части. Начало витка присое-
диняют к одной половине кольца, конец — к другой (фиг. 105).

Такую конструкцию называют коллектором, а отдельные изоли-
рованные части его (в данном случае полукольца) — коллекторными
пластинами.

Коллектор позволяет сохранять посто-
янным направление тока во внешней элек-
трической цепи и постоянную величину
напряжения,снимаемого со щёток А и Б,
несмотря на то, что в витке якоря э. д. с.
и ток изменяются дважды за один полный
оборот. Это ясно из рассмотрения фиг. 106,
на которой показано направление э. д. с.
и тока при нескольких положениях витка.

В положении, показанном на фиг. 106,а,
виток не пересекает силовых линий магнит-
ного поля, э. д. с. в нём не индуктируется
и ток не протекает. При этом щётки сопри-
касаются не с коллекторными пластинами,
а с установленной между ними изоляцией.
При повороте витка по часовой стрелке
на 90е (фиг. 106, б) обе стороны его будут
пересекать магнитное поле; при этом в
активных сторонах 1 и 2 индуктируется
э. д. с., и по витку и внешней цепи нач-
нёт протекать ток.

Применяя правило правой руки, можно
индуктированная в стороне 1 витка, будет направлена от нас, а
в стороне 2 —к нам; следовательно, во внешней цени ток протекает
от щётки Б, имеющей положительный потенциал, к щётке Л, имею-
щей отрицательный потенциал. В положении, показанном на
фиг. 106, в, виток снова не пересекает силовые линии поля и ток
уменьшается до нуля.

При повороте витка на 270° (фиг. 106, г) под северный полюс
подходит сторона 2 витка, а под южный — сторонй /. Поэтому нап-
равление тока в витке изменяется на противоположное по сравне-
нию с направлением его в положении, показанном на фиг. 106, б.

Однако направление тока во внешней цепи остаётся неизмен-
ным, так как одновременно с поворотом витка меняются местами и
полукольца (пластины) коллектора, вследствие чею к щётке Б
подходит полукольцо, связанное со стороной 2 витка, а к щётке А
полукольцо, связанное со стороной /. Потенциалы щёток при этом
сохраняются теми же, что и в положении, показанном па
фиг. 106, б, т. е. ток во внешней

направлении.

Таким образом, при замене

Амперметр

Фиг. 106- При замене двух колец
коллектором напряжение и ток во
внешней цепи получаются постоян-
ными по направлению, но пере-
менными по величине(пульсирую-
щими)

цепи будет протекать в прежнем
двух контактных колец изо-
лированными друг от друга
полукольцами происходит вып-
рямление напряжения, а следо-
вательно, и тока во внешней
цепи.

Характер изменения напря-
жения на щётках показан на
фиг. 106, е. Напряжение и ток
получаются постоянными по на-
правлению, по переменными по
величине. Такой ток называют
пульсирующим.

Наибольшую величину на-
пряжение и ток имеют, когда
проводники находятся под сере-
динами полюсов, наименьшую—
когда они располагаются в се-
редине между полюсами.

Способы уменьшения пульса-
ции тока и напряжения. Пуль-
сирующий ток мало пригоден
для практических целей.

Для сглаживания пульсации
увеличивают число витков и со-
ответственно число коллектор-
ных пластин. В качестве примера
рассмотрим процесс выпрямле-
ния тока в генераторе, имеющем
два витка, сдвинутых один отно-
сительного другого на угол 90°,
начало и концы которых присое-
динены к четырём коллекторным
пластинам (фиг. 107,а).

Э. д. с. ех ие2) индуктирован-
ные в каждом витке, при этом
будут сдвинуты одна относитель-
но другой на угол 90° (фиг. 107,6).
Так как пластин четыре, а не
две, то ширина каждой пластины
и время нахождения её под щёт-
кой будут в два раза меньшими,
чем при коллекторе с двумя
пластинами, т. е. каждая пла-

стина будет находиться под щёткой только в течение четверти
оборота. В результате изменение э. д. с. на щётках за один оборот
представляет собой пульсирующую кривую (фиг. 107, б), однако
в этом случае пульсация будет значительно меньшей, чем при

Фиг. 107. При увеличении числа витков и числа коллекторных
пластин пульсация э. д. с. и тока уменьшается

двух коллекторных пластинах (см. фиг. 106, е). Увеличивая число

витков и коллекторных пластин, можно уменьшить пульсацию до
любых пределов.

Полностью освободиться от
пульсации невозможно. Для
большинства электрических
потребителей эти пульсации
не играют никакой роли и со-
вершенно не отражаются па
их работе. Однако имеются не-
которые устройства (например
радиоустановки), на работу
которых пульсации оказывают
заметное влияние.

Для лучшего использова-
ния обмотки якоря отдельные
витки соединяют между собой
последовательно. При этом
число коллекторных пластин
берут вдвое меньше числа сво-
бодных концов витков, т. е.
равным числу самих витков.
К каждой коллекторной плас-
тине присоединяют конец пре-
дыдущего и начало следую-
щего витка. В результате по-

Фиг. 108. Чем больше витков в обмотке
якоря машины постоянного тока, тем
меньше пульсируют э. д. с. и ток

лучают замкнутую обмотку.

При такой обмотке напряжение на щётках при вращении якоря
представляет собой сумму э. д. с., индуктируемых в отдельных вит-
ках, включённых между этими щётками.
Чем больше витков в обмотке якоря, тем меньше пульсируют
э. д. с. и ток (фиг. 108).

Положение щёток на коллекторе. При рассмотрении работы
электрических машин постоянного тока для простоты изображения

Фиг. 109. Величина э. д. с., снимаемой с генератора постоянного
тока, зависит от положения щёток. При сдвиге щеток с нейтрали'
э. д. с., действующая между щётками, уменьшается

Фиг. 110. В действительности
в машинах постоянного тока
щётки устанавливаются в пло-
скостях, проходящих через се-
редины полюсов, но они сое-
динены с проводниками, рас-
положенными на нейтральной
линии между полюсами

схем часто не показывают коллектор, а условно представляют, что
щётки скользят непосредственно по проводникам якоря (фиг. 109).

Место щёток должно быть выбрано так, чтобы они полностью
использовали э. д. с., создаваемую обмоткой якоря. Максимальная
величина напряжения на щётках по-
лучается в том случае, когда они рас-
положены на нейтральной линии, т. е.
па линии, перпендикулярной оси по-
люсов (фиг. 109, а). Если же щётки
сдвинуть на какой-то угол от ней-
трали (фиг. 109, б), то напряжение
на них уменьшается, так как в этом
случае в некоторой части последова-
тельно соединённых проводников об-
мотки якоря, включённых между щёт-
ками, наводятся э. д. с. противополож-
ного направления, чем э. д,с. в осталь-
ных проводниках. Если установить
щётки по оси полюсов (фиг. 109,в), то
напряжение на них получится равным
нулю, потому что в половине провод-
ников, лежащих по обеим сторонам
от линии щёток, будет наводиться
э.д. с. одного направления, а в дру-

гой половине проводников — э. д. с. другого направления.

В действительности в машинах постоянного тока щётки установ-
лены в плоскостях, проходящих через середины полюсов. Однако
витки обмотки якоря выгнуты таким образом, что к коллекторным
пластинам, с которыми соприкасаются щётки, присоединены про-
126
водники якоря, расположенные на нейтральной линии между полк>
сами (фиг. 110).

Роль коллектора в электродвигателях. В двигателях постоян-
ного тока коллектор предназначен для распределения тока по
проводникам якоря. Он обеспечивает, чтобы по проводникам, рас-
положенным под северным полюсом (фиг. 111), ток проходил водном
направлении, а по проводникам, расположенным под южным полю-
сом,—в другом.

Когда при вращении якоря проводники меняются местами,
т. е. переходят под полюс другой полярности, направление тока
в них также меняется на противоположное.

Распределение тока коллектором по проводникам якоря нагляд-
но представлено на фиг. 111. В положении, показанном на фиг. 111, а,

Фиг. 111. Схема распределения коллектором тока по проводникам
якоря в двигателях постоянного тока

ток протекает по витку /. Возникающий при этом вращающий
момент М направлен по часовой стрелке. Когда виток 1 в процессе
поворота якоря займёт положение, показанное на фиг. 111Д, кол-
лекторные пластины, к которым присоединён этот виток, выйдут из-
под щёток, и ток перестанет проходить по витку /. Однако под щёт-
ками окажется вторая пара коллекторных пластин, соединённых
с витком 2, и ток начнёт проходить по этому витку. При этом вра-
щающий момент М будет действовать в том же направлении, что
и при положении якоря, показанном на фиг. 111 ,п, вследствие чего
направление вращения якоря останется неизменным.

I аким образом, если к щёткам двигателя подводить постоян-
ный ток, то независимо от положения якоря вращающий момент,
создаваемый всеми его проводниками, будет действовать в одном
и том же направлении, и якорь будет непрерывно вращаться вокруг
своей оси.
27. Основные части машин постоянного тока и их конструктивное
выполнение

Основными частями машин постоянного тока являются остов,
полюсы, якорь, коллектор, щётки и некоторые вспомогательные
детали, служащие для конструктивного оформления машины.

На фиг, 112 изображен поперечный разрез тягового двигателя
постоянного тока типа ДПЭ-400, установленного на электровозах
серии ВЛ22М.

Обмотка

Подшипниковой щит

Фиг. 112. Поперечный разрез тягового двигателя ДПЭ-400
электровоза ВЛ22М

Остов. Остов в современных электрических машинах отли-
вается из стали. Он составляет часть магнитной системы машины и
служит для укрепления полюсов с катушками и выводных зажи-
мов, а также для поддержания боковых щитов, несущих подшипники
якоря.
128
В тепловозных генераторах и в стационарных машинах остов

имеет цилиндрическую форму
машины на раму тепловоза
тяговых двигателей выпол-
няют обычно восьмигранным
и снабжают приспособления-
ми для подвешивания двига-
теля к экипажной части ло-
комотива (фиг. 114).

Для установки тяговых
двигателей в тележках теп-
ловозов и электровозов при-
менена так называемая трам-
вайная или опорно-осевая
система подвешивания (фиг.
115). 11ри этой системе двига-
тель одной стороной опирает-
ся через моторно-осевые под-
шипники на ось движущей
колёсной пары, а другой сто-
роной подвешивается посред-

и снабжается лапами для установки
или фундамент (фиг. ИЗ). Остов

Фиг. НЗ. Остов тепловозного генератора

ством системы пружин к раме тележки.

Благодаря применению трамвайного подвешивания возникаю-
щие при движении локомотива колебания рамы тележки на рес-

Фиг, 114. Остовы тяговых двигателей:

о—тягового двигателя электровоза Н8 (вид со стороны моторио’осевых подшипников);
б—тягового двигателя электровоза ВЛ22М (вид со стороны подвешивания к раме
тележки)

сорах не нарушают сцепления зубчатых колёс, посредством коки
рых двигатель вращает колёсную пару. Одновременно с этим
уменьшается вредное воздействие двигателей на колёсные пары и
через них на рельсовый путь, так как па ось колёсной пары жёстко
9 Заказ 1216 129
опирается лишь половина веса двигателя, а другая половина
является подрессоренной.

В последнее время на электровозах и моторных вагонах стали
применять опорно-рамную систему подвешивания тяговых двигате-
лей, при которой весь двигатель полностью подрессорен.

Колесная пара

Рама тележка

Тяёовыи двигатель

Фнг. 115. Принципиальная схема трам-
вайной подвески тягового двигателя

Пружинная
псдвеска.

Мдспорно- осевой.
подш.и.пник

Полюсы (фиг. 116). В со-
временных стационарных и
тяговых машинах постоян-
ного тока устанавливаются
главные и дополнительные
полюсы. Главные полюсы
являются электромагнитами,
создающими в машине магнит-
ное поле. Главный полюс
представляет собой стальной
сердечник, на который наде-
вается катушка из изолиро-
ванного медного провода.
Часть сердечника со стороны,
обращённой к якорю, выпол-
нена более широкой и назы-

вается полюсным наконечни-
ком. Эта часть служит для поддержания катушки, а также для

лучшего распределения магнитного потока го поверхности якоря.
Сердечники главных полюсов изготовляю!' из отдельных сталь-

ных листов толщиной
0,5 — 1 мм-, этим дости-
гается уменьшение вих-
ревых токов, вызываю-
щих нагрев электриче-
ской машины и потери
мощности.

Возникновение вих-
ревых токов в сердечни-

ках главных полюсов
объясняется изменением

(пульсацией) магнитного
поля в полюсных нако-
нечниках, прилегающих
к якорю при его враще-
нии. Вследствие зубча-
тости якоря магнитное

Обмотка пополни-

Обмотка гладкого полюса тельного полюса

Фиг. 116. Полюсы и полюсные катушки
машины постоянного тока

поле в местах, располо-
женных против зубцов,

сгущается, а в местах,

расположенных против пазов, разрежается. При вращении якоря
против каждой точки поверхности полюсного наконечника оказы-
вается попеременно то зубец, то паз, вследствие чего зоны этих
сгущений и разрежений всё время перемещаются, и, индукция
магнитного поля в отдельных точках наконечника непрерывно
изменяется. Это и вызывает появление вихревых токов в стали

наконечника.

Электрические машины могут иметь два, четыре, шесть и боль-
шее количество главных полюсов. Тяговые двигатели обычно вы-

полняются четырёхполюсными, а тепловозные генераторы— восьми-

полюсными. Дополнительные полюсы (см. фиг. 116) служат для
улучшения коммутации, о чём ниже будет изложено подробнее
(см. § 30).

По своим размерам до-
полнительные полюсы мень-
ше главных полюсов.

Число дополнительных
полюсов обычно равно
числу главных полюсов.
Сердечники дополнитель-
ных полюсов изготовляют-
ся из стали и имеют моно-
литную конструкцию, так
как величина индукции
под дополнительными по-
люсами выбирается обычно
небольшой (см. §30), и ин-
дуктирования вихревых
токов в их наконечниках
практически не происходит.

Остов, полюсы и якорь
составляют магнитную си-
стему машины, через кото-
рую замыкается магнитный
поток, создающий э. д. с.
в обмотке якоря. Воздуш-
ный зазор между якорем и
полюсами является также

Фиг. 117. Магнитная цепь четырёхполюсной
машины

одним из участков магнит-
ной цепи.

Расположение главных полюсов и распределение магнитного
потока в четырёхполюсной машине показано нафиг. 117. Соседние
(разноимённые) полюсы в четырёхполюспой машине расположены
под углом 90°; в двухполюсной — под углом 180°. Линия, делящая
эти углы пополам, называется нейтральной. Магнитный поток,
проходящий через полюсы и поступающий в якорь и остов, разде-
ляется по оси симметрии полюсов на две симметричные и равные
части.

У всех современных машин с симметричными магнитными си-
стемами количество полюсов всегда чётное, все полюсы совершенно
одинаковы и углы между осями соседних полюсов равны.
Катушки полюсов (см. фиг. 116) изготовляются из изолирован-
ного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Се-
чение и число витков обмотки зависят от типа, мощности и напря-
жения машины. Катушки всех главных полюсов соединяются
между собой последовательно или параллельно и составляют
обмотку возбуждения машины. Катушки дополнительных полюсов
обычно соединяют последовательно.

Якорь машины постоянного тока (фиг. 118) представляет собой
цилиндрический сердечник, собранный из штампованных листов

Фиг. 118. Якорь машины постоянного тока:
а — якорь без обмотки; б—сборка якоря; й —стальной лист якоря

электротехнической стали толщиной 0,35 — 0,5 мм. Для уменьше-
ния потерь от вихревых токов, возникающих при пересечении яко-
рем магнитного потока, листы изолируют один от другого.

Лиси»! собирают в общий пакет, который насаживают на вал
якоря. Пакет удерживается в сжатом состоянии нажимными шай-
бами.
В теле якоря устраивают вентиляционные каналы для прохода
охлаждающего воздуха.

Якорные листы имеют зубчатую форму, поэтому при сборке их
в пакеты образуются пазы (впадины), в которые укладывается
обмотка якоря. Пазы бывают открытые (см. фиг. 118) и полузакры-
тые. Тяговые электрические машины имеют открытые пазы.

я к оря

Фиг. 119. Двухслойная обмотка якоря:

я —двухслойная стержневая обмотка; б—укладка секций при открытых пазах

Обмотку якоря выполняют из медной изолированной прово-
локи, а в машинах большой мощности—из медных стержней. Обычно

Фиг. 120. Способы крепления обмотки якоря:
а— проволочными бандажами; б—изоляционными клиньями

обмотка якоря состоит из отдельных, заранее изготовленных якор-
ных катушек, которые обматываются изоляционными лентами из
миканита, асбеста, стеклоткани или хлопчатобумажной ткани и
укладываются в пазы якоря. В каждом пазу укладываются обычно
две стороны различных якорных катушек, одна поверх другой
(фиг. 119). Каждая якорная катушка включает в себя несколько
секции, концы которых припаивают к соответствующим коллектор-
ным пластинам.

После наложения обмотки якорь подвергается пропитке изоля-
ционными лаками (асфальтовым, бакелитовым и др.), благодаря чему
повышается качество изоляции машины.

При вращении якоря обмотка может выйти из пазов под дей-
ствием возникающих центробежных сил. Чтобы предупредить вы-
падение обмотки, её закрепляют проволочными бандажами или изо-
ляционными клиньями (фиг. 120). Якорные катушки1 изготовля-

«7

А т Пушечная
обмотка

Си1ертневая
обмотка

Разрезные
секции

Фиг. 121. Общий вид якорных
катушек:

а—при катушечной обмотке; б — при
стержневой обмотке: в—при обмотке
с разрезными секциями

клея на специальных приспособ-
лениях, позволяющих придавать
им правильную и одинаковую фор-
му (фиг. 121).

Коллектор (фиг. 122) выполнен
из отдельных пластин толщиной до
5—8 м л/, изо готовленных из твёрдо-
тянутой меди клинообразного сече-
ния. Пластины изолируют друг от
друга миканитовыми прокладками.
Выступающая часть коллекторной
пластины, к которой припаивают
провода обмотки якоря, называется
«петушком». Узкие края пластины
имеют форму ласточкиного хвоста;
после сборки коллектора эти края
зажимаются между двумя нажимны-
ми шайбами. Пластины изолируют
от нажимных шайб и вала якоря
миканитовыми конусами и цилинд-
рами. Когда коллектор оконча-
тельно собран, его поверхность об-
тачивают на токарном станке. Что-
бы миканитовые прокладки при
срабатывании, коллектора не высту-
пали над пластинами и не вызыва-
ли вибрации щёток, их профрезе-
ровывают на глубину 0,8 — 1,5 мм

ниже поверхности коллектора

(фиг. 122,6). Эту операцию называют продороживавием коллектора.
Вращаясь, коллектор соприкасается со щётками и постепенно
срабатывается. Кроме того, при работе коллектор нагревается и
возникающие при этом внутренние механические напряжения
могут вызвать его деформацию, следствием которой будет плохой

1 Иногда якорные катушки в производственных условиях и в неко-
торых книгах называют секциями. В настоящей книге под термином «сек-
ция» понимается часть обмотки якоря, расположенная между двумя кол-
лекторными пластинами, следующими друг за другом при обход? обмотки.
134
контакт со щётками и значительное искрение. Поэтому в эксплуата-
ции периодически производят обточку коллекторов.

МиканитвЗые

Фиг. 122. Коллектор
машины постоянного

тока:

а—общий вид- б—располо-
жение коллекторных пла-
стин И ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПЦО-
кладок

Щётки (фиг. 123) предназначены для соединения коллектора

с внешней цепью. Они представляют собой прямоугольные призмы

шириной 5 — 30 лш. Рабо-
чую поверхность щёток при-
шлифовывают к коллекто-
ру, чтобы обеспечить на-
дёжный контакт.

Наиболее часто при-
меняют электрографитные
и металлографитные щёт-
ки. Последние содержат
в себе порошкообразную
медь или бронзу, добавляе-
мую к углю в процессе из-
готовления щёток.

Электрографитные щет-
ки имеют сравнительно
высокое сопротивление,
что благоприятно отра-
жается на работе маши-

, наконечник

Фиг. 123. Щетки электрических машин

ны. Поэтому эти щётки преимущественно и применяются в коллек-

торных машинах.
Металло-графитные щётки, имеющие значительно меньшее сопро-
тивление, применяют главным образом в машинах переменного
тока (с кольцами) или же в маломощных машинах постоянного
тока.

Каждая щётка имеет определённую марку. Щётки различных ма-
рок отличаются между собой составом, способом изготовления и
физическими свойствами. Для каждой машины, работающей в опре-
делённых условиях, нужно применять щётки только соответствую-

Фиг. 124. Щёткодержатели: -

а и б—низковольтных машин; в—высоковольтной машины (электродвигателей
мотор-компрессора и мотор-вентилятора электровоза ВЛ22М)

ших марок. Эти марки подбираются заводом-изготовителем ма-
шин; при замене изношенных щёток нужно брать щётки той же
марки.

Щётки устанавливают в специальные обоймы, называемые щёт-
кодержателями (фиг. 124).

Для отвода тока от щётки к ней прикрепляется медный гибкий
проводник (щёточный канатик), который присоединяется к щётко-
держателю. В некоторых тяговых двигателях гибкий проводник
присоединяют не к самой щётке, а к специальной пластине, прижи-
маемой к верхней торцовой поверхности щётки.
Одним из основных условий хорошей работы щёток является
плотный, надёжный контакт между щеткой и коллектором. Ои до-
стигается с помощью нажимного устройства, смонтированного на
щёткодержателе. Нажим на щётку осуществляется пружиной (спи-

ральной, цилиндрической или
пластинчатой), упирающейся
одним концом в щётку, а дру-
гим в щёткодержатель.

Давление на щётку должно
быть отрегулировано в строго
определённых пределах, так
как чрезмерный нажим вызы-
вает быстрый износ щётки и
нагрев коллектора, а недоста-
точный нажим не даёт надёж-
ного контакта между щёткой и
коллектором, вследствие чего
возникает искрение под щёт-
кой. Величина давления на
щётку принимается из расчё-
та 0,15—0,35 кг на 1 см2 опор-
ной поверхности щётки.

Фиг. 125. Установка щёткодержа-
телей на траверсе

Щёткодержатели укрепляются на кронштейнах непосредствен-
но к остову машины (в тяговых двигателях) или к боковым под-

Фиг. 126. Шариковый
подшипник

шипниковым щитам (в тепловозных генераторах) и изолируются
от них специальными изоляторами.

В стационарных машинах и во
вспомогательных машинах электрово-
зов и тепловозов щёткодержатели
устанавливаются на поворотных тра-
версах (фиг. 125), прикрепляемых к
боковым щитам

Поворотом траверсы обеспечивает-
ся возможность некоторого перемеще-
ния щёток по окружности коллекто-
ра. Благодаря этому можно подобрать
наивыгоднейшее положение щёток,
при котором искрение под щётками при
данном режиме работы будет мини-
мальным.

Конструктивные детали. Кроме описанных выше частей,
в электрических машинах имеется ряд конструктивных деталей:
подшипники, подшипниковые щиты (крышки), смазочные и масло-
защитные устройства и т. п.

В тяговых двигателях, тепловозных генераторах и вспомога-
тельных машинах обычно устанавливают шариковые (фиг. 126) и
роликовые подшипники, очень надёжные и требующие небольшого
ухода.
Подшипники помещают в специальных подшипниковых щи-
тах» которые укрепляют к обеим сторонам остова.

Иногда к подшипниковому щиту, установленному со стороны
коллектора, крепятся щёткодержатели. В этом случае ищите уст-
раиваются окна, через которые можно наблюдать за работой щёток
и коллектора и заменять щётки без разборки машины. Подшип-
никовый щи г, установленный с противоположной стороны, служит
для крепления второго подшипника.

Для смазки шариковых и роликовых подшипников применяется
в большинстве случаев густая, так называемая консистентная с.маз-

фиг. 127. Установка роликовых подшипников в тяговых
двигателях

ка. Эта смазка не требует большого объёма смазочных камер
(фиг. 127) и запас её, закладываемый в подшипник при периоди-
ческих ревизиях двигателя, оказывается вполне достаточным для
работы машины без замены смазки до следующей ревизии.

Для предотвращения выхода смазки из смазочных камер в тяго-
вых машинах применяются так называемые лабиринтовые масло-
уплотнения. Действие этих уплотнений основано на вязкости
смазки, попавшей в небольшой зазор между вращающейся и непод-
вижной деталями, а также на создании самой смазкой гидравли-
ческих перегородок вследствие отбрасывания её к стенкам лабирин-
435
та под действием центробежной силы, возникающей при вращении

якоря.

Охлаждение электрических машин. По способу выполнения
электрические машины разделяются на закрытые и открытые. В
машине закрытого типа воздух, находящийся внутри машины, не
имеет никакого сообщения с наружным воздухом. Охлаждение её

происходит лишь за счёт
отдачи тепла наружной по-
верхностью машины окру-
жающему воздуху.

В машинах открытого
типа воздух, находящийся
внутри машины, свободно
сообщается с окружающим
воздухом, и охлаждение её
более эффективно.

Промежуточным типом
являются защищённые ма-
шины, которые имеют спе-
циальные устройства, пред-
отвращающие попадание
посторонних предметов (а в

дГпЯ Выход Воздуха

Фиг. 128. Схема прохождения
охлаждающего воздуха в машинах
с самсвентиляцией

некоторых случаях и дождевой воды) внутрь машины, но не ме-

сообщению внутреннего воздуха с наруж-

шающие свободному

Фиг. 129. Схема прохождения
охлаждающего воздуха в маши-
нах с независимой вентиляцией

НИМ.

В открытых и защищённых машинах
на валу якоря, как правило, уста-
навливается вентилятор. Такой спо-
соб охлаждения электрических машин
называется самовентиляцией, а маши-
ны этого типа — машинами с самовен-
тиляцией.

Тяговые двигатели моторных ваго-
нов, тепловозные генераторы и вспо-
могательные машины, установленные
на электровозах и тепловозах, явля-
ются машинами с самовентиляцией.
В этих машинах засасываемый венти-
лятором охлаждающий воздух рас-
пределяется на два параллельных по-
тока (фиг. 128). Одни из этих потоков
омывает поверхность коллектора, ка-
тушки полюсов и пространство между
полюсами и якорем. Другой поток

проходит под коллектором и по вентиляционным каналам внутри
сердечника якоря. Нагретый воздух выбрасывается через специаль-

ные отверстия, имеющиеся в подшипниковом щите со стороны,
противоположной коллектору.
В тяговых двигателях электровозов и тепловозов для улучшения
охлаждения воздух в машину нагнетается извне особым вентилято-
ром (фиг. 129), приводимым во вращение отдельным электродвига-
телем (мотор-вентилятором). Такие машины называются машинами
с независимой вентиляцией.

При этом типе вентиляции воздух распределяется внутри машины
такими же двумя параллельными потоками, как и при само-
вентиляции.

В машинах с независимой вентиляцией количество подаваемого
в машину воздуха и его напор не зависят от режима ее работы,
в то время как в машинах с самовентиляцией режим работы вентиля-
тора определяется той скоростью, с которой вращается в данный
момент генератор или двигатель.

На фиг. 130 приведена схема независимой вентиляции тяго-
вых двигателей электровоза ВЛ22М.

Фиг. 130. Схема вентиляции тяговых двигателей электровоза ВЛ22М

Охлаждающий воздух подается в тяговые двигатели двумя
мотор-вентиляторами. Один мотор-вентилятор подает воздух для
охлаждения двигателей, установленных на первой тележке электро-
воза; второй мотор-вентилятор обеспечивает охлаждение двигателей
второй тележки.

Охлаждение оказывает большое влияние на работу электриче-
ских машин. Мощность, которую можно получить от электриче-
ской машины, ограничена предельной температурой, которую может
выдержать изоляция ее обмоток (см. § 35). Поэтому при интенсив-
ном охлаждении значительно снижается нагрев обмоток и повы-
шается мощность машины.

28. Обмотки машин постоянного тока

Принцип соединения отдельных проводников якоря в обмотку.
В современных электрических машинах применяют исключительно
замкнутые обмоткщ проводники которых размещаются на внешней
поверхности цилиндрического якоря. Такие обмотки носят назва-
ние барабанных.
При выполнении обмотки проводники, расположенные в па-
зах якоря, следует соединять между собой таким образом, чтобы
э. д. с. в них складывались. Для этой цели два проводника, образую-
щие виток обмотки, должны соединяться между собой так, как ука-
зано на фиг. 131, т. е. проводник А, расположенный под северным
полюсом, должен соединяться с проводником Б, расположенным
под южным полюсом.

Расстояние между проводниками, составляющими виток, должно
быть равно или незначительно отличаться от расстояния между

Фиг. 131. Для того чтобы э. д. с., индуктированные в провод-
никах якоря, складывались, необходимо соединять в витки
проводники, расположенные под полюсами различной
полярности

серединами соседних полюсов (полюсного шага); при этом условии
виток будет охватывать весь магнитный поток полюса, и э. д. с.,
возникающая в нём при вращении якоря, будет иметь наибольшее
значение.

Для наглядного изображения обмоток цилиндрическую поверх-
ность якоря вместе с обмоткой развёртывают в плоскость, и все сое-
динения проводников изображают в виде прямых линий на плос-
кости чертежа. При таком способе изображения виток обмотки
будет иметь вид, показанный на схеме фиг. 131.

Витки соединяются между собой со стороны коллектора. При
этом обмотка якоря разбивается на отдельные секции. Секцией
называют часть обмотки, расположенную между двумя коллектор-
ными пластинами, следующими друг за другом по ходу обмотки.
’ [ Секция может состоять из одного или нескольких витков.
В первом случае секции называют одновптковыми (фиг. 132, а); во
втором — многовитковыми (фиг. 132, б).

Одновитковые секции состоят из двух активных проводников,
которые непосредственно пересекают магнитный поток; активные
проводники расположены в пазах якоря и соединяются лобовыми
частями, лежащими вне сердечника якоря. Лобовые части в индук-
тировании э. д. с. практически не участвуют. Многовитковые сек-
ции состоят из двух активных сторон, каждая из которых объеди-
няет несколько активных проводников. Обмотка якоря, состоящая
из одновитковых секций, называется стержневой; обмотка, состоя-
щая из многовитковых секций, — катушечной. Общий вид якорных
катушек при стержневой обмотке показан нафиг. 121,6, при кату-
шечной обмотке нафиг. 121,д'. В некоторых машинах большой мощно-
сти применяют якорные катушки, выполненные из разрезных сек-
ций (см. фиг. 121,6).

В машинах постоянного тока с одновитковыми секциями число
коллекторных пластин равно числу витков и вдвое меньше числа
активных проводников. При многовитковых секциях число кол-

Фиг. 132. Схема одновитковой и многовиткоеой секций

лекторных пластин вдвое меньше числа активных сторон секции.
Секцию обмотки укладывают в пазу таким образом, чтобы одна из
её активных сторон находилась в верхнем слое, а другая в нижнем
слое.

Для того чтобы э. д. с., индуктированные в отдельных витках,
складывались, при соединении их между собой руководствуются
тем же правилом, что и при соединении проводников в витки: рас-
стояние между соединяемыми частями витков должно быть приб-
лизительно равно расстоянию между осями полюсов.

Типы обмоток. В машинах, имеющих число полюсов больше
двух (четыре, шесть и пр.), соединение между собой отдельных вит-
ков можно осуществить двумя различными способами.

При первом способе (фиг. 133) начало витка 1 присоединяют
к коллекторной пластине, а конец его соединяют с соседней коллек-
торной пластиной и началом рядом лежащего витка 2. Далее конец
витка 2 присоединяют к следующей коллекторной пластине и к на-
чалу соседнего витка и т. ,д< до тех пор, пока обмотка не замкнётся,
т. е. пока мы не вернёмся к началу витка /.

Обмотка, выполненная этим способом, называется петлевой
обмоткой, так как каждая секция имеет вид петли. Графическое
112
изображение её показано на схеме фиг. 133, а форма якорной ка-
тушки — на фиг. 134.

При втором способе (фиг. 135) витки соединяются следующим
образом. Конец витка 1 присоединяют к коллекторной пластине

Фиг. 133 Схема петлевой (параллельной) обмотки

и соединяют с началом витка 2, который расположен под следую-
щей парой полюсов. Затем копен витка 2 соединяют с другой кол-
лекторной пластиной и началом витка 3 и т. д. до тех пор, пока
обмотка не замкнётся, т. е. пока мы не вернёмся к началу витка 1.

Пазодая часть.

Фиг. 134. Форма якорной катушки при петлевой обмотке

Лододпя часгр^ Пазовая №

передняя /часть нижня^
сторона

задняя

Ладовая часть

Из фиг. 135 нетрудно видеть, что и в этом случае э. д. с. вит-
ков /, 2, 3\\ 4 складываются.

Обмотка, выполненная по этому способу, носит название вол-
новой обмотки, так как каждая секция её получает форму волны.
Графическое изображение её показано на схеме фиг. 135, а форма
якорной катушки — на фиг. 136.
Петлевая и волновая обмотки являются двумя основными
типами современных обмоток.

Простыми обмотками (петлевой и волновой) называются такие
обмотки, при выполнении которых по возвращении к исходному
полюсу сдвигаются на два'активиых проводника (активные стороны
при многовитковых секциях) и на одну коллекторную пластину
г перёд или назад по отношению к начальному проводнику и началь-
ной коллекторной пластине.

Фиг. 135. Схема волновс-й (последовательной) обмотки

Кроме простых обмоток, каждый из рассмотренных типов имеет
свои разновидности, так называемые сложно-петлевые и сложно-
волновые обмотки, которые представляют собой несколько простых
петлевых или волновых обмоток, наложенных на общий якорь.

Имеется и так называемая лягушечья (параллельно-последо-
вательная) обмотка, представляющая собой две параллельно
соединённые обмотки — петлевую и волновую, наложенные на
общий якорь (фиг. 137).

Замкнутая барабанная обмотка любого типа разделяется щёт-
ками на несколько параллельных ветвей (фиг. 138), минимум на
две. В этих параллельных ветвях при точном выполнении машины
индуктируются равные и противоположно направленные э. д. с.,
поэтому внутри обмотки не возникает никакого уравнительного
тока. Количество параллельных ветвей обмотки якоря зависит
от типа обмотки: в простой петлевой обмотке число параллельных
ветвей и число щёткодержателей равно числу полюсов, в простой
волновой обмотке оно не зависит от числа полюсов и всегда равно
двум.
144
Следовательно, в многополюсных машинах постоянного тока
с петлевой обмоткой секции обмотки оказываются включёнными
в несколько параллельных ветвей (фиг. 139, а), а в машинах с вол-
новой обмоткой только в две ветви (фиг. 139, б). Поэтому петлевую

Ла задай част?)
ер.сняя сторона

'ободая часть Лазобдя
передняя /нижняя сторона^

ЛоВобая част
юдняя

Фиг. 136 Форма якорной катушки при волновой обмотке

Фиг. 137. Схема параллельно-последова-
тельной (лягушечьей) обмотки:
а—схема; б—форма нкорной катушки

обмотку часто называют параллельной, а волновую •— последова-
тельной.

В некоторых случаях число щёткодержателей при волновой
обмотке берётся равным
числу полюсов. Это не-
сколько улучшает работу
щёток, но ничего не меняет
в принципе построения об-
мотки* Поверхность кол-
лектора при этом лучше
используется него размеры
можно несколько сократить.

Каждая из рассмотрен-
ных обмоток — петлевая и
волновая—имеет свои пре-}
имущества.

При одном и том же ко;

личестве активных проводников и полюсов простая петлевая (па^
раллельная) обмотка будет иметь в р раз больше параллельных
цепей, чем волновая (где р — число пар полюсов/ Следовательно,
она может пропускать значительно больший ток, чем волновая
обмотка.

10 Заказ 1216

145
Число же витков в каждой
(параллельной) обмотке в р раз

Фиг. 138- Щётки разбивают обмотку
якоря на несколько ветвей

параллельной цепи при петлевой
меньше, чем при волновой (последо-
вательной).

Так как напряжение машины
определяется количеством витков
в каждой параллельной цепи, то
напряжение, которое может быть
подано (в двигателе) или получено
(в генераторе) от машины, имею?
щей петлевую обмотку, значи-
тельно меньше, чем при волновой
обмотке.

Из этих преимуществ вытекает,
что в высоковольтных машинах
целесообразно применять волно-
вую обмотку. Такая обмотка
+ имеется у большинства тяговых
- двигателей и вспомогательных

машин электровозов и моторных
вагонов, которые рассчитаны
для работы при высоком напря-
жении 3 000 и 1 500 в.

Волновую обмотку выгодно применять также и в машинах не-
большой и средней мощности. При этом облегчается технологиче-

Фиг. 139. Схема параллельных ветвей при петлевой (а)
и волновой (б) обмотках

ское выполнение обмотки, так как она требует меньшего количе-
ства активных проводников и витков, чем петлевая (хотя сечение
каждого проводника должно быть больше). Это объясняется тем, что
146
при любом числе полюсов простая волновая обмотка имеет только две
параллельные ветви, в каждую из которых при заданном напря-
жении должно быть включено определённое число витков. В петле-
вой же обмотке все её параллельные ветви должны содержать
такое же число витков, вследствие чего общее количество витков
в машине при одинаковом напряжении сильно возрастает.

В машинах, рассчитанных для работы при больших токах,
целесообразно применять петлевую обмотку.. Такую обмотку имеют
некоторые тепловозные генераторы и тяговые двигатели, электро-
возные генераторы возбуждения (генераторы рекуперации) и
мощные тяговые двигатели электровозов Н8.

Потребность в параллельно-последовательных (лягушечьих)
обмотках возникает в машинах большой мощности, рассчитанных
на большие токи. Такую обмотку имеют, в частности, мощные гене-
раторы тепловозов ТЭЗ.

Уравнительные соединения. Следует отметить, что при петлевых
(параллельных) обметках э. д. с. каждой параллельной цепи соз-
даётся магнитным потоком определённой пары полюсов. Так как
магнитные потоки каждой пары полюсов могут несколько отличаться
по величине (из-за неточного расположения якоря относительно
полюсов, наличия раковин в остове и пр.), то э. д. с., наводимые
в каждой параллельной цепи, могут быть неодинаковыми. В этом
случае они будут создавать уравнительные токи, циркулирующие
по обмотке якоря через параллельно соединённые щётки; эти токи
будут перегружать щётки и ухудшать работу машины. Например,
при неравенстве э. д. с. и е2 в параллельных ветвях обмотки
якоря (фиг. 140, &) по обмотке и через вертикальные щётки будет
проходить уравнительный ток 1УР. При неравенстве э. д. с. во
всех четырех параллельных ветвях уравнительные токи будут
протекать через вертикальные и через горизонтальные щетки.

Для того чтобы уменьшить уравнительные токи, проходящие через
щётки в крупных машинах с петлевой обмоткой (в тепловозных
тяговых двигателях и генераторах, в тяговых двигателях НБ-406
и генераторах возбуждения электровозов), отдельные секции свя-
зывают между собой особыми уравнительными соединениями, по
которым замыкаются уравнительные токи, минуя щётки.

Уравнительные соединения представляют собой проводники, свя-
зывающие точки обмотки с теоретически одинаковыми потенциала-
ми, т. е. те точки, которые имели бы равные потенциалы при равен-
стве магнитных потоков всех полюсов. Такими точками являются
начала и концы проводников обмотки якоря, расположенные друг
от друга на расстоянии, равном расстоянию между одноимёнными
полюсами (двойному полюсному шагу). Идеальным было бы соеди-
нить между собой все такие точки обмотки Однако большое число
уравнительных соединений сильно удорожает обмотку, поэтому
практически соединяют не все точки с теоретически одинаковыми
потенциалами, а лишь некоторые из них.
С производственной точки зрения уравнительные соединения
удобно присоединять к коллекторным пластинам; обычно они свя-
зывают между собой каждую третью-пятую пластины коллектора,

Уравнитель ные
соединения

Фиг. 140. При неравенстве магнит-
пых потоков отдельных полюсов в
параллельных ветвях петлевой об-

присоединенные к проводникам
обмотки (фиг. 140, б), отстоящим
друг от друга на расстоянии
двойного полюсного шага. В ча-
стности, в чегырёхполюсных ма-
шинах (тяговых двигателях теп-
ловозов и электровозов Н8) урав-
нительные соединения связыва-
ют между собой коллекторные
пластины, отстоящие друг от
друга на половину окружности
коллектора, а в восьмиполюсных
(в тепловозных генераторах) —
пластины, отстоящие на четверть
окружности коллектора.

При волновой (последователь-
ной) обмотке параллельные вет-
ви проходят под всеми полюсами,
вследствие чего э. д. с., индук-
тированные в каждой парал-
лельной цепи, будут одинаковы.

Не требуют уравнительных
соединений также и параллель-
но-последовательные (лягуше-
чьи) обмотки, что выгодно отли-

чает их от петлевых.

29. Реакция якоря

мотки возникают уравнительные то-
ки. Для устранения вредного влия-
ния этих токов на работу щёток
в машинах с петлевой обмоткой вы-

Физическая сущность явле-
ния реакции якоря.При холостом
ходе магнитное поле в машине

полняют уравнительные соединения постоянного тока создаётся об-
моткой возбуждения, располо-
женной на полюсах. При этом магнитный поток, пронизывающий
якорь, равномерно распределяется вдоль его окружности (фиг. 141,«).

При нагрузке машины проходящий по обмотке якоря ток создаёт
своё собственное магнитное поле (фиг. 141, б), которое носит назва-
ние магнитного поля реакции якоря. Поле реакции якоря искажает
основное магнитное поле машины (фиг. 141,в); это воздействие

магнитного поля якоря па основное поле носит название реакции
якоря.

Поток реакции якоря в машинах с насыщенной магнитной цепью,
какими являются тяговые двигатели, тепловозные генераторы и
вспомогательные машины электровозов и тепловозов, оказывает
размагничивающее действие на главный поток машины. В резуль-
тате э. д. с. машины при нагрузке оказывается несколько мень-
шей э. д. с. при холостом ходе.

Это объясняется тем, что поток реакции якоря, как показано
на фиг. 141, в, усиливает магнитный поток под одной половиной
полюса и ослабляет его под другой половиной. Однако благодаря
насыщению стали полюсов
виной полюса оказывается
другой его половиной,
вследствие чего общий по-
ток машины уменьшается.

Вредные последствия
реакции якоря. Реакция
якоря оказывает большое
влияние на работу машины
постоянного тока. Как по-
казано на фиг. 141,6, поле
реакции якоря расположе-
но в поперечном направле-
нии относительно оси по-
люсов.

Накладываясь на маг-
нитное поле, созданное об-
моткой возбуждения, оно
искажает распределение
магнитного потока под по-
люсом машины, усиливая
его с одной стороны полюса
и ослабляя с другой. При
этом магнитный поток как
бы поворачивается относи-
тельно оси полюсов на неко-
торый угол (см. фиг. 141 л),
и физическая нейтраль (ли-
ния, разделяющая зоны
главных полюсов, перпен-
дикулярная оси магнитно-
го потока машины) сме-
щается относительно гео-
метрической нейтрали ма-
шины (линии, перпендику-

лярной оси полюсов), Чем больше нагрузка машины, тем сильнее
неравномерность магнитного поля, вызываемого реакцией якоря, и
тем на больший угол поворачивается физическая нейтраль отно-
сительно геометрической.

При работе машины генератором физическая нейтраль повора-
чивается по направлению вращения якоря; при работе машины
двигателем—против направления вращения. Как будет показано
ниже, поворот физической нейтрали относительно геометрической

увеличение потока под одной поло-
меньшим, чем ослабление потока под

б)

Поток реакции
якоря

а)

Ось полюсоб

<8’1111
Л 'I I I 1 I

Поток обмотки возбуждения

в)

Ось результирующего
магнитного потока

тель

ю ’ I 1 I И 12 и Г.

Генератор{।

141. В результате реакции якоря

физическая нейтраль машины поворачи-

е
а

на некоторый угол относительно
геометрической нейтрали

иеорота

X Физичес-

। нейтраль

Фиг.

вается
ухудшает работу машины (нарушает правильную коммутацию —
см. § 30), вызывая искрение щёток.

Другим вредным последствием реакции якоря является то,

что под краями полюсных наконечников происходит сильное сгуще-
ние силовых магнитных линий (под сбегающими краями у генера-
тора и набегающими краями у двигателя) и значительно возрастает
интенсивность (индукция) магнитного поля.

При прохождении витками якоря тех мест под полюсами,

где индукци я усилена реак-
цией якоря, в них будут индук-
тироваться э д. с. большей
величины. В результате этого
будет повышаться напряже-
ние, действующее между со-
седними коллекторными пла-
стинами, к которым присое-
динены эти витки.

Для большинства машин
это обстоятельство не имеет
существенного значения, но
для высоковольтных тяговых

Фиг. 142. Схема образования кругового двигателей электровозов и

огня на коллекторе моторных вагонов и мощных

генераторов тепловозов, в ко-
торых напряжение между соседними коллекторными пластинами
и без того велико, такое повышение э. д. с. в витках может вызвать

ионизацию воздуха вокруг коллектора и сильно увеличить склон-
ность машины к круговому огню.

В этом случае небольшое искрение под щётками, которое в низ-
ковольтных машинах не представляет серьёзной опасности, может
перерасти в сплошное искрообразование по коллектору и в элек-
трическую дугу, перекрывающую коллектор от щётки до щётки
(фиг. 142, а). Это явление носит название кругового огня, оно пред-
ставляет собой, по сути дела, короткое замыкание машины через
Дугу.

Круговой огонь на коллекторе является весьма серьёзной ава-
рией. Он сильно повреждает (оплавляет) поверхность коллектора
и часто сопровождается переброской дуги на ближайшие заземлён-
ные части тягового двигателя — подшипниковый щит и наконечник
главного полюса (фиг. 142, б).

Устранение вредных последствий реакции якоря. Вредное воз-
действие реакции якоря на работу щётки, вызывающее искрение
на коллекторе, обычно ликвидируется при помощи дополнительных
полюсов (см. § 30).

Дополнительные полюсы рассчитываются таким образом, чтобы
уничтожить поток реакции якоря в зоне их действия. Однако они
не в состоянии уничтожить весь магнитный поток реакции якоря и,
следовательно, не могут ликвидировать склонность машины к
круговому огню, вызванную сильным сгущением силовых магнит*
пых линий под краями полюсных наконечников. Эту задачу выпол-
няет так называемая компенсационная обмотка, которой снабжа-
ются крупные машины постоянного тока, в частности, генераторы
тепловозов ТЭЗ.

Компенсационная обмотка располагается в пазах, проштампо-
ванных в полюсных наконечниках, и включается последовательно

Поток реак
ции якоря .

Поток
^компенсаци-
онной обмотки

Поперечное сечение
полюсного наконечника

'Листы различного
профиля

Помпе нс а ционная
обмотка

Фиг. 143. Схема компенсационной
обмотки

Фиг. 144. Конфигурация
полюсного наконечника тя-
гового двигателя, обеспе-
чивающая получение на
его краях большого
насыщения

с обмоткой якоря таким образом, чтобы поток, создаваемый компен-
сационной обмоткой, был противоположен потоку реакции якоря
(фиг. 143). В результате происходит полная компенсация попереч-
ного потока реакции якоря и устраняются все вызываемые им вред-
ные последствия.

Компенсационная обмотка включается последовательно с об-
моткой якоря, что обеспечивает автоматичность компенсации по-
тока реакции якоря при любой нагрузке машины.

Наличие компенсационной обмотки повышает надёжность работы
машины, однако существенно увеличивает её стоимость. Поэтому её
применяют только в весьма мощных машинах постоянного тока,
работающих в тяжёлых условиях.

При отсутствии компенсационной обмотки-для предотвращения
сильного сгущения силовых магнитных линий под краями полюс-
ных наконечников (что повышает склонность машины к круговому
огню) искусственно увеличивают магнитное сопротивление в ука-
занных местах. Это можно осуществить двумя путями: увеличением
воздушного зазора под краями полюсных наконечников или увели-
чением насыщения стали наконечников посредством соответствую-
щего уменьшения их поперечного сечения.

Оба указанных способа применяют в тяговых двигателях и теп-
ловозных генераторах. Насыщения полюсных наконечников практи-
чески добиваются соответствующим выбором формы их рогов,
обеспечивая этим «ущемление» потока реакции якоря в рогах. В
некоторых случаях (в тяговых двигателях ДПЭ-340) полюсы изго-
товляются из листов различного очертания (фиг. 144), что по-
зволяет сильно уменьшить сечение стали наконечника на его краях.

30. Коммутация

Физическая сущность процесса коммутации. При нагрузке
машины постоянного тока между коллектором и щётками часто на-
блюдается искрение. Искрение может возникать как по электриче-
ским так и по механическим причинам. К последним относятся
слабое давление щёток на коллектор, неправильная конфигурация
и негладкая поверхность коллектора, выступание изоляции между
коллекторными пластинами и другие дефекты в конструкции и
производственном выполнении машины.

Однако искрение под щётками может наблюдаться и при от-
сутствии указанных дефектов, так как оно вызывается физическими
процессами, происходящими внутри коллекторных машин Эти про-
цессы носят общее название коммутации и связаны с переходом сек-
ций обмотки якоря из одной параллельной ветви обмотки в другую.

Как было установлено в § 28 щётки разделяют обмотку якоря
на несколько параллельных ветвей. При вращении якоря каждая
секция его обмотки переходит из одной параллельной ветви в другую,
что сопровождается резким изменением направления тока в сек-
ции и замыканием этой секции накоротко щётками.

На фиг. 145 показано, как изменяется направление тока в сек-
ции в процессе такого перехода. Предположим, что в какой-либо
момент времени секция 1 находится в нижней параллельной ветви
(фиг 145, а), при этом ток протекает по секции в направлении от
её начала И к концу /С Через некоторое время якорь повернётся,
и секция I окажется в верхней параллельной ветви (фиг 145, б).
При этом ток будет уже протекать по секции в обратном направле-
нии, т. е. от её конца К к началу Н

Процесс изменения тока в секции (процесс коммутации) проте-
кает весьма быстро—за время, в течение которого секция оказы-
вается замкнутой накоротко щёткой. Замыкаемые накоротко сек-
ции, участвующие в процессе коммутации, называются коммути-
руемыми секциями: число их определяется числом коллекторных
пластин, перекрываемых одновременно щёткой. Секция начинает
коммутироваться в момент, когда коллекторные пластины, между
которыми подключена секция, перекрываются набегающим краем
щётки; оканчивается же процесс коммутации этой секции в момент
выхода указанных коллекторных пластин из-под противополож-
ного— сбегающего края щётки.

Рассмотрим более подробно процесс коммутации в какой-либо
секции обмотки якоря при различных положениях щётки отно-
сительно коллекторных пластин (фиг. 146). При этом ради простоты
будем считать, что ширина щётки равна ширине коллекторной
пластины.
В начальный момент коммутации (фиг. 146, а) щетка перекры-
вает коллекторную пластину /, и ток якоря /, пройдя щётку и кол*
лекторную пластину, разветвляется па две части; при этом по каж-

Фиг. 145. При переходе секции из одной параллельной ветви
обмотки якоря в другую направление тока в ней изменяется

дой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи, рав-
I п

ныб'-х. При вращении якоря коллекторные пластины сдвигаются

относительно щётки, и через некоторое время щетка начинает пере*

Нлзло коммуясщии конец

Фиг. 146. Изменение направления тока в секции в процессе
коммутации

крывать обе коллекторные пластины 1 и 2, замыкая накоротко ком-
мутируемую секцию /—4, обозначенную жирной линией.

Когда щётка начнёт равномерно перекрывать обе коллекторные
пластины I и 2 (фиг. 146, б), ток через коммутируемую секцию
протекать не будет; в обеих же параллельных ветвях будут про-
текать токи, равные --.

Л/

В конце процесса коммутации (фиг. 146, в) щётка сходит с кол-
лекторной пластины / и перекрывает только лишь одну пластину 2;
при этом ток в коммутируемой секции будет направлен противо-
положно его направлению в начале коммутации.

Таким образом, в течение периода коммутации рассматриваемая
секция 1—4 переходит из левой параллельной ветви в правую. В тече-
ние этого периода токи в проводах 2 и 3 остаются неизменными и рав-
ными — , так как проводник достаётся всё время в правой, а провод-
ник 3 — в левой параллельной ветви, ток же в секции 1 — 4
изменяется.

Сначала ток в ней уменьшается и достигает нулевого значения
в тот момент, когда поверхности соприкосновения щётки с кол-
лекторными пластинами 1 и 2 будут одинаковы. При дальнейшем

Фиг. 147. В процессе коммутации в секции
индуктируется реактивная э. д. с. ер

движении обмотки ток в секции 1 — 4 изменит своё направление
на обратное и начнет увеличиваться. Он достигнет значения -х
Л

в конце периода коммутации к моменту схода щётки с коллектор-
ной пластины /; с этого момента секция / — 4 будет находиться уже
в правой ветви обмотки якоря (фиг. 146, в).

Рассмотренный выше процесс коммутации не вызывает каких-
либо неприятных последствий в машине. В этом случае плотность
тока под щётками в течение периода коммутации остаётся неизмен-
ной, так как по мере уменьшения площади коллекторной пластины,
перекрываемой щёткой, уменьшается пропорционально и вели-
чина тока, проходящего от щётки к данной пластине. Следо-
вательно, если при расчёте машины выбрать площадь щёток
так, чтобы плотность тока под ними не превышала допустимую
величину, то искрения под щётками происходить не будет. Такая
коммутация носит название прямолинейной, или идеальной.
Однако в действительных условиях работы машин постоянного
тока процесс коммутации протекает более сложно. Изменение тока
в коммутируемой секции от значения+— (фиг. 146, а) до значе-

ния—(фиг.

146, в) происходит весьма быстро, приблизительно

Реактивная Ток коммЦ'

Фиг. 148. Реактивная
э. д. с. создаёт в ком-
мутируемой секции зна-
чительный ток коммута-
ции 7к, вызывающий ис-
крение под тётками

в течение 0,001 — 0,0001 сек.

Благодаря этому в коммутируемой секции возникает довольно
большая э. д. с. самоиндукции, а также
э. д. с. взаимоиндукции (если в процессе
коммутации участвует несколько секций, од-
новременно замыкаемых накоротко щёткой).

Возникающие в коммутируемой секции
э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции
совместно носят название реактивной
э. д. с. ер (фиг. 147). Действуя в замкнутой
накоротко секции, эта э. д. с. вызыва-
ет в ней добавочный ток коммутации Iк
(фиг. 148), который увеличивает общий
ток в коммутируемой секции и сильно
изменяет характер коммутации.

Согласно закону Ленца э. д. с. само-
индукции и взаимоиндукции должны про-
тиводействовать вызывающем их причине,
т. е. изменению тока в коммутируемой
секции. Ввиду того что ток в коммутируе-
мой секции в процессе коммутации стре-
мится уменьшиться, а затем изменить свой
знак, реактивная э. д. с. ер и добавочный
ток коммутации 1К должны противодейст-
вовать этому уменьшению; следовательно,

они будут иметь направление, совпадающее с направлением тока
в коммутируемой секции в первую половину периода коммутации.

Циркулируя в цепи коммутируемой секции, замкнутой нако-
ротко щёткой, ток коммутации 1 к уменьшает величину тока на
набегающем крае щетки и увеличивает ток /2 на сбегающем крае
(см. фиг. 148). В результате плотность тока под щётками стано-
вится неравномерной — пониженной на набегающем крае щётки
и повышенной на сбегающем.

Влияние коммутации на работу машины постоянного тока. В
момент схода щетки с коллекторной пластины плотность тока под
сбегающим краем щётки может достичь значительной величины и
вызвать искрение под щётками. Возникновению искрения способ-
ствует также наличие определённого напряжения между щёткой
и коллекторной пластиной в момент их размыкания, которое
создаётся э. д. с. самоиндукции. При этом запас электромагнитной
энергии в цепи коммутируемой секции может оказаться достаточ-
ным, чтобы ионизировать воздушный промежуток между коллекто-
ром и щёткой, поэтому между ними проскакивает искра (фиг. 149).
В результате длительного искрения неизбежен преждевременный
износ коллектора и щеток.

При достаточно большом запасе электромагнитной энергии
в момент окончания процесса коммутации между щёткой и пласти-
ной появляется электрическая дуга, которая при дальнейшем дви-
жении замыкает две соседние пластины (например 2 и 3 на
фиг. 149). При неблагоприятных условиях (в высоковольтных
машинах с сильным искажением магнитного поля от действия реак-
ции якоря) дуга будет переходить от пластины
. к пластине, что приведёт к возникновению

\ кругового огня.

X. Чем больше мощность машины и чем выше

её скорость вращения, тем большая реактив-
ная э. д. с. индуктируется в коммутируемых
витках и тем неблагоприятнее протекает про-
хХ весе коммутации.

I | __________ На протекание процесса коммутации ока-

I- 7 зывает также вредное влияние сдвиг физичес-

| кой нейтрали относительного геометрической,

| возникающий под действием реакции якоря.

7 Обычно щётки устанавливаются под сере-

Фиг. 149. В момент динами полюсов (см. фиг. НО) так, чтобы
окончания процесса замыкаемые ими коллекторные пластины были
коммутации между соедИнены с секциями обмотки якоря, располо-
с неё коллекторными женными на геометрической нейтрали. В этом
пластинами возни- месте не действует магнитный поток, создан-
каег электрическая ный обмоткой возбуждения МЗШИНЫ, И при
11 холостом ходе в указанных секциях нешндук-

тируется никакой э. д. с. Если бы мы уста-
навливали щётки в каком-либо другом месте по окружности
коллектора, то не только уменьшилась бы действующая между
ними э. д. с. (см. § 26), но замкнутые щётками секции обмотки
якоря оказались бы в зоне действия магнитного поля полюсов и
при вращении якоря в них, так же как и в остальных секциях,
индуктировались бы э. д. с.

Под влиянием этих э. д. с., называемых э. д. с. вращения, в замк-
нутых накоротко секциях образовались бы большие токи, которые
вызвали бы сильное искрение под щётками.

Однако установкой щёток на геометрической нейтрали мы до-
стигаем улучшения работы щёток только при одном режиме — при
холостом ходе.

При нагрузке из-за сдвига физической нейтрали относительно
геометрической расположенные на геометрической нейтрали ком-
мутируемые секции оказываются в зоне действия магнитного по-
тока реакции якоря, поэтому при вращении якоря в них, кроме
реактивных э. д. с., будут индуктироваться « э. д. с. вращения.
156
степеней искре-
ния щёток

Э. д. с. вращения, созданные потоком реакции якоря, ухудшают
коммутацию, так как совпадают по направлению с реактивными
э. д. с.

В практике о протекании процесса коммутации обычно судят
по степени искрения под щётками. Говорят, что у машины хорошая
коммутация, если работа щёток происходит без искрения, и плохая
коммутация, если щётки работают с искрением.
Оценка степени искрения производится согласно
ГОСТ на электрические машины, по специальной
шкале (фиг. 150), которая включает в себя пять
степеней искрения: 1, Р/4, 2 и 3. Степень 1

означает, что искрение отсутствует, степень Р/4 —
слабое точечное искрение на небольшой части кон-
тактной поверхности щёток у небольшого числа
(приблизительно четверти) щёток; степень Р/2 —
слабое точечное искрение приблизительно у полови-
ны всех щёток; степень 2— искрение под большей
частью щётки у большинства или у всех щёток;
степень 3— значительное искрение на всех щётках.
При искрении, соответствующем степеням 1, Р/4
и 1х/2, коллектор и щётки при длительной эксплу-
атации машины остаются в состоянии, пригодном
для дальнейшей работы. Коммутация считается при
этом практически безыскровой и допускается во

всех машинах. При искрении, соответствующем степени 2, на кол-
лекторе и щётках при длительной работе остаются следы почернения
и нагара, что допускается лишь при толчках нагрузки и при
изменениях направления вращения двигателей. Степень 3 соответ-
ствует опасному искрению и, как правило, не допускается.

Способы улучшения коммутации. Основной причиной искрения
под щётками является возникновение в короткозамкнутой секции
добавочного тока коммутации, вызванного реактивной э. д. с. и
э. д. с. вращения, возникающей от действия потока реакции якоря.

Следовательно, улучшение коммутации может быть осуществлено
тремя путями:

1) уменьшением тока коммутации за счёт увеличения сопротивле-
ния цепи коммутируемой секции;

2) уменьшением величины реактивной э. д. с.;

3) созданием в коммутируемой секции компенсирующей э. д. с.
ё^той же величины, что и сумма реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения
от потока реакции якоря, но имеющей обратное направление Эта
э. д. с. может быть индуктирована при помощи какого-либо допол-
нительного внешнего поля.

Увеличение суммарного сопротивления цепи коммутируемой
секции достигается применением электрографитированных щёток,
которые имеют большое сопротивление и создают увеличенное пере-
ходное сопротивление в месте соприкосновения щётки с коллекто-
ром. Стремление к улучшению коммутации — основная причина
перехода от медных щёток, первоначально применявшихся в элек-
тромашиностроении, к угольным и электрографитированным.
В тяговых электрических машинах применяются исключительно
электрографнтированные щётки.

Уменьшение величины реактивной э. д. с. достигается умень-
шением индуктивности секции различными конструктивными
мерами.

Индуктивность зависит от числа витков, от размеров секции,
от конструкции пазов якоря и будет тем больше, чем больше витков
в секции, чем больше её размеры, чем выше и уже паз. Индуктив-
ность секций стараются сделать возможно меньшей, уменьшая
число витков. Поэтому в тяговых двигателях, тепловозных генера-
торах и вспомогательных машинах электровозов и моторных вагонов
секции делаются бдновитковыми. Пазы якоря стараются также
делать открытыми и не очень глубокими.

Кроме того, на величину индуктивности оказывает влияние
положение стороны секции в пазу; индуктивность верхнего слоя
всегда меньше индуктивности нижнего слоя. Чтобы индуктивности
всех секций были примерно одинаковыми, одна сторона каждой
секции располагается в верхнем слое, а другая — в нижнем.

Однако в крупных машинах секции имеют настолько большие
размеры, что все эти конструктивные меры не могут снизить индук-
тивность и величину реактивной э. д. с. до допустимого значения.

Определённое значение для коммутации имеет и ширина щётки.
Чем шире щётка, тем большее число коллекторных пластин пере-
крывает она одновременно, и тем больше коммутируется одновремен-
но секций. Увеличение числа одновременно коммутируемых секций
увеличивает реактивную э. д. с. из-за возрастания э. д. с. взаимо-
индукции, индуктируемой в каждой данной секции током, прохо-
дящим по другим коммутируемым секциям. Поэтому уменьшение
ширины щётки обеспечивает уменьшение реактивной э. д. с.

Однако чрезмерное уменьшение ширины щётки нежелательно
по условиям её механической прочности, а также и потому, что
для получения требуемой площади щётки в этом случае пришлось
бы сильно увеличить её длину, а следовательно, и общую длину
коллектора.

Практика тягового электромашиностроения выработала наибо-
лее рациональное соотношение между шириной щётки и шириной
коллекторной пластины; обычно в тяговых двигателях щётка пере-
крывает 2,5 — 3,5 коллекторных пластин.

Создание в коммутируемой секции компенсирующей э. д. с. ек
можно обеспечить сдвигом щёток с геометрической нейтрали. Если
сдвинуть щётки на физическую нейтраль, то секции обмотки при
вращении якоря не будут пересекать магнитных силовых линий,
и в них не будет индуктироваться э д. с. вращения. Следовательно,
этим путём может быть уничтожена э. д. с. вращения, возникающая
от потока реакции якоря. Однако реактивная э. д. с.по-прежнему
ухудшала бы процесс коммутации.
Для того чтобы компенсировать реактивную э д. с., щётки не
обходимо сдвинуть дальше—за физическую нейтраль: в генераторе—
по направлению вращения ив двигателе—против направления вра-
щения. В этом месте результирующее магнитное поле имеет нап-
равление, обратное полю тех полюсов, под которыми находились
секции до вступления в коммутацию, вследствие чего э. д. с. враще-
ния, индуктируемая этим полем в коммутируемых секциях, будет
направлена против реактивной э. д. с.

Такой способ улучшения коммутации применяют в малых ма-
шинах постоянного тока (мощностью не свыше 1 кет). Недостатком
его является то, что положение физической нейтрали изменяется

Фиг. 151. Для обеспечения безыскровой работы в машинах постоянного
тока устанавливаются дополнительные полюсы, которые индуктируют
в коммутируемых секциях компенсирующую э. д. с. ек, равную и противо-
положную по направлению реактивной э. д. с. ер

в зависимости от нагрузки машины, и для полной компенсации ре-
активной э. д. с. пришлось бы при изменениях нагрузки всё время
менять и положение щёток Обычно в машинах малой мощности
щётки не перемещают при изменении нагрузки, а устанавливают
в определённое фиксированное положение. В этом положении имеет
место полная компенсация реактивной э. д с. при некоторой сред-
ней нагрузке. При максимальной нагрузке и при холостом ходе
компенсирующая э. д. с. ек не будет равна реактивной э. д. с. ер.
Для снижения этой разности до допустимого значения машину
рассчитывают таким образом, чтобы величина реактивной э. д. с.
не превышала 1 — 2 в.

В машинах средней и большой мощности снижение величины
реактивной э. д. с. до 1 — 2 и привело бы к необходимости значи-
тельного увеличения размеров машин. Поэтому этот способ улучше-
ния коммутации в них не применяют.
В настоящее время в машинах большой и средней мощности
создание в коммутируемых секциях компенсирующей э. д. с. ек осу-
ществляют при помощи дополнительных полюсов (фиг. 151, а),
Дополнительные полюсы размещают между главными полюсами
на геометрической нейтрали машины, т. е. там же, где расположены
коммутируемые витки, замыкаемые накоротко щётками. Ширина
полюсов выбирается небольшой, чтобы магнитное поле их действо-
вало только в зоне, где происходит коммутация (зона коммутации).

Магнитное поле дополнительных полюсов уничтожает действие
поля реакции якоря в зоне коммутации, т е. уничтожает э. д. с.
вращения, индуктированную в коммутируемой секции потоком ре-
акции якоря. Кроме того, оно индуктирует в коммутируемой сек-
ции компенсирующую э. д. с. ек.

а)

Обмотка. дополнительных

•ЛДо полни-
тельные
> \ полюса

сеекомпенсиродан-
ноя э.д.с. Гр-е*
"Компенсирующая

э.дс

Номинальная нагрузка

Поток пополни-
тельных полюсаб

Ток нагрузки.

Фиг. 152. Обмотка дополнительных полюсов включается последовательно
с обмоткой якоря, обеспечивая автоматическую компенсацию реактивной
э. д с. ер при изменении нагрузки. При перегрузках компенсация реактив-
ной э. д. с. нарушается - следствие насыщения магнитной цепи дополнитель-
ных полюсов, и I- коммутируемых секциях появляется несксмпенсированная

э. д. с. ер — ек, вызывающая искрение под щётками

Дополнительные полюсы рассчитывают так, чтобы компенси-
рующая э. д, с. ек была равна и противоположна по направлению
реактивной э. д. с. ер (фиг. 151,6;. В этом случае имеютместо рас-
смотренные выше условия идеальной коммутации, обеспечиваю’
щие безыскровую работу машин постоянного тока.

При изменении нагрузки машины изменяется величина тока,
протекающего по обмотке якоря, а следовательно, и величина реак-
тивной э. д. с. ер в коммутируемой секции.

Для того чтобы поле дополнительных полюсов компенсировало
эту э. д. с при различных нагрузках, обмотка дополнительных
полюсов включается последовательно с обмоткой якоря (фиг 152, а),
поэтому создаваемое этими полюсами магнитное поле, а следователь-
но, и величина компенсирующей э д. с ел будут изменяться про-
порционально току якоря, т. е. так же каки реактивная э.д.с. ер.
160
Полярность каждого дополнительного полюса в генераторах
должна быть такой же, как у следующего по направлению враще-
ния главного полюса, а в двигателях, как у предшествующего
главного полюса.

Дополнительные полюсы обеспечивают удовлетворительную
работу машины постоянного тока при нормальной нагрузке. Однако
при перегрузках нарушается компенсация реактивной э д. с. ер,
так как при больших токах начинает сказываться насыщение маг-
нитной цепи дополнительных полюсов. В этом случае реактивная
э. д. с. будет возрастать пропорционально току; рост же компенси-
о

рующеи э. д. с. ек из-за насыще-
ния будет более замедленным
(фиг. 152, б), вследствие чего в ком-
мутируемых секциях появится не-
которая нескомпенсированная
э. д. с. ер — гк, вызывающая искре-
ние под щётками.

Сердечники дополнительных по-
люсов выполняются обычно сплош-
ными из литой стали. Поперечное
сечепие их выбирается таким, чтобы
индукция магнитного поля в стали
сердечников была сравнительно не-
большой. Это увеличивает предель-
ную нагрузку, при которой проис-
ходит насыщение магнитной цепи

Основной змор

Фиг. 153. Для уменьшения рассеи-
вания магнитного потока обмотку
дополнительных полюсов разме-
щают ближе к якорю и подразде-
ляют воздушный зазор на две части

дополнительных полюсов. Для этой же цели воздушный зазор под
дополнительными полюсами устраивают значительно большим, чем
воздушный зазор под главными полюсами (фиг. 153,а).

При конструировании магнитной цепи дополнительных полю-

сов приходится принимать специальные меры для уменьшения рас-
сеивания магнитного потока. Это объясняется тем, что при относи-
тельно малом магнитном потоке в зоне коммутации обмотка допол-
нительных полюсов должна создавать довольно большую намагни-

чивающую силу для компенсации магнитного потока реакции я р .
Для уменьшения рассеивания магнитного потока витки о
дополнительных полюсов стараются разместить ближе к якорю
подразделяют воздушный зазор на две части, устанавливая н м
нитные прокладки между остовом и торцами сердечников д -
нительных полюсов (фиг. 153,6). Такие прокладки имеют ,
частности, у дополнительных полюсов тяговых двигателей и п
возных генераторов.

Дополнительный воздушный зазор уменьшает, кроме того,
влияние на коммутацию вихревых токов, индуктируемых в массив
пом остове и в сердечнике главного полюса при резких изменениях
нагрузки и колебаниях напряжения на зажимах двигателя, ти
токи задерживают изменение магнитного потока дополнительных
полюсов, который должен быстро следовать за изменением реактив-

11 Заказ 1216

161
ной э. д. с., т. е. тока в обмотке якоря. Сведение второго воздушного
зазора ослабляет этот задерживающий эффект и способствует бы-
строму изменению компенсирующей э. д. с. екв соответствии с изме-
нением реактивной э. д. с. ер.

31. Генераторы постоянного тока

Типы генераторов постоянного тока. Генераторы постоянного
тока в зависимости от способа питания обмотки возбуждения
подразделяются на генераторы с независимым возбуждением и гене-
раторы с самовозбуждением.

В генераторах с независимым возбуждением питание обмотки
возбуждения производится от постороннего источника электрической
энергии: от сети постоянного тока, аккумуляторной батареи или,
как в тепловозах, от небольшого вспомогательного генератора по-
стоянного тока, называемого возбудителем.

В генераторах с самовозбуждением питание обмотки возбужде-
ния осуществляется от самого генератора, т. е. он сам себя
возбуждает.

Генераторы с самовозбуждением по способу соединения обмотки
возбуждения делятся на следующие типы:

а) генераторы с параллельным возбуждением, или шунтовые,
у которых обмотка возбуждения присоединяется параллельно об-
мотке якоря;

б) генераторы с последовательным возбуждением, или сериес-
ные, у которых обмотка возбуждения соединяется последовательно
с обмоткой якоря;

в) генераторы со смешанным возбуждением, или компаундные,
имеющие две обмотки возбуждения, одна из которых включается
последовательно, а другая — параллельно обмотке якоря.

Электродвижущая сила генератора. Электродвижущая сила
любого генератора постоянного тока зависит ог скорости вращения
его якоря и величины магнитного потока. Чем больше скорость
вращения якоря, тем быстрее пересекают проводники якоря маг-
нитное поле и тем большая э. д. с. индуктируется в них. Чем
больший магнитный поток пронизывает каждый виток ббмотки
якоря, тем большая э.д. с. индуктируется в этом витке. Коллектор
и щётки суммируют э. д. с,, индуктированные в отдельных витках
обмотки якоря, вследствие чегоэ. д. с. машины определяется по
следующей формуле:

Е = Св Фп, (50)

где Ф—магнитный поток машины;

п — скорость вращения якоря;

Св — постоянная величина, зависящая от конструктивного
выполнения данной машины (числа полюсов, числа про-
водников обмотки якоря и числа параллельных ветвей
этой обмотки).
Формула (50) показывает, что регулирование э. д. с., а следова-
тельно, и напряжения генератора с независимым возбуждением
можно осуществить двумя способами: изменением величины маг-
нитного потока Ф и изменением скорости вращения якоря п.

Величину магнитного потока можно регулировать изменением
тока, подаваемого в обмотку возбуждения. Для этой пели после-
довательно обмотке возбуждения генератора включают регули-
ровочный реостат. В тепловозных генераторах регулирование
тока возбуждения производится специальным возбудителем, ко-
торый обеспечивает изменение напряжения генератора по осо-

бому закону.

Характеристика холостого

хода.

Графическая зависимость э. д. с. ге-
нератора от тока возбуждения при
отсутствии нагрузки называется
характеристикой холостого хода
(фиг. 154). По своему характеру эта
кривая подобна кривой намагничива-
ния стали (см. фиг. 65). При малых
токах возбуждения магнитный поток
машины невелик, поэтому в этой обла-
сти поток и э. д. с. генератора Е
изменяются прямо пропорционально
току возбуждения, и начальная часть
этой характеристики представляет
собой прямую. При увеличении тока
возбуждения магнитная цепь генера-
тора насыщается, и нарастание э.д. с.
замедляется (кривая загибается).

Фиг. 154. Характеристика хо-
лостого хода генератора пока-
зывает зависимость э. д. с. ге-
нератора от тока возбуждения

Чем больше становится ток возбуждения, тем сильнее сказывается
насыщение магнитной цепи машины и тем медленнее возрастает
э. д. с. При очень больших токах возбуждения э. д с. перестают
практически возрастать при изменении тока возбуждения. В этом
случае говорят, что машина насыщена, т. е. её магнитная цепь не
пропускает уже больший поток.

Если начать снижать ток возбуждения, то э. д. с. генератора
будет также снижаться. Кривая // (см. фиг. 154), соответствующая
снижению тока возбуждения, будет лежать несколько выше, чем
кривая 1 при его нарастании. Это явление объясняется наличием
в стальных частях магнитной цепи остаточного магнетизма. Величина
его зависит от материала магнитной цепи машины.

Материалы, из которых изготовляется магнитная система совре-
менных машин (литая сталь, электротехническая сталь), имеют
небольшую величину остаточной индукции; за счёт её в генераторе

возникает остаточная э д. с. Еост,
напряжения.

равная 4 — 8% номинального

Характеристика холостого хода является одной из важней-
ших характеристик электрической машины. Она позволяет су-
дить о величине возможного напряжения и о магнитных свойствах
машины.

Номинальное напряжение (указанное в паспорте) нормальных
машин соответствует криволинейной (насыщенной) части характери-
стики. В тепловозных генераторах, требующих регулирования на-
пряжения в широких пределах, используют как криволинейную, так
и прямолинейную (ненасыщенную) часть характеристики.

Э. д. с. машины изменяется пропорционально изменению ско-
рости вращения. Поэтому при меньшей скорости вращения п1
характеристика холостого хода будет лежать ниже кривой для
скорости п (см. фиг. 154).

Внешняя характеристика. Напряжение генератора всегда
меньше его э. д. с. Е на величину падения напряжения
в обмотке якоря, т. е.

Ь'=Е-/Л„, (51)

где I — ток нагрузки машины;

Еяк— сопротивление обмотки якоря.

Формула (51) показывает, что с увеличением тока в якоре (уве-
личением нагрузки генератора) возрастает падение напряжения
в обмотке якоря и уменьшается напряжение на зажимах генератора.

Напряжение генератора уменьшается при возрастании на-
грузки также в результате размагничивающего действия реакции
якоря. Как было установлено в § 29, магнитный поток реак-
ции якоря несколько ослабляет главный магнитный поток гене-
ратора, что приводит к некоторому уменьшению его э. д. с. при
нагрузке по сравнению с э. д. с. при холостом ходе. Чем больше
нагрузка машины,тем в большей степени поток реакции якоря умень-
шает э. д. с. генератора и тем сильнее падает его напряжение.

Графическая зависимость напряжения генератора от тока на-
грузки машины называется внешней характеристикой генератора.

Внешние характеристики генераторов различных типов имеют
разную форму, зависящую от способа возбуждения машины.

Генератор с независимым возбуждением. Принципиальная схема
генератора с независимым возбуждением изображена на фиг. 155.

Цепь возбуждения генератора независима от цепи его якоря,
к которой подключается нагрузка; электрически они между собой
не связаны. Обмотка возбуждения в этих генераторах изготовляется
обычно из провода небольшого сечения и имеет большое число
витков.

Регулирование напряжения генератора осуществляется при
помощи регулировочного реостата, включённого последовательно
с обмоткой "возбуждения. При изменении сопротивления реостата
изменяется ток возбуждения магнитный поток машины, а следо-
вательно, и её э. д. с.

Внешняя характеристика генератора с независимым возбуж-
дением имеет падающий характер (фиг. 156, а). Уменьшение па-
164
пряжения генератора при возрастании нагрузки объясняется паде-
нием напряжения в обмогке якоря и уменьшением магнитного
потока машины вследствие размагничивающего действия реакции
якоря.

При относительно небольших насыщениях и нагрузках напря-
жение генератора уменьшается прямолинейно, главным образом,
за счёт падения напряжения в обмотке якоря, которое пропорцио-
нально току нагрузки. При дальнейшем росте нагрузки напряже-

реостит

Фиг. 155. В генераторе с независимым возбуждением обмотка возбуждения
получает питание от постороннего источника электрической энергии

к потребителю

ние будет падать более резко, так как будет сказываться размаг-
ничивающее действие реакции якоря.

Если замкнуть внешнюю цепь на очень малое сопротивление,
т. е. произвести короткое замыкание генератора, то напряжение
его упадёт практически до нуля. Ток якоря при коротком замыкании
достигнет недопустимой величины, при которой может перегореть
обмотка якоря. Для машин малой мощности ток короткого замы-
кания может в 12—15 раз превысить номинальный юк. В круп-
ных машинах это соотношение может достигать 20 — 25.

Широкого распространения генераторы с независимым воз-
буждением не получили из-за необходимости иметь дополнитель-
ные источники электрической энергии для питания обмотки воз-
буждения. Применяются они главным образом на тепловозах
(тепловозные генераторы) и в других подобных установках для
165
питания электродвигателей напряжением, регулируемым в широких
пределах. Подобными генераторами становятся тяговые двигатели
электровозов при рекуперативном торможении, для чего на электро-
возах устанавливают специальные возбудители.

Генератор с параллельным возбуждением. В генераторах
с параллельным возбуждением обмотка возбуждения подключена
параллельно обмотке якоря (фиг. 157), т. е. питается непосредст-
венно от якоря машины. Ток якоря 1а разветвляется во внешнюю
цепь (ток /) и в обмотку возбуждения (ток /в); величина тока Ц
для средних и малых машин составляет 3 — 10% от тока нагрузки /.

Обмотка возбуждения в таких генераторах выполнена из боль-
шого числа витков провода относительно малого сечения.

Фиг. 156. Внешние характеристики генераторов^
а—с независимым ьсзбуждением; б—с параллельным возбуждением

Для регулирования напряжения в цепь возбуждения генера-
тора последовательно вводится регулировочный реостат, изменяя
сопротивление которого можно менять магнитный поток, а следо-
вательно, и э. д. с. машины. Реостат этот обычно снабжается холо-
стым контактом, который предотвращает возможность повреждения
обмотки возбуждения при быстром введении сопротивления и
размыкании ее цепи.

В этом случае в момент размыкания цепи возбуждения воз-
никает э. д. с. самоиндукции, которая может достигать большой
величины. Для предохранения обмотки возбуждения от пробоя
изоляции, при переводе ползунка реостата на холостой контакт,
эта обмотка замыкается накоротко.

Внешняя характеристика генератора с параллельным воз-
буждением изображена на фиг. 156, б.

Падение напряжения в этом генераторе при возрастании нагрузки
будет больше, чем в генераторе с независимым возбуждением. При
номинальной нагрузке оно составляет 10—15%, а в некоторых
машинах достигает и 30% от номинального напряжения. Кроме тех
же причин, которые вызывали падение напряжения в генераторе
с независимым возбуждением, в генераторе с параллельным воз-
166
буждением действует ещё один дополнительный фактор — умень-
шение тока возбуждения. Так как ток возбуждения зависит от на-
пряжения машины, то с уменьшением напряжения ослабляется
общий поток генератора и уменьшается величина индуктирован-
ной э. д. с.

С ростом нагрузки уменьшение тока возбуждения становится столь
заметным, что скорость падения напряжения может стать больше,
чем скорость уменьшения сопротивления внешней цепи, и с некото-
рой точки А, называемой критической, ток нагрузки начнёт умень-

реостат

Фиг. 157- В генераторах с параллельным возбуждением обмотка
возбуждения подключена параллельно обмотке якоря

шаться, несмотря на уменьшение внешнего сопротивления. В этом
случае генератор не принимает уже на себя большую нагрузку.

Максимальный ток, соответствующий критической точке Д, на-
зывается критическим.

При коротком замыкании (точка Д) напряжение упадёт до
нуля, а следовательно, и ток возбуждения станет равным нулю.
В этом случае э. д. с. наводится лишь от остаточного магнетизма,
и ток внешней цепи обычно не превышает номинального тока,
а в большинстве случаев бывает значительно меньше. Следователь-
но, генератор с параллельным возбуждением не боится короткого
замыкания.

Внешняя характеристика точкой Л делится на две части: верх-
нюю — рабочую и нижнюю — нерабочую. Обычно используется
не вся рабочая часть, а только некоторый её отрезок.

Возбуждение генератора в начальный период его работы обес-
печивается за счёт остаточного магнетизма, имеющегося в маг-
нитной цепи машины. Благодаря этому полюсы машины при отсут-
ствии тока в обмотках возбуждения будут представлять собой по-
стоянные магниты, создающие некоторый, хотя и довольно слабый,
магнитный ноток.

При вращении якоря генератора в этом магнитном потоке в об-
мотке якоря индуктируется небольшая, так называемая остаточная
э. д. с. Еост (см. фиг. 154), под действием которой по обмотке воз-
буждения начнет протекать небольшой ток.

Если обмотка возбуждения правильно соединена с якорем,
то этот ток усиливает магнитное поле машины, а последнее в свою
очередь индуктирует в якоре несколько большую э. д. с. Увеличе-
ние э. д. с. якоря вызывает дальнейшее возрастание тока возбуж-
дения и увеличение магнитного потока машины и т. д. до тех пор,
пока вследствие насыщения стали машины этот процесс, называемый
процессом самовозбуждения, не закончится.

Генератор с параллельным возбуждением возбуждается только
при следующих четырёх основных условиях:

а) при наличии остаточного магнетизма. Отсутствие остаточного
магнетизма говорит о том, что машина размагничена; это может
произойти при коротком замыкании генератора. Исправить дефект
можно только, пропустив ток по обмотке возбуждения от посторон-
него источника;

б) при правильном направлении тока в обмотке возбуждения.
Магнитное поле, вызываемое током возбуждения, должно совпадать
с полем остаточного магнетизма. В противном случае машина раз-
магничивается;

в) при достаточно малой нагрузке во время пуска. В противном
случае напряжение от остаточного магнетизма из-за внутреннего
падения напряжения может снизиться почти до нуля;

г) если сопротивление цепи возбуждения ниже некоторой
предельной величины. Для быстрейшего возбуждения генератора
рекомендуется при пуске полностью выводить регулировочный
реостат.

При изменении направления вращения изменяется полярность
щёток, а следовательно, и направление тока в обмотке возбуждения;
в этом случае генератор размагнитится. Во избежание этого при
изменении направления вращения необходимо переключить вы-
водные концы обмотки возбуждения или обмотки якоря.

Генераторы с параллельным возбуждением, называемые иначе
шунтовыми генераторами, применяются для питания электрических
потребителей в железнодорожных поездах, на автомобилях и само-
лётах, в качестве генераторов служебного тока (генераторов управ-
ления) на электровозах, тепловозах и моторных вагонах и для заряд-
ки аккумуляторных батарей.
Генератор с последовательным возбуждением. В генераторе
с последовательным возбуждением обмотка возбуждения соединена
последовательно с обмоткой якоря (фиг. 158) и по ней протекает
довольно большой нагрузочный ток. Поэтому эта обмотка выпол-
няется из толстого провода и имеет небольшое число витков.

Так как ток нагрузки в таком генераторе является вместе с тем
током возбуждения, напряжение генератора резко изменяется с воз-
растанием нагрузки.

При холостом ходе генератор даёт лишь небольшую э. д. с.,
наводимую остаточным магнетизмом. С увеличением нагрузки воз-

Фиг. !58. В генераторе с последовательным возбуждением обмотка
возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря

растают магнитный поток, э. д. с. и напряжение генератора; это
возрастание, как и у других самовозбуждающихся машин (генера-
тора с параллельным возбуждением), продолжается до известного
предела, обусловленного магнитным насыщением машины. При
дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки напряжение гене-
ратора начинает понижаться, так как главный поток из-за насыще-
ния почти перестаёт увеличиваться, а размагничивающий поток
реакции якоря и падение напряжения в якоре и в обмотке возбуж-
дения продолжают возрастать. Внешняя характеристика генератора
изображена нафиг. 159,а; она имеет горбовидную форму и состоит из
двух ветвей: рабочей О А и нерабочей АВ, получающейся при чрез-
мерно большом токе нагрузки. .
Так как напряжение генератора резко изменяется при измене-
нии нагрузки, а при холостом ходе близко к нулю, то генератор
с последовательным возбуждением не пригоден для питания, обыч-
ных осветительных и силовых сетей, где необходимо постоянство
напряжения.

При реостатном торможении электрического подвижного состава
тяговые двигатели переводятся в генераторный режим и работают
в качестве генераторов с последовательным возбуждением
(см. § 34).

?пн чагсузки

Фиг. 159. Внешние характеристики генераторов:

а—с последовательным возбуждением; б—-со смешанным возбуждением при соглас-
ном включении обмоток возбуждения (компаундного); в —смешанного возбуждения
при встречном включении обмоток возбуждения (противокомпаундного)

Генератор со смешанным возбуждением. Генератор со смешан-
ным возбуждением, называемый иногда компаундным генератором
(фиг. 160), имеет две обмотки возбуждения, одна из которых включе-
на параллельно обмотке якоря, а другая последовательно.

Обе обмотки находятся на одних и тех же полюсных сердечниках
и соединяются так, что создаваемые ими потоки складываются (со-
гласное включение обмоток).

Обмотка, включённая параллельно якорю, служит для создания
основного магнитного потока полюсов, а обмотка, включённая пос-
ледовательно, — для поддержания постоянного напряжения на за-
жимах генератора при увеличении нагрузки.

При увеличении нагрузки генератора напряжение на его за-
жимах должно было бы понизиться из-за падения напряжения в об-
мотке якоря и размагничивающего действия реакции якоря. Однако
благодаря прохождению тока нагрузки по обмотке, включённой
последовательно с якорем, магнитное поле увеличивается, и, сле-
довательно, компенсируется указанное уменьшение напряжения.

Внешняя характеристика генератора может быть в первом при-
ближении представлена в виде суммы внешних характеристик гене-
раторов с параллельным и последовательным возбуждением
(фиг. 159, б).

Как было рассмотрено выше, в генераторе с параллельным воз-
буждением напряжение при возрастании нагрузки падает, а в гене-
раторе с последовательным возбуждением возрастает. Подбирая со-

Фпг. 1С0. В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки
возбуждения,- одна из них включена параллельно якорю, другая последо-
вательно с якорем

ответствующим образом число витков параллельной и последователь-
ной обмоток возбуждения, можно добиться, чтобы напряжение на
зажимах генератора со смешанным возбуждением при возрастании
нагрузки от нуля до номинальной оставалось почти неизменным;
практически оно изменяется в пределах 2 — 3% от номинального
напряжения. Напряжение на зажимах генератора со смешанным
возбуждением регулируется так же, как и в генераторе с параллель-
ным возбуждением, при помощи регулировочного реостата, включен-
Полная мощность генератора реализуется на участке ЛЬ этих
характеристик (в диапазоне нагрузок между 1мин и Iмакс, в преде-
лах которого напряжение изменяется обратно пропорционально
току).

Ни один из обычных генераторов постоянного тока не может
обеспечить получение таких характеристик. Поэтому в тепло-
возах используются генераторы с независимым возбуждением,
регулируемые при помощи специальных возбудителей. Получаемые
от этих генераторов внешние характеристики более или менее при-
ближаются к идеальной характеристике, приведенной на фиг. 161 д.

Фиг. 161. Характеристики, которые должен иметь тепловозный генератор,
для того чтобы обеспечить отдачу постоянной мощности в широком диапа-
зоне нагрузок

Автоматическое регулирование генератора при помощи возбуди-
теля с продольно расщеплёнными полюсами. На тепловозах ТЭ1
и ТЭ2 автоматическое регулирование генератора на отдачу постоян-
ной мощности производится при помощи возбудителя с продольно
расщеплёнными полюсами (фиг. 162, а).

Тепловозный генератор Г имеет независимую обмотку возбуж-
дения ОВГ, питаемую от возбудителя В. Возбудитель вращается от
вала дизеля и имеет две обмотки возбуждения — независимую Н
и противокомпаундную ПК. Независимая обмотка И возбудителя
питается от вспомогательной низковольтной сети тепловоза, которая
обеспечивает питание всех его аппаратов управления. Противо-
компаундная обмотка ПК возбудителя включена последовательно
с якорем тепловозного генератора и обтекается током нагрузки гене-
ратора. Эта обмотка включена встречно по отношению к независи-
мой обмотке возбудителя и при увеличении тока нагрузки стре-
мится ослабить магнитный поток возбудителя.

Расположение обмоток возбудителя на главном полюсе показа-
но на фиг. 162, б. Каждый полюс возбудителя разделён вдоль оси
машины на две части и П2. Обе части полюса охватываются об-
щей обмоткой независимого возбуждения Кроме того, на части 773
расположена противокомпаундная обмотка; эта часть полюса имеет
так называемый магнитный мостик с меньшей площадью попереч-
ного сечения, чем сердечник полюса, вследствие чего он насыщается
при сравнительно небольших значениях магнитного потока.

Э. д. с. Е3, индуктированная в обмотке якоря возбудителя, может
быть представлена в виде суммы двух э. д. с. Ех и Е2, индуктируемых
магнитными потоками, проходящими через части Пх и П2 полюсов,
т. е.

~ “Ь ^2*

Э. д. с. Ег, создаваемая независимой обмоткой возбуждения,
расположенной на частях П1 полюсов, сравнительно мало изменя-

Фиг. 162. Схема тепловозного генера-
тора с возбудителем с продольно рас-
щеплёнными полюсами (тепловозов ТЭ1
и ТЭ2)

ется при возрастании нагруз-
ки (фиг. 163, а).

Э. д. с. Е2> создаваемая не-
зависимой и противокомпаунд-
ной обмотками, расположенны-
ми на частях П2 полюсов, силь-
но меняется при изменении
тока нагрузки.

Когда генератор не нагру-
жен, ток в противокомпаунд-
ной обмотке равен нулю, и
э. д. с. в возбудителе создаётся
только независимой обмоткой
возбуждения.

При возрастании тока на-
грузки генератора противо-
компаундная обмотка, распо-
ложенная на частях П2 полю-
сов, создаёт намагничивающую
силу, направленную против
намагничивающей силы обмот-
ки независимого возбуждения.
Однако из-за наличия в час-
тях П2 полюсов магнитного мо-
стика магнитная система эггх
частей при холостом ходе гене-
ратора сильно насыщена маг-
нитным потоком обмотки не-

зависимого возбуждения. Поэтому вначале увеличение тока в про-
тивокомпаундной обмотке и её намагничивающей силы весьма мало
снижает магнитный поток в частях П2 полюсов, и э. д. с. Е2 остаёт-
ся почти неизменной.

При дальнейшем возрастании тока нагрузки генератора и намаг-
ничивающей силы противокомпаундной обмотки части П2 полюсов
размагничиваются, и магнитный поток этих частей сильно умень-
шается. Это приводит к резкому уменьшению создаваемой этим по-
током э. д. с. Е2. В результате по мере возрастания тока нагрузки
эта э. д. с. будет уменьшаться по выпуклой кривой (фиг. 163, о),
так же, как и в противокомпауидиом генераторе (см. фиг. 159, в)
При некотором значении тока нагрузки генератора (крити-
ческом токе) независимая и противокомпаундная обмотки частей
11л полюсов будут создавать равные и противоположные потоки.
При этом э. д. с. Е2, создаваемая частями /72, будет равна нулю.
При дальнейшем возрастании тока нагрузки генератора намагни-
чивающая сила противокомпаунднои обмотки станет больше намаг-
ничивающей силы независимой обмотки. В результате общий по-
ток в частях П. изменит своё направление, а создаваемая им
э. д. с. Е2 изменит свой знак и будет меняться по вогнутой кри-
вой, представляющей собой зеркальное отображение кривой изме-
нения Е2 при токах, меньших критического.

Фиг. 163. Внешние характеристики возбудителя с продольно расщеплённы-
ми полюсами (а) и тепловозного генератора (б)

б)

Общая э. д. с. возбудителя Ев станет при этом равной разности
э. д. с. Е} и Е2, т. е.

Ед = Ег Е2.

Нафиг. 163, а изображено графическое суммирование кривых
изменения э. д. с. Ег и Е2 при возрастании тока генератора и
показана получающаяся при таком суммировании кривая э. д. с.
возбудителя Ев.

Так как возбудитель питает обмотку возбуждения главного
генератора, то при изменении его тока нагрузки ток возбужде-
ния и напряжение генератора будут изменяться по кривой
(фиг. 163, б), подобной кривой изменения э. д. с. возбудителя Ев.

Внешняя характеристика генератора, получающаяся при таком
способе регулирования, приблизительно соответствует идеальной
кривой (см. фиг. 161,а) и обеспечивает автоматическое регулирование
тепловозного генератора на отдачу постоянной мощности.

При больших токах нагрузки магнитный поток в части /72 полю-
са будет противоположен потоку в части Это обстоятельство мо-
жет вызвать большое рассеивание магнитного потока между частя-
ми 77х и 772, которое исказило бы кривую изменения э. д. с. возбу-
дителя Ев и внешнюю характеристику генератора. Во избежание
такого искажения в сердечнике якоря в промежутке между полю-
сами устанавливается немагнитный экран (см. фиг. 162, б), набранный
из латунных листов, который разделяет магнитную систему возбу-
дителя на две независимые части.

Автоматическое регулирование генератора при помощи возбуди-
теля с поперечно расщеплёнными полюсами. На тепловозах ТЭЗ
автоматическое регулирование генератора на отдачу постоянной
мощности производится при помощи возбудителя с поперечно рас-
щеплёнными полюсами (фиг. 164).

Возбудитель В вращается от вала дизеля и имеет шесть полюсов,
на которых расположено пять обмоток возбуждения: независимая /7,
параллельная 77 (шунтовая), противокомпаундиая ПК (дифферен-
циальная), регулирующая Р и ограничительная О (фиг. 164, а).

Независимая, параллельная и противокомпаундиая обмотки
обеспечивают автоматическое регулирование мощности на постоян-
ство в определённом диапазоне нагрузок, так же как это осущест-
вляют независимая и противокомпаундиая обмотки в возбудителе с
продольно расщеплёнными полюсами.

Независимая обмотка расположена на четырёх полюсах Пг
(фиг. 164, б), а параллельная и противокомпаундиая — на двух
полюсах 772. Полюсы имеют нормальное исполнение, а полюсы
772 — сильно насыщенные магнитные мостики.

При малых токах нагрузки намагничивающая сила параллель-
ной обмотки оказывается больше намагничивающей силы противо-
компаундной обмотки.

При этом э. д. с. Е2, индуктированная в обмотке якоря воз-
будителя магнитным потоком полюсов 772, совпадает с э. д. с.
индуктированной магнитным потоком полюсов т. е. общая
э. д. с. возбудителя Ев равна

Ев = Ег 4- Е2.

При увеличении тока нагрузки генератора намагничивающая
сила лротивскомпаундной обмотки становится больше намагни-
чивающей силы параллельной обмотки. При этом магнитный
поток полюсов 772 изменяет своё направление, и индуктирован-
ная ими э. д. с. Ё2 оказывается направленной против э. д. с.

Э. д. с. возбудителя в этом случае равна

Ед = ^2»

т. е. при изменении тока нагрузки генератора она будет изменять-
ся так же, как и в возбудителе с продольно расщеплёнными полю-
сами по кривой фиг 163, а В результате внешняя характеристика
генератора, возбуждаемого от такого возбудителя, приобретает
форму фиг. 163, б, обеспечивающую отдачу генератором постоянной
мощности при различных нагрузках.
Возбудитель с поперечно расщеплёнными полюсами можно рас-
сматривать как двухполюсный генератор, у которого каждый по-
люс разделён на три части, и магнитный поток средней части меняет-
ся по величине и направлению в зависимости от соотношения намаг-
ничивающих сил параллельной и противокомпаундной обмоток. Та-

Параллельная
7 обмотка

Протибокомпа-
дндная обмотка

Независимая
обмотка

Параллельная
обмотка

Фиг. 164. Схема тепловозного генератора с
возбудителем с поперечно расщеплёнными
полюсами (тепловоза ТЭЗ)

Противокомпа-
ундная обмотка /

ким образом, здесь также использован принцип расщепления полю-
сов, но полюса расщеплены не в продольном направлении (вдоль
оси), а по поперечному сечению (вдоль окружности якоря).

Рассмотренная выше система обмоток П, И и ПК возбудителя
обеспечивает автоматическое регулирование тепловозного генератора
на отдачу постоянной мощности только при определённой темпера-
туре обмотки генератора. При повышении температуры генератора
12 Заказ 1216 17?
возрастает сопротивление его обмотки возбуждения ОВГ. Следо-
вательно, при том же напряжении возбудителя уменьшится ток
возбуждения генератора /8, что приведёт к уменьшению напряже-
ния генератора и отдаваемой им мощности. В результате мощность
дизеля будет недоиспользована. Во избежание этого на полюсах
П1 возбудителя расположена регулировочная обмотка Р (на
фиг. 164, б не показана), которая поддерживает мощность генера-
тора постоянной независимо от температуры его обмоток и мощ-
ности, потребляемой вспомогательными машинами тепловоза.

Регулирующая обмотка Р (см. фиг. 164,а) включена на разность
некоторого постоянного напряжения (получаемого от вспомогатель-
ной сети тепловоза) и напряжения, создаваемого тахогенератором
Тг, который приводится во вращение дизелем.

При уменьшении мощности, отдаваемой генератором (вследст-
вие повышения температуры его обмотки возбуждения или вы-
ключения какой-либо дополнительной нагрузки) возрастает ско-
рость вращения дизеля, что приводит к возрастанию напряжения
тахогенератора 7\. При этом резко увеличивается ток в регулиру-
ющей обмотке Р, возрастает э. д. с. возбудителя Ев и, следова-
тельно, магнитный поток и напряжение генератора. Обмотка Р бу-
дет изменять магнитный поток и напряжение генератора до тех
пор, пока потребляемая им мощность не будет соответствовать мак-
симальной мощности дизеля.

Таким образом, мощность дизеля поддерживается постоянной
независимо от изменения температуры обмоток возбуждения гене-
ратора и мощности, потребляемой вспомогательными машинами теп-
ловоза.

Тахогенератор ?! совместно с регулирующей обмоткой Р являет-
ся как бы электрическим регулятором скорости вращения дизель-
генератор ной установки тепловоза (наряду с центробежным регу-
лятором дизеля). Он приходит в действие только при максималь-
ной скорости вращения дизеля (при максимальной подаче топлива),
когда центробежный регулятор уже бездействует.

При этой скорости напряжение тахогенератора Тг больше по-
стоянного напряжения вспомогательной сети тепловоза, и по регу-
лирующей обмотке Р протекает ток, увеличивающий магнитный
поток возбудителя. При более низких скоростях вращения, когда
напряжение тахогенератора Т\ меньше напряжения вспомогатель-
ной сети тепловоза, регулирующая обмотка не действует. Для этой
цели в её цепи установлен электрический вентиль (селеновый вы-
прямитель СВ-1), пропускающий ток только в одном направлении
(от тахогенератора к вспомогательной сети тепловоза) и запирающий
эту цепь при изменении направления тока.

Для автоматического ограничения тока нагрузки генератора при
трогании тепловоза с места и при малых скоростях движения приме-
нена ограничительная обмотка О (не показана на фиг. 164, б). Эта
обмотка включена на разность падения напряжения в неко-
тором сопротивлении в главной цепи генератора (обычно в сопро-
178
тивлении обмоток дополнительных полюсов генератора и главных
полюсов двух тяговых двигателей) и напряжения тахогенератора
Т2. Падение напряжения пропорционально току нагрузки ге-
нератора, напряжение же тахогенератора Т2— пропорционально
скорости вращения дизеля.

Селеновый выпрямитель СВ-2 пропускает ток через ограничитель-
ную обмотку Столько в одном направлении, когда напряжение Д(7г
будет больше напряжения тахогенератора Т2. Это условие имеет
место при превышении током нагрузки генератора допустимого
предела. При протекании тока по обмотке О происходит ослабление
магнитного потока возбудителя, что вызывает уменьшение напря-
жения и тока генератора до установленной величины.

Тепловозные генераторы обычно, кроме обмотки независимого
возбуждения, снабжаются также дополнительной пусковой об-
моткой последовательного возбуждения. При пуске дизеля якорь
генератора и пусковая обмотка подключаются к аккумуляторной
батарее; при этом тепловозный генератор работает как двигатель
и приводит во вращение коленчатый вал дизеля.

33. Двигатели постоянного тока

Типы двигателей постоянного тока. Двигатели постоянного тока
в зависимости от способа включения обмотки возбуждения подраз-
деляются на следующие типы:

а) двигатели с параллельным возбуждением, или шунтовые, у
которых обмотка возбуждения включена параллельно с обмоткой
якоря;

б) двигатели последовательного возбуждения, или сериесные,
у которых обмотка возбуждения включена последовательно с об-
моткой якоря;

в) двигатели со смешанным возбуждением, или компаундные,
имеющие две обмотки возбуждения, одна из которых включается
параллельно, а другая последовательно с якорем.

Свойства и характеристики двигателей в сильной степени зависят
от способа включения их обмоток возбуждения.

Вращающий момент и электродвижущая сила двигателя При
подключении двигателя к сети по обмотке якоря его начинает про-
текать электрический ток. При взаимодействии тока якоря с маг-
нитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения, возникает
вращающий момент, приводящий якорь во вращение.

Вращающий момент любого двигателя постоянного тока равен

М = СмФЦ (52)

где I — ток в якоре, называемый током нагрузки;

Ф—магнитный поток машины;

См— постоянная величина, зависящая от конструктивного
выполнения данной машины (чцрла полюсов, числа провод-
ников обмотки якоря, диаметра якоря).
Таким образом, чем больше ток якоря и чем больше магнитный
поток, тем больше вращающий момент.

Как было установлено в § 25, вращающий момент электродви-
гателя не является постоянной величиной, а зависит от той меха-
нической нагрузки, или, как говорят, момента сопротивления, ко-
торый преодолевает вал электродвигателя при вращении. Чем больше
момент сопротивления, тем больше вращающий момент электродви-
гателя, и, наоборот, чем меньше момент сопротивления, тем меньше
вращающий момент.

Отсюда также следует, что ток якоря электродвигателя зависит
от механической нагрузки (момента сопротивления на валу электро-
двигателя).

Так, например, при движении поезда на подъём тяговым двига-
телям электровоза и тепловоза приходится преодолевать большую
механическую нагрузку.

При этом возрастает момент, развиваемый двигателем, и ток, по-
ступающий в его якорь.

При движении на площадке или под уклон нагрузка, приходя-
щаяся на тяговые двигатели, уменьшается и уменьшается развивае-
мый ими вращающий момент и поступающий в якорь ток. Точно
так же при увеличении веса поезда повышается нагрузка на тяго-
вые двигатели, что ведёт к увеличению развиваемого ими момента
и тока, протекающего по якорю.

При вращении якоря двигателя проводники его пересекают сило-
вые линии магнитного потока и в них индуктируется э. д. с. Кик
было установлено в § 25, эта э. д. с. в двигателях направлена
против тока, протекающего по обмотке якоря; поэтому её иногда
называют противо-э. д. с. Величина её зависит от екорости враще-
ния якоря и магнитного потока машины и определяется по фор-
муле (50).

В генераторах э. д. с. Е больше напряжения V на зажимах на
величину падения напряжения в якоре 1#як. В электродвигате-
лях, наоборот, напряжение О, приложенное к зажимам электро-
двигателя, больше э. д. с. на величину падения напряжения
в якоре, т. е.

Е = и- 1ХЙК.

Ток /, проходящий но обмотке якоря, будет равен

(53)

(54)

э. д. с.:

Следовательно, ток в якоре регулируется величиной
чем больше э. д. с., тем меньше ток якоря При уменьшении
э. д. с. ток якоря возрастает.

Формула (52) может быть преобразована следующим образом:
Отсюда вытекает, что при неизменном магнитном потоке двига-
теля потребляемый им ток зависит только от вращающего момента,
т. е. от механической нагрузки двигателя. При этом величина тока
и вращающего момента не изменяются, если последовательно с
якорем двигателя будут включены какие-либо сопротивления.

Скорость вращения двигателя и её регулирование. Скорость
вращения двигателя определяется формулой

и - №як
_____ /1 п

СЕФ '

ЛЪЬ}

где (7— напряжение, подводимое к якорю двигателя;

I — ток нагрузки;

Ф—магнитный поток двигателя;

Кяк— сопротивление цепи якоря;

Се—постоянная величина, зависящая от конструктивного вы-
полнения машины.

Фиг. 165. Для изменения направления вращения двигателя постоянного
тока необходимо изменить направление тока в якоре или направление
тока в обмотке возбуждения

Таким образом, скорость вращения двигателя прямо пропор-
циональна приложенному к его зажимам напряжению и обратно
пропорциональна величине магнитного потока. При возрастании
нагрузки двигателя, т. е. тока / в цепи якоря, скорость враще-
ния его уменьшается, так как возрастает падение напряжения
1&як в обмотке якоря. Кроме того, в некоторых типах двигателей
увеличение тока нагрузки вызывает увеличение магнитного пото-
ка Ф (см. ниже).

Регулирование скорости вращения двигателя может быть осуще-
ствлено двумя способами:

а) изменением напряжения, подводимого к якорю двигателя;

б) изменением магнитного потока двигателя.

В дальнейшем будут изложены способы регулирования скорости
вращения двигателей, применяемые на электровозах и тепловозах.
Для изменения направления вращения двигателя необходимо
изменить направление вращающего момента. Как вытекает из фор-
мулы (52), это достигается изменением направления тока в обмотке
якоря (фиг. 165,6) либо изменением направления магнитного пото-
ка, т. е. направления тока в обмотке возбуждения (фиг. 165/?).

Пуск вход двигателя. В начальный момент
пуска якорь двигателя неподвижен и в его
обмотке не индуктируется электродвижущая
сила. Поэтому при непосредственном подклю-
чении двигателя к сети в начальный момент
пуска по обмотке якоря потечёт ток

Фиг 166. При пуске
двигателя последова-
тельно с якорем
включают пуске зой
реостат, ограничива-
ющий величину пус-
кового тока

‘пуск п

Обмотка якоря в двигателях обычно вы-
полняется с малым сопротивлением; это де-
лается для того, чтобы при работе машины
потери энергии в обмотке якоря были не-
большие, и двигатель имел бы высокий коэф-
фициент полезного действия. Следовательно,
пусковой ток при непосредственном подклю-
чении двигателя мгновенно достигает очень
большой величины (в 10—40 раз больше номи-
нального тока двигателя); такой ток весьма

опасен для двигателя, так как он может вызвать перегорание
обмотки якоря и разрушение его коллектора.

Для того чтобы ограничить величину пускового тока, все двига-
тели постоя иного тока снабжаются пусковыми реостатами (фиг. 166),
включаемыми последовательно с якорем. Благодаря пусковому
реостату пусковой ток двигателя будет равен

где —сопротивление пускового реостата.

Сопротивление Яп пускового реостата обычно подбирают так,
чтобы пусковой ток был больше номинального тока двигателя
лишь в 1,2—2 раза.

При включении двигателя под напряжение сети якорь его тро-
гается с места и постепенно увеличивает скорость. По мере возраста-
ния скорости вращения якоря увеличивается противо-э. д. с. Е,
что вызывает уменьшение тока двигателя и развиваемого им вращаю-
щего момента. Во избежание этого в пронессе пуска двигателя по
мере увеличения скорости вращения (т. е. э. д. с. Е) постепенно
выводят пусковой реостат так, чтобы ток двигателя при пуске
оставался примерно постоянным и большим номинального тока в
1,2 — 2 раза. При этих условиях двигатель пускается в ход с
приблизительно постоянным пусковым моментом.
Э. д. с. Е двигателя всегда будет меньше напряжения сети У.
Если бы она сравнялась с напряжением сети, то ток в якоре и вра-
щающий момент упали бы до нуля, и двигатель начал бы замедлять-
ся. Поэтому якорь двигателя вращается с такой скоростью, при ко-
торой ток якоря / создаёт вращающий момент, равный тормозящему
моменту нагрузки, приложенному к валу двигателя.

Двигатель с параллельным возбуждением. Включение в сеть
двигателя с параллельным возбуждением показано на фиг. 167.
Пусковой реостат включён последовательно с якорем для ограниче-
ния тока при пуске.

Обмотка возбуждения присоединяется параллельно якорю дви-
гателя. При пуске двигателя ток проходит из сети через пусковой
реостат и якорь и параллельно через обмотку возбуждения.

+ < ।

Сеть

Фиг. 167. Принципиальная схема двигателя с параллельным
возбуждением

Для регулирования скорости вращения двигателя служит вклю-
чённый в цепь обмотки возбуждения регулировочный реостат.
Уменьшение сопротивления реостата вызывает увеличение тока
возбуждения и магнитного потока двигателя и, как следует из
формулы (55), уменьшение скорости вращения. Увеличение сопро-
тивления реостата вызывает ослабление магнитного потока и увели-
чение скорости вращения.

В случае обрыва цепи обмотки возбуждения магнитный поток
уменьшится почти до нуля, и число оборотов может возрасти до опас-
ных для целости двигателя пределов, или, как говорят, двигатель
пойдёт «в разнос».

Эксплуатационные свойства двигателя характеризуются зависи-
мостями между изменением отдельных его величин, которые даются
в виде кривых, называемых характеристиками двигателя. На фиг.
168, а изображены электромеханические характеристики двигателя,
т. е. зависимости скорости вращения и вращающего момента от тока
нагрузки двигателя, а нафиг. 168, б—зависимость скорости вращения
от вращающего момента, называемая механической характеристи-
кой двигателя* 1.

В двигателе с параллельным возбуждением магнитный поток не
зависит от нагрузки и при определённом положении регулировоч-
ного реостата (при постоянном токе возбуждения) является постоян-
ной величиной. Поэтому при возрастании тока нагрузки скорость
вращения двигателя уменьшается весьма мало (обычно на 3— 5?^);
это уменьшение вызывается лишь влиянием падения напряжения
в обмотке якоря, понижающим величину э. д. с. двигателя. Вращаю-
щий момент двигателя при увеличении тока нагрузки возрастает
пропорционально току.

Механическая характеристика двигателя представляет собой
приблизительно прямую пинию, наклонную к оси, на которой мы

Скорость Вращения п

Гчнераторный режим
--------Г"--1---1---<

Л/.77 *'

Мигательный режим

100

ВО

Вращающий
инимент

40 -

о гд со 60 но м

Гел нагрузки

/Р/!_____

1 ?о

Рекуперативное торможение

100

во

ьп-

% Вапест6енноя\
характеристика

г0

/Реостатные
характеристики
Мигательный
у , режим .

М9/

" ’ 20 я рр рр, иТЛГ/йй

Вращающий момент

Фиг. 168. Электромеханическая (а) и механическая (б) характеристики
двигателя с параллельным возбуждением

откладываем значения вращающего момента. Наклон этой характе-
ристики обычно небольшой, т. е. скорость вращения весьма мало
меняется при изменении механической нагрузки, которую прихо-
дится преодолевать двигателю. Такая механическая характеристика
называется жёсткой. Если включить в цепь якоря двигателя допол-
нительные сопротивления, то наклон механической характеристи-
ки увеличивается, как говорят, степень жёсткости характеристики
уменьшается.

Л4еханическая характеристика двигателя, включённого без до-
полнительных сопротивлений, называется естественной (или авто-
матической), характеристики при включении дополнительных сопро-
тивлений называются реостатными характеристиками.

Большим достоинством двигателя с параллельным возбуждением
является лёгкость перехода его в генераторный режим.

1 При построении электромеханических и механических характеристик
двигателей здесь и в дальнейшем пренебрегается влиянием трения в ма-
шине.
При уменьшении нагрузки, т. е. действующего на двигатель внеш-
него усилия (например при переходе локомотива с подъёма на пло-
щадку), скорость вращения якоря возрастает; при этом увеличивается
индуктированная в нём э. д. с. и уменьшается ток и создаваемый дви-
гателем вращающий момент. При отсутствии внешней нагрузки ско-
рость вращения возрастает до величины л0 (скорость вращения при
холостом ходе). Если пренебречь трением и внутренними поте-
рями в машине, то при холостом ходе э. д. с. двигателя становится
равной напряжению сети, а ток и развиваемый двигателем момент
оказываются равными нулю. В действительности при холостом
ходе двигатель потребляет из сети некоторый ток; этот ток обесне*
чивает поступление в двигатель электрической энергии, компенсиру-
ющей внутренние потери мощности в машине, и создаёт некоторый
вращающий момент, требуемый для преодоления трения.

При изменении направления действующего на двигатель внеш-
него усилия (например при переходе локомотива на уклон) скорость
вращения якоря становится больше величины и0; э. д. с. в этом слу-
чае становится больше напряжения сети, ток и вращающий момент
изменяют своё направление и машина переходит из двигательного
режима в генераторный. При этом вращающий момент направлен
против вращения якоря, а выработанная генератором электриче-
ская энергия отдаётся в сеть для полезного использования. Такой
режим называется, как известно, режимом рекуперативного тор-
можения.

Таким образом, двигатель с параллельным возбуждением авто-
матически переходит в режим рекуперативного торможения при из-
менении направления внешнего усилия, т. е. при возрастании ско-
рости вращения свыше величины и0.

Двигатель с последовательным возбуждением. Схема соединения
двигателя с последовательным возбуждением показана па фиг. 169.
Его якорь, обмотка возбуждения и пусковой реостат соединяются
последовательно и включаются под напряжением сети.

Особенностью этого двигателя является зависимость его маг-
нитного потока от нагрузки, так как по обмотке возбуждения
протекает ток якоря (ток возбуждения в данном двигателе равен
току якоря).

На фиг. 170, а показаны электромеханические характеристики
двигателя с последовательным возбуждением, а на фиг. 170,6 —
его механическая характеристика.

При небольших нагрузках (небольшом токе якоря, а следова-
тельно, и небольшом токе возбуждения) магнитный поток возрастает
пропорционально току. При этом, как вытекает из формул (52) и (55),
вращающий момент резко возрастает (пропорционально квадрату
тока), а скорость вращения резко падает (обратно пропорционально
току). При больших нагрузках ток в якоре и обмотке возбуждения
имеет большую величину, что вызывает насыщение магнитной цепи
машины; при этом магнитный поток уже мало меняется при возраста-
нии нагрузки, и характеристики двигателя приобретают прямоли-
нейный характер (вращающий момент возрастает пропорционально
току, а скорость вращения уменьшается пропорционально первой
степени от тока).

Механическая характеристика этого двигателя называется мяг-
кой, так как изменение нагрузки сильно сказывается на скорости
вращения якоря.

Как видно из характеристик двигателя (фиг. 170), при малых
нагрузках ток в якоре и магнитный поток незначительны, а скорость
вращения сильно возрастает.

Фиг. 169. Принципиальная схема двигателя с последовательным
возбуждением

При сильном уменьшении нагрузки скорость вращения якоря
может достичь недопустимо больших значений, опасных для цело-
сти машины, как говорят, двигатель идёт в разнос.

Поэтому двигатель с последовательным возбуждением нельзя
пускать в ход без нагрузки или при малых нагрузках, составляющих
меньше 20—25% номинальной нагрузки двигателя.

Указанное свойство ограничивает возможность применения дви-
гателей с последовательным возбуждением: они могут применять-
ся лишь там, где невозможна работа машины при холостом ходе.
Практически такие условия имеют место только в электрической
тяге и грузоподъёмных машинах, где и используются главным об-
разом эти двигатели.

При включении в цепь якоря двигателя дополнительного сопро-
тивления можно аналогично, как и в двигателе с параллельным воз-
буждением, получить ряд реостатных механических характери-
стик (см. фиг. 170,6).
Двигатель с последовательным возбуждением не может быть пе-
реведён в режим рекуперативного торможения. При уменьшении
внешней нагрузки, т. е. вращающего момента двигателя, скорость
вращения его возрастает, и он идёт в разнос; следовательно, не пред-
ставляется возможным изменить направление вращающего момента
двигателя и перейти через режим холостого хода, что необходимо для
перевода его с двигательного в генераторный режим. Невозможность
работы двигателя с последовательным возбуждением в режиме реку-
перативного торможения объясняется тем, что магнитный поток в

Фиг. 170. Электромеханическая (а) и механическая (б) характеристики
двигателя с последовательным возбуждением

этом двигателе резко уменьшается с уменьшением нагрузки, и э. д. с.
его ни при каких условиях не может быть увеличена свыше напря-
жения сети.

Двигатель со смешанным возбуждением. Схема включения дви-
гателя со смешанным возбуждением изображена на фиг. 171. Дви-
гатель имеет две обмотки возбуждения — параллельную и после-
довательную. Для регулирования скорости вращения последова-
тельно с параллельной обмоткой включается регулировочный ре-
остат. Обычно в таких двигателях обмотки возбуждения включают-
ся так, что создаваемые ими потоки складываются.

Так как магнитный поток параллельной обмотки остаётся при
всех нагрузках постоянным, а поток последовательной обмотки изме-
няется приблизительно пропорционально току, то в зависимости от
соотношения между этими магнитными потоками, т е. намагничиваю-
щими силами обмоток возбуждения, могут быть получены двигатели
с различными характеристиками, промежуточными между харак-
теристиками двигателей с параллельным и последовательным воз-
буждением.

Выпускаемые промышленностью двигатели со смешанным воз-
буждением обычно имеют мягкую механическую характеристику
(фиг. 172) наподобие характеристики двигателя с последователь-
ним возбуждением. Однако благодаря наличию параллельной об-
мотки двигатель при холостом ходе не идёт в разнос, а работает с не-
которой скоростью п0. Скорость двигателя при малых нагрузках

Фиг. 171. Принципиальная

схема двигателя со смешанным возбуждением

изменяется значительно, а затем при увеличении нагрузки падает
незначительно почти по прямой, как у двигателя с параллельным
возбуждением. Рекуперативное торможение при использовании этих
двигателей также возможно, но в ограниченном диапазоне нагрузок.

Фиг 172. Электромеханическая (а) и механическая (б) характеристики
двигателя со смешанным возбуждением

Двигатели этого типа иногда применяются в трамваях и троллей-
бусах.

Для пуска двигателя в цепь якоря включается пусковой реостат.

Сравнение двигателей различных типов с точки зрения пригод-
ности для целей тяги. Наиболее пригодными для целей тяги явля-
188
ются двигатели с последовательным возбуждением. Это объясняется
следующим:

1. При применении этих двигателей изменение нагрузки при
движении поезда (т. е. профиля пути) не сопровождается таким
большим изменением мощности, как у двигателей параллельного
возбуждения.

В двигателе с параллельным возбуждением, имеющем жёсткую
механическую характеристику (см. фиг. 168), при увеличении на-
грузки, т. е. вращающего момента, скорость вращения почти не
меняется. В результате мощность, потребляемая двигателем, воз-
растает почти пропорционально увеличению механической нагрузки.
В двигателе с последовательным возбуждением с мягкой механиче-
ской характеристикой скорость вращения при возрастании нагруз-
ки резко падает (см. фиг. 170), поэтому потребляемая двигателем
мощность возрастает не так сильно.

Так, например, если пренебречь насыщением магнитной цепи
двигателя, реакцией якоря и сопротивлением его цепи, то можно
считать, что в двигателе с параллельным возбуждением при повы-
шении вдвое тягового усилия, т. е. вращающего момента на валу,
потребляемый им ток и мощность также возрастут вдвое. В то же
время в двигателе с последовательным возбуждением при увеличе-
нии вдвое момента на валу потребляемые ток и мощность возрастают
лишь в 1,4 раза, аскорость уменьшается до 70% от первоначальной.

Работа тяговых двигателей с постоянной мощностью имеет особен-
но большое значение для тепловозов, так как они не могут получить
от тепловозного генератора любую требуемую ими мощность. Как
известно, эта мощность ограничена величиной, которую может дать
дизель, и поэтому представляется крайне необходимым обеспечить
максимальное сё использование как при больших, так и при малых
нагрузках. Электрический подвижной состав забирает электри-
ческую энергию из контактной сети, поэтому мощность, потребляе-
мая двигателями электровозов и моторных вагонов, не столь огра-
ничена, как в тепловозе. Однако и в электрической тяге увеличение
мощности при возрастании механической нагрузки двигателей крайне
нежелательно, так как это приводит к соответствующему возраста-
нию тока, потребляемого локомотивом из контактной сети.

При использовании двигателей с последовательным возбужде-
нием мощность, потребляемая электровозами и моторными вагонами
из контактной сети, меняется при изменении профиля пути меньше,
чем при двигателях с параллельным возбуждением; поэтому кон-
тактная сеть и тяговые подстанции нагружаются более равномерно.

Равномерная нагрузка устройств энергоснабжения позволяет
лучше использовать тяговые подстанции и уменьшить сечение про-
водов контактной сети. Кроме того, работа самого двигателя в связи
с уменьшением толчков тока при изменениях нагрузки будет про-
ходить в более спокойных условиях.

Механическая характеристика тяговых двигателей с последова-
тельным возбуждением является вполне приемлемой для электриче-
189
скоп тяги. Однако требованиям тепловозной тяги она удовлетворяет
неполностью. Для того чтобы тепловозный тяговый двигатель потреб-
лял постоянную мощность при изменении в широких пределах меха-
нической нагрузки, применяют добавочное регулирование напряже-
ния, подводимого к зажимам двигателя, что придаёт его характе-
ристике ещё более мягкий характер (фиг. 173). При этом ха-
рактеристика двигателя принимает форму кривой, называемой ги-
перболой. Эта кривая характеризуется тем, что в любой её точке
произведение скорости вращения и вращающего момента (т. е. мощ-
ность двигателя) является величиной постоянной; поэтому её иногда
называют кривой равной мощности.

2. Мягкая механическая характеристика двигателей с последо-
вательным возбуждением позволяет лучше использовать силу инер-
ции поезда. Она даёт возможность легко разогнать поезд до высоких
скоростей на ровных участках пути

(площадках), где нагрузка на
двигатель невелика, и преодо-
левать затем тяжёлые подъёмы
за счёт увеличенной таким об-
разом живой силы поезда. Это
обстоятельство обусловливает
возможность уменьшения мощ-
ности двигателей, устанавли-
ваемых на подвижном составе,
при сохранении требуемой
производительности локомо-
тивов.

3. В контактной сети
электрических железных до-

вращсгсщий момент

Фиг. 173. Механические характеристи-
ки двигателей различных типов
рог обычно имеют место зна-
чительные колебания напряжения (до 20—30% номинального нап-
ряжения сети), которые вызваны резкими изменениями нагрузки
тяговых подстанций при одновременной работе на тяговом участке
нескольких электровозов.

Колебания напряжения в контактной сети вызывают соответ-
ствующие колебания тока, потребляемого тяговыми двигателями и
развиваемого ими вращающего момента (тягового усилия). Однако
эти колебания при двигателях с последовательным возбуждением
будут значительно меньшими, чем при двигателях с параллельным
возбуждением. Это наглядно показано на фиг. 174, а, на которой
сплошными линиями изображены механические характеристики
двигателей последовательного (пос) и параллельного (пар) возбуж-
дения при нормальном напряжении, а пунктирными — при повышен-
ном напряжении. Благодаря большей крутизне механической ха-
рактеристики двигателя с последовательным возбуждением измене-
ние напряжения питающей сети при каком-то числе оборотов пх не
будет вызывать такого резкого изменения тока, вращающего момента
и тягового усилия, как у двигателей с параллельным возбуждением.
4. Ввиду того, что магнитный поток в двигателе с последователь-
ным возбуждением создаётся током нагрузки, протекающим по об-
мотке возбуждения, вращающий момент при одинаковой величине
тока будет в этом двигателе больше, чем в двигателе с параллель-
ным возбуждением.

Особенно важное значение это обстоятельство имеет при пуске
двигателя, когда он должен развивать наибольший момент. Следо-
вательно, пусковой момент двигателя с последовательным возбуж-
дением будет больше пускового момента такого же двигателя с па-
раллельным возбуждением.

возбуждении " параллельном возбуждений

Фиг. 174 Благодаря большой крутизне механической характеристики
двигателя с последовательным возбуждением изменения нагрузки его при
колебаниях напряжения питающей сети и разных диаметрах бандажей
колёсных пар будут меньшими, чем в двигателях с параллельным
возбуждением

Перегрузочная способность у двигателей с последовательным
возбуждением также выше, чем в двигателях с параллельным
возбуждением, так как при сильных перегрузках двигатели с после-
довательным возбуждением потребляют меньший ток и, следова-
тельно, меньше перегреваются, чем двигатели с параллельным воз-
буждением.

5. На электроподвижном составе и тепловозах обычно устанав-
ливается несколько тяговых двигателей, работающих параллельно
на общую нагрузку, так как двигатели отдельных колёсных пар ме-
ханически связаны между собой посредством сцепления колёс
с рельсами. При такой работе двигателей распределение нагрузок
между ними будет определяться разницей в характеристиках отдель-
ных двигателей и различием в диаметрах бандажей связанных с
ними колёсных пар.

В случае неравенства диаметров бандажей двигатель, связанный
с колёсной парой, имеющей меньший диаметр бандажа, будет при
движении поезда с некоторой скоростью вращаться быстрее, чем
остальные. При параллельной работе двигателей это будет вызывать
неравномерное распределение между ними токов и неравенство соз-
даваемых ими вращающих моментов (тягозых усилий). При большой
неравномерности в распределении токов и тяговых усилий между
двигателями перегруженные двигатели могут начать боксовать или
выйти из строя.

При использовании двигателей с последовательным возбуждением,
благодаря большой крутизне их механической характеристики, рас-
хождение в характеристиках двигателей и в диаметрах бандажей
колёсных пар не будет вызывать столь резкой неравномерности в на-
грузках, как при двигателях с параллельным возбуждением. Это
наглядно показано на фиг. 174, б, на которой сплошными линиями
изображены характеристики 1-го двигателя, установленного в колёс-
ной паре с нормальным бандажом, а пунктирными—характеристики
2-го двигателя, установленного на колёсной паре с бандажом умень-
шенного диаметра. При движении поезда с некоторой скоростью щ
разница между вращающими моментами (т. е. тяговыми усилиями),
создаваемыми 1-м и 2-м двигателем при последовательном возбужде-
нии, будет незначительна, при параллельном же возбуждении второй
двигатель будет нагружен примерно в 2 раза больше первого.

Следует, однако, отметить, что и при двигателях с последователь-
ным возбуждением большая разность диаметров бандажей ведущих
колёсных пар локомотива и большое различие в характеристиках
двигателей может вызвать довольно большую неравномерность в рас-
пределении нагрузки между отдельными двигателями. Во избежа-
ние этого при формировании колёсных пар электровозов, теплово-
зов и моторных вагонов стремятся, чтобы разница диаметров их бан-
дажей не превышала 12—15 лмь а установленные на них двигатели
имели бы приблизительно одинаковые характеристики.

в. Обмотка возбуждения двигателей с последовательным возбуж-
дением обладает большей электрической и механической прочно-
стью по сравнению с обмоткой возбуждения двигателей с параллель-
ным возбуждением, так как она выполнена из толстого провода и
имеет небольшое число витков. Она занимает также меньше места,
чем обмотка возбуждения в двигателях с параллельным возбужде-
нием, и имеет на своих зажимах небольшое напряжение (обычно не
свыше 5°6 полного напряжения на зажимах двигателя). Благодаря
этому обмотка последовательного возбуждения получается более
дешёвой в производстве и более падёжной в эксплуатации.

Одним из главных преимуществ двигателя с параллельным воз-
буждением, с точки зрения тяги, является способность его авто-
матически переходить в режим рекуперативного торможения. Од-
нако и двигатель с последовательным возбуждением может работать
в режиме рекуперативного торможения, если произвести соответ-
ствующее изменение схемы его включения и предусмотреть необхо-
димое дополнительное оборудование.

Другими преимуществами двигателей с параллельным возбужде-
нием являются меньшая склонность колёсных пар локомотива к
боксованию и несколько лучшие условия работы этих двигателей
при боксовании, чем двигателей с последовательным возбуждением.
Снятие нагрузки с вала двигателя с последовательным возбуждением
(что имеет место при боксовании) вызывает резкое увеличение скоро-
192
сти вращения и соответствующее увеличениеэ.д.с. боксующего двй-
гателя, При последовательном соединении нескольких двигателей
это приводит к уменьшению напряжения, приходящегося на осталь-
ные двигатели, и понижению скорости их вращения. В двигателях
с параллельным возбуждением скорость вращения при боксовании
благодаря большей жёсткости характеристики не может подняться
выше — скорости вращения при холостом ходе; не будет столь
большим и увеличение э. д. с., вследствие чего боксующий двигатель
будет оказывать меньшее влияние на другие последовательно вклю-
чённые двигатели.

Двигатели со смешанным возбуждением пригодны для тяги, но
из-за сложности конструкции их трудно выполнить на большие
мощности; поэтому они используются главным образом в трамваях
и троллейбусах.

34. Способы управления электрическими двигателями,
применяемые на электрическом подвижном составе и тепловозах

Пуск в ход двигателей. На электрическом подвижном составе

при пуске в ход тяговых двигателей вводят в цель их якорей пу-

сковое сопротивление (фиг. 175); а затем посте-
пенно выводят его по мере возрастания скорости
вращения.

Так как практически весьма трудно осуще-
ствить непрерывное плавное изменение пуско-
вого сопротивления, пуск производится путём
ступенчатого изменения этого сопротивления от
некоторой максимальной величины ВМакс до нуля.
Для этой цели пусковое сопротивление разби-
вается на несколько групп (секций), которые в
процессе пуска постепенно замыкаются нако-
ротко специальными выключателями (контак-
торами).

Для увеличения количества ступеней сопро-
тивления при минимальном числе контакторов
в процессе пуска применяют параллельное и
смешанное соединение между собой отдельных
секций; это даёт возможность добиться довольно
плавного изменения общего сопротивления,
включённого в цепь тяговых двигателей.

На фиг. 176 приведён пример такого соеди-

нения секций сопротивлений при пуске электро- фиг 175 Схема
воза. Очерёдность замыкания и размыкания от- пуска тягового
дельных контакторов /, 2, 3 и 4, определяющая двигателя
комбинации соединения секций пусковых сопро-
тивлений, даётся в так называемой таблице замыканий контакто-

ров; номер контактора или кружочек, поставленный в клеточках
таблицы замыкания, показывает, что па данной ступени регули*
рования соответствующий контактор замкнут.

13 Заказ 1216

193
Для наглядности в последней графе таблицы указан порядок
взаимного соединения секций реостата, получаемый на каждой
ступени; при этом знак -ф указывает на последовательное соедине-
ние секций, а знак || (параллельно)—на их параллельное соединение.

Фиг 176. Схема последовательно-
параллельного включения отдель-
ных секций пускового реостата с
целью регулирования величины
его общего сопротивления

Таблица замыканий контакторов

Как показано в таблице замыканий, благодаря применению пос-
ледовательно-параллельного соединения секций удаётся при четырёх
контакторах получить семь ступеней регулирования сопротивления.

Величину максимального сопротивления ЯмаКс подбирают такой,
чтобы пусковой ток не превышал допустимой величины и чтобы дви-
гатель при этом создавал требуемый пусковой момент (требуемое

Реостатные
характеристики
Минимальный
“* момент
Максимальный момент

Фиг. 177. Пусковые характеристики тягового двигателя

Колебания
момента,

Естественная
характеристика

усилие тяги при пуске). После присоединения двигателя к сети пуск
его производится по реостатной характеристике 1 (фиг. 177, а и б),
при этом по мере возрастания скорости вращения двигателя разви-
ваемый пусковой момент и ток постепенно уменьшаются. Когда
пусковой момент и ток уменьшатся до минимально допустимой
величины, выключают первую ступень пускового сопротивления.

В момент выключения этой ступени пусковой момент и ток резко
возрастают и достигают снова максимально допустимой величины.
После выключения первой ступени сопротивления пуск произ-
водится по реостатной характеристике 2, расположенной выше, чем
характеристика 1, При уменьшении пускового момента и тока до
минимальной величины выключается вторая ступень сопротивления;
при этом ток и пусковой момент снова возрастают до максимальной
величины, и пуск производится по реостатной характеристике 3.

Такое постепенное выключение отдельных ступеней сопротив-
ления производится до тех пор, пока двигатель не начнёт работать
по естественной, или, как её иногда называют, автоматической харак-
теристике. Б процессе пуска происходят некоторые колебания
тока и пускового момента (тягового усилия); однако при достаточ-
но большом числе ступеней эти колебания не оказывают вредного
влияния на работу электрического подвижного состава. В резуль-
тате можно считать, что двигатель пускается при некотором среднем
значении пускового тока и среднем значении пускового момента,
при котором он развивает постоянное ускорение в процессе
пуска.

Естественную характеристику называют автоматической по-
тому, что при работе по ней двигатель автоматически изменяет раз-
виваемый им вращающий момент и скорость вращения в зависи-
мости от изменения момента сопротивления. В процессе же пуска
при работе на реостатных характеристиках вращающий момент дви-
гателя может регулироваться независимо от величины момента со-
противления и обычно бывает несколько больше его. Развиваемый
двигателем при пуске вращающий момент зависит от величины вклю-
чённых в цепь якоря пусковых сопротивлений и от скорости их вы-
ключения. Чем больше вращающий момент двигателя по сравнению
с моментом сопротивления, тем большее ускорение развивает дви-
гатель и тем быстрее заканчивается процесс пуска.

При приблизительно постоянном весе поезда, характерном для
моторвагонной тяги, выключение отдельных ступеней пусковою со-
противления может осуществляться автоматически. Для этой цели
на моторных вагонах предусмотрено специальное реле ускорения
(реле минимального тока), срабатывающее, когда пусковой ток умень-
шается до установленной величины, и обеспечивающее замыкание со-
ответствующих контакторов.

На электровозах осуществить автоматическое выключение сту-
пеней пускового сопротивления затруднительно, так как вес грузо-
вого поезда может меняться в широких пределах (электровоз может
вести тяжеловесный поезд и следовать резервом). Поэтому чаще всего
на электровозе ступени пускового сопротивления выключаются по
мере увеличения скорости движения поезда непосредственно самим
машинистом при помощи ручного аппарата, называемого конт-
роллером машиниста.

Однако на некоторых электровозах применяют автоматическое
выключение ступеней пусковых сопротивлений или автоматическое
регулирование скорости вращения двигателей в процессе пуска дру-
гими способами. Система автоматического пуска принята, напри*
Фиг. 178. Схемы соединения тяговых двига-
телей электровозов ВЛ22 и ВЛ23 при после-
довательно-параллельном переключении

Мер, па опытных электровозах однофазного тока с ртутными вы-
прямителями серии НО.

На тепловозах пуск в ход тяговых двигателей производится без
применения пусковых сопротивлений, так как тепловозный генера-
тор обеспечивает возможность постепенного увеличения напряже-
ния, подаваемого при пуске к тяговым двигателям. Увеличение на-
пряжения тепловозного генератора в процессе пуска производится
постепенным повышением скорости ею вращения (скорости враще-
ния дизеля) и увеличе-
нием тока возбуждения.
Это достигается при по-
мощи ручного аппара-
та— контроллера маши-
ниста, который регули-
рует одновременно пода-
чу топлива в дизель и
возбуждение генератора.

Регулирование ско-
рости вращения. На
электрическом подвиж-
ном составе и теплово-
зах регулирование ско-
рости вращения осуще-
ствляется двумя спосо-
бами: изменением при-
ложенного к двигателям
напряжения и измене-
нием величины магнит-
ного потока двигателей.
Гак как напряжение,
подводимое из контакт-
ной сети к электровозу
или моторному вагону,
не может регулировать-
ся, то для изменения

подаваемого к двигателям напряжения применяют последовательно-
параллельное переключение тяговых двигателей.

Сущность этого способа регулирования скорости заключается
в том, что двигатели электровоза или моторного вагона могут под-
ключаться к контактной сети сначала последовательно,а затем па-
раллельно с различным числом двигателей в параллельных группах.
При этом изменяется напряжение, приходящееся на каждый двига-
тель локомотива, а следовательно, и скорость двигателей.

На тепловозах регулирование скорости вращения тяговых двига-
телей производится изменением напряжения питающего их генера-
тора, Это осуществляется автоматически в зависимости от величины
механической нагрузки двигателей при движении тепловоза. При
большой нагрузке (при движении на подъёмах) ток двигателей воз-
196
растает. Проходя по противокомпаундной обмотке возбудителя,
этот ток уменьшает магнитный поток и э. д. с. возбудителя (см. § 32),
что приводит к уменьшению напряжения генератора и снижению
скорости вращения двигателей (т. е. скорости движения поезда).
При движении по площадкам механическая нагрузка и ток двига-
телей уменьшаются, что вызывает повышение напряжения генера-
тора и возрастание скорости вращения двигателей (скорости дви-
жения поезда). Мощность двигателей тепловоза при этом полностью
используется как при больших, так и при малых нагрузках.

Однако возможность регулирования напряжения тепловозного
генератора ограничена, так как при большом диапазоне регулиро-

вания сильно возрастают размеры и вес
главного генератора и возбудителя. Поэ-
тому и на тепловозах в качестве вспомога-
тельных способов регулирования приме-
няют последовательно-параллельное пере-
ключение двигателей и изменение вели-
чины их магнитного потока.

При регулировании скорости враще-
ния двигателей путём их последовательно-
параллельного переключения число воз-
можных схем соединений зависит от
числа двигателей, установленных на
данном локомотиве.

Так, например, на электровозах ВЛ22
и ВЛ23, имеющих шесть тяговых двигате-
лей, могут быть использованы следующие
схемы соединения двигателей (фиг. 178):
а) последовательное соединение (фиг.
178, а). При такой схеме соединения на-
пряжение, подводимое к двигателю, в
шесть раз меньше напряжения в кон-

Фиг. 179. Электромеханиче-
ские характеристики тяго-
вых двигателей электровоза
В Л 22м при последовательно-
параллельном переключении

тактной сети, и двигатель имеет

некоторую минимальную скорость

вращения

б) соединение двигателей в две параллельные группы
(фиг. 178, б), в каждой из которых включено потри последовательно
соединённых двигателя. Такое соединение условно называют после-
довательно-параллельным. В этом случае напряжение, подводимое
к каждому двигателю, будет в три раза меньше напряжения в кон-
тактной сети, и скорость его вращения будет составлять 2пмин;

в) соединение двигателей в три параллельные группы (фиг. 178,«)
по два последовательно включённых двигателя в каждой. Такое
соединение условно называют параллельным. В этом случае напряже-
ние, подводимое к каждому двигателю, будет в два раза меньше на-
пряжения в контактной сети, и скорость вращения составят ЗпЛ111Н.

Характеристики двигателей будут при этом располагаться одна
над другой (фиг. 179), и они сохранят форму, характерную для
двигателей последовательного возбуждения.
Принципиально можно было бы применить и еще одну груп-
пировку двигателей — включение их в шесть параллельных групп
с одним двигателем в каждой. Однако изготовление тяговых дви-
гателей с рабочим напряжением 3 000 в на коллекторе потребо-
вало бы значительного усложнения конструкции этих машин, что
привело бы к увеличению размеров и веса двигателей и снижению
их эксплуатационной надёжности. Поэтому на электроподвижном
составе' СССР применяют двигатели с рабочим напряжением 1 500 в.
Такие двигатели при работе электроподвижпого состава на участках
с напряжением в контактном проводе 3 000 в соединяются в по-
стоянные группы из двух соединённых последовательно двигателей.

Пуск электровозов ВЛ22 и ВЛ23 с использованием последова-
тельно-параллельного переключения двигателей производится сле-
дующим образом. В начале пуска двигатели соединяются последо-
вательно, и в их цепь вводится пусковое сопротивление; по мере уве-
личения скорости вращения отдельные секции сопротивления вы-
ключают, пока двигатели не будут подключены к сети без со-
противлений. Затем двигатели переключают на последовательно-
параллельное соединение с предварительным включением в обе ветви
пусковых сопротивлений. По мере дальнейшего увеличения
скорости сопротивления в обеих ветвях постепенно выводят-
ся, после чего двигатели переключают па параллельное соедине-
ние с полностью введёнными сопротивлениями в каждой ветви.

Па последних стадиях пуска производят постепенное выклю-
чение сопротивлений во всех трёх параллельных ветвях двигателей.

На восьмиосных электровозах Н8 для регулирования ско-
рости вращения тяговых двигателей применяют следующие схемы
их соединения:

а) последовательное соединение восьми двигателей;

б) соединение двигателей в две параллельные группы по че-
тыре двигателя в каждой (последовательно-параллельное соеди-
нение);

в) соединение двигателей в четыре параллельные группы по
два двигателя в каждой (параллельное соединение).

Напряжение, приходящееся на каждый двигатель (при выве-
денных пусковых сопротивлениях), при этих соединениях будет
3 000

равно: при последовательном —$—= 375 в; при последовательно-
3 000 -п 3 000 1

параллельном ~— = 7э0 щ при параллельном --^— = 1500 в.

Скорость вращения тяговых двигателей будет при этом изменять-
ся в отношении 1 : 2 : 4.

На фиг. 180 показана в качестве примера схема последовательно-
параллельного переключения тяговых двигателей на тепловозе ТЭ2.
В начальный период разгона поезда двигатели включаются последо-
вательно (фиг. 180, а), а затем по мере увеличения скорости переклю-
чаются на параллельное соединение (фиг. 180,6).
Для регулирования скорости вращения двигателя путём изменения
его магнитного потока применяют два способа: включение сопро-

Фиг. 180. Схемы соединения тяговых двигателей тепловоза ТЭ2
при последовательно-параллельном переключении

тивления параллельно обмотке возбуждения (способ шунтирования)
и отключение части её витков (способ секционирования).

Оба способа позволяют осла-
бить поток тяговых двигателей
и увеличить их скорость вра-
щения.

Способ шунтирования приме-
няют па электровозах, моторных
вагонах и тепловозах; способ
секционирования на некоторых
моторных вагонах и вагонах ме-
трополитена.

При способе секционирования
(фиг. 181, л) часть витков обмот-
ки возбуждения двигателя замы-
кают накоротко контактором Д
что приводит к уменьшению на-
магничивающей силы, создавае-
мой этой обмоткой, и ослаблению

магнитного потока двигателя. гТ,11Г 1Й1 г>л.,1Г

.. у Фиг. 181. Схемы регулирования маг-

После замыкания контактора 1 нигного потока тягового двигателя
контактор 2 выключается, поэте- способами секционирования (а) и
му в дальнейшем в цепь двигателя шунтирования (б)

оказывается включённой только часть витков обмотки возбуждения.

При способе шунтирования (фиг. 181,6) параллельно обмотке
возбуждения контактором / включают шунтирующее сопротив-
ление. При этом через обмотку возбуждения будет протекать только
часть тока якоря (часть этого тока в точке О ответвляется в шунти-
рующее сопротивление), что приводит к ослаблению магнитного
потока двигателя и возрастанию его скорости вращения.

На электроподвижном составе и тепловозах часто применяют
две и более ступени ослабления поля (фиг. 182, а) — при вклю-
чении контактора 1 параллельно обмотке возбуждения включает-
ся некоторое сопротивление /?ш, 4- при включении контак-
тора 2 сопротивление замыкается накоротко.

Фиг. 182. Схемы многоступенчатого регулирования возбуждения
тягового двигателя (а) и включение индуктивного шунта (б)

На первой ступени ток возбуждения обычно уменьшается на 25—
35%, на второй — на 50—60%. На электровозе Н8 применены че-
тыре ступени ослабления поля; ток возбуждения при этом умень-
шается: на первой ступени на 25%, второй ступени — 45%, треть-
ей ступени — 57% и четвёртой ступени — 64%.

При использовании способа шунтирования приходится применять
специальные меры для сохранения требуемого распределения тока
между обмоткой возбуждения и шунтирующим сопротивлением
при резких изменениях режима работы двигателя, например, в
случае изменения напряжения в контактной сети. При резком
увеличении напряжения в контактной сети ток в цепи двигателя
быстро возрастает и в обмотке возбуждения возникает э. д. с.
самоиндукции. Так как эта э. д. с. будет направлена против тока
и будет препятствовать протеканию его по обмотке возбуждения,
то большая часть тока якоря пойдёт по шунтирующему сопротив-
лению, что приведёт к нарушению принятого распределения токов
/а и 1Ш в параллельных ветвях и недопустимому ослаблению пото-
ка тягового двигателя. Для того чтобы избежать чрезмерного ос-
200
лабления потока тяговых двигателей при резком изменении их

тока, которое может вызвать возникновение кругового огня на
коллекторе, последовательно с шунтирующим сопротивлением вклю-

чается катушка индуктивности, называемая индуктивным шунтом
(фиг. 182, б). При включении индуктивного шунта изменение тока /
в цепи двигателя будет вызывать возникновение э. д. с. самоиндук-
ции как в обмотке возбуждения двигателя, так и в индуктивном
шунте. При этом индуктивность этого шунта подбирают так, чтобы

возникающие э. д. с. самоиндукции не нарушали принятого распре

деления токов /е и /ш ме-
жду обмоткой возбуждения
и шунтирующей цепью.

Изменение направления
вращения двигателей. Из-
менение направления вра-
щения тяговых двигателей
производится изменением
направления тока в обмот-
ке возбуждения; для этой
цели концы обмотки воз-
буждения переключаются
специальным аппаратом,

а)

Фиг. 183. Схема изменения направления
вращения тягового двигателя

называемым реверсором.
Переключение концов об-
мотки возбуждения более

удобно, чем переключение концов обмотки якоря, так как об-
мотки возбуждения тяговых двигателей включаются в электрическую
цепь локомотива после обмоток якорей, и напряжение на их зажимах

по отношению к земле составляет обычно около 3—5% подводимого

к двигателям напряжения. Поэтому условия работы изоляции де-
талей реверсора, в этом случае значительно облегчаются.

При переключении концов обмотки якоря между деталями
реверсора, осуществляющего это переключение, действовало бы
полное напряжение контактной сети, т. е. 3 000 в.

При движении локомотива в направлении «вперёд» включаются
контакты В реверсора (фиг. 183,а)иток /в проходит по обмотке воз-
буждения, например, от её начала А к концу Б. При необходи-
мости движения в направлении «назад» включаются контакты Н
реверсора и ток возбуждения проходит от конца Б обмотки воз-
буждения к началу А (фиг. 183,6). Направление вращающего
момента М и скорости вращения п при этом изменяются.

Рекуперативное торможение. При рекуперативном торможении
тяговые двигатели переводятся в генераторный режим и выра-
батываемая ими в процессе торможения энергия отдаётся в кон-
тактную сеть, где используется другими электровозами. В § 33
было показано, что двигатели с последовательным возбуждением не
могут быть переведены в режим рекуперативного торможения; по-
этому во время рекуперативного торможения обмотки возбужде-
ния тяговых двигателей переключаются на независимое питание
от специального возбудителя (фиг. 184), который приводится во
врашение отдельным двигателем.

При таком переключении тяговый двигатель начинает работать
как генератор независимого возбуждения.

Генераторы независимого возбуждения работают, вообще говоря,
вполне надёжно И устойчиво. Однако они имеют пологую внешнюю
характеристику (см. фиг. 156, а) и поэтому непригодны для реку-
перативного торможения в условиях тяговых сетей, напряжение
которых весьма сильно изменяется. При неизбежных колебаниях
напряжения в контактной сети ток такого двигателя, работающего
в генераторном режиме, и создаваемый им тормозной момент будут

О|

Независимая
и и

Якорь двигателя

Обметка* возбуждения
овигатгля

возбудителя

'Протидзкомпа.-
унднои обмот-
ка возбудителя

Якоря двигателя

Обмотка возбуждения

двигателя

Регулировочный
реостат

—* ч

-------

независимая
обмотка

Возбудителя

I »

Фиг 184. Схемы включения тягового двигателя при
рекуперативном торможении

очень резко изменяться, что не даст возможности обеспечить надеж-
ное торможение поезда. Для того чтобы тяговый двигатель, работа-
ющий в генераторном режиме, был мало чувствителен к колебаниям
напряжения в контактной сети, необходимо придать его внешней
характеристике крутопадающий характер, как это имеет место у
противокомпаундного генератора. Для этой цели можно питать об-
мотку возбуждения тягового двигателя в режиме рекуперативного
торможения от возбудителя с противо компаунд ной обмоткой или же
включить в цепь возбудителя так называемое стабилизирующее со-
противление. Благодаря этим мероприятиям ток, отдаваемый тяго-
вым двигателем в контактную сеть, сохраняется примерно постоян-
ным. Они, как говорят, стабилизируют (поддерживают постоян-
ной) величину этого тока.

При использовании возбудителя с противокомпаундной обмоткой
(фиг. 184, а) уменьшение напряжения в контактной сети и возраста-
ние в связи с этим тока рекуперации /, отдаваемого тяговым двига-
телем, работающим в генераторном режиме, вызовет размагни-
чивание возбудителя и снижение его напряжения, а следовательно,
и магнитного потока обмотки возбуждения двигателя. В результате
202
этого э. д. с. тягового двигателя, работающего в генераторном
режиме, будет снижаться, и ток рекуперации не будет испытывать
сильных колебаний. То же самое будет происходить и при увели-
чении напряжения в контактной сети.

При использовании стабилизирующего сопротивления оно вклю-
чается в цепь возбудителя так, что по нему, кроме тока возбужде-
ния /Л, проходит та к же, и ток якоря / тягового двигателя, работаю-
щего в генераторном режиме (фиг. 184, б).

При уменьшении напряжения в контактной сети увеличится
ток рекуперации, отдаваемый тяговым двигателем, и увеличится

Ограничение по
степени, ослабления

потока

Ток генератора.

Ограничение
по степени
ослабления—^

потока. / ?

' ’торм

Минимальная ~
скоросто ПнйИ

Тормозной момент

Фиг. 185. Характеристики тягового двигателя при рекуперативном
торможении

падение напряжения Д47 в стабилизирующем сопротивлении. Так
как падение напряжения ДС/ действует против напряжения воз-
будителя, то его увеличение приведёт к уменьшению тока/а, по-
ступающего в обмотку возбуждения тягового двигателя, и сни-
жению создаваемой в нём э. д. с. В результате будет иметь
место такой же стабилизирующий эффект, как и при возбудителе
с противокомпаундной обмоткой.

Характеристики тягового двигателя при рекуперативном тормо-
жении показаны на фиг. 185, а и б. Они имеют крутопадающую
форму. В зависимости от тока /й, поступающего в независимую об-
мотку возбудителя, могут быть получены характеристики /, 2, 3 или
4. Величина тока 1в регулируется при помощи контроллера ма-
шиниста; регулированием этого тока достигается изменение тор-
мозного момента, развиваемого двигателем при данной скорости
вращения, т. е. изменение создаваемого им тормозного усилия.

На фиг. 185,б жирной линией показан ступенчатый переход
с одной характеристики па другую в процессе уменьшения ско-
рости вращения двигателя для получения некоторого постоянного
тормозного момента Мторм. Такой переход обеспечивается изме-
нением тока возбуждения возбудителя.
Тормозное усилие, развиваемое при рекуперации, ограничивает-
ся условиями сцепления и величиной максимально допустимого тока
двигателя; ограничивающим фактором является также степень ос-
лабления магнитного потока двигателя в процессе регулирования
тормозного усилия, так как при значительном ослаблении потока
резко ухудшается коммутация и может возникнуть круговой огонь.

Рекуперативное торможение применяется главным образом на
спусках при достаточно высокой скорости вращения тяговых дви-
гателей.

Для расширения диапазона скоростей, при которых может при-
меняться рекуперативное торможение, в этом режиме, так же как
и в двигательном, производят переключение якорей двигателей
электровоза с последовательного на параллельное соединение.

Обмотки возбуждения двигателей при рекуперативном торможе-
нии обычно не переключаются.

Применять рекуперативное торможение для остановки поезда
нельзя. Получение от двигателя, работающего в генераторном
режиме, необходимого напряжения потребовало бы при низких ско-
ростях вращения очень сильного увеличения его магнитного потока
и тока, отдаваемого возбудителем.

Увеличить магнитный поток тягового двигателя свыше опре-
делённого предела не представляет с 51 возможным из-за насыщения
его магнитной системы; кроме того, сильное увеличение тока, отда-
ваемого возбудителем, потребовало бы значительного повышения его
мощности и размеров.

Поэтому рекуперативное торможение может применяться только
до некоторой минимальной скорости пмин (см. фиг. 185,6). Практически
на электровозах В Л 22м рекуперативное торможение может быть
применено только при скоростях, больших 12—13 км/час.

Реостатное торможение. При реостатном торможении тяговые
двигатели работают как генераторы с последовательным возбужде-
нием и включаются на тормозные сопротивления, в которых элект-
рическая энергия, выработанная генераторами во время торможения
поезда, превращается в тепловую энергию.

В качестве тормозных сопротивлений используются обычно те
же сопротивления, что и при пуске двигателя.

Реостатное торможение может применяться как при высоких,
так и при низких скоростях вращения, так как напряжение гене-
раторов в этом случае не связано с напряжением сети и может быть
установлено таким, какое необходимо для получения требуемого
тормозного усилия.

Для перехода на реостатное торможение необходимо отключить
двигатель от контактной сети, переключить концы обмотки якоря
или обмотки возбуждения двигателя (фиг. 186) и замкнуть машину
на сопротивление. Как известно, при переходе машины с двигатель-
ного в генераторный режим, ток в её якоре изменяет своё направле-
ние. Если не переключить концы обмотки якоря или обмотки возбуж-
дения, то при изменении направления тока произошло бы размаг-
204
ничивание машины (исчезновение в ней остаточного магнетизма),
и она не смогла бы начать работать в качестве генератора последо-
вательного возбуждения. При переключении направление тока в об-
мотке возбуждения в генераторном режиме остаётся таким же, как
при двигательном, благодаря чему обеспечивается самовозбуждение
машины за счёт остаточного магнетизма. На электровозах обычно
переключают обмотки возбуждения; эта операция осуществляется
аппаратом, называемым тормозным переключателем.

Двигательный режим Реостатное торможение

Фиг. 186. Схемы переключения двигателей при переходе в режим
реостатного торможения

Характеристики тягового двигателя, работающего в режиме
реостатного торможения, показаны на фиг. 187,а и б. В зависи-
мости от величины включённого тормозного сопротивления могут
быть получены характеристики 1, 2, 3 или 4.

Для каждой величины тормозного сопротивления существует
своя минимальная скорость, при которой тяговый двигатель, работа-
ющий в генераторном режиме, перестаёт возбуждаться. Следователь-
но, ток и тормозное усилие при реостатном торможении имеют оп-
ределённые минимальные значения, величина которых зависит от
скорости движения электровоза или моторного вагона.

При уменьшении скорости вращения тягового двигателя в про-
цессе реостатного торможения будет уменьшаться создаваемое им
напряжение, а следовательно, ток и развиваемый им тормозной мо-
мент (тормозное усилие). Чтобы поддержать тормозное усилие на
определённом уровне по мере уменьшения скорости, необходимо
постепенно уменьшать величину сопротивления, которое подключено
к тяговому двигателю. На фиг. 187, б жирной линией показан сту-
пенчатый переход с одной характеристики на другую при выключении
отдельных секций тормозного сопротивления с целью получения
некоторого постоянноготормозиого момента Мторм в процессе умень-
шения скорости вращения тягового двигателя.

Как видно из характеристик фиг. 187, б, тормозной момент с
уменьшением скорости снижается. Это обстоятельство приводит к
невозможности полностью остановить поезд при спуске, так как при
малых скоростях исчезает электродвижущая сила тягового двига-

Фиг. 187. Характеристики тяговых двигателей при реостатном
торможении

теля, работающего в генераторном режиме, и прекращается проте-
кание по нему тока, а следовательно, исчезает тормозное действие.
Поэтому окончательная остановка поезда производится в таких
случаях при помощи механического тормоза. На площадке оста-
новка поезда может произойти за счёт сил сопротивления дви-
жению.

Тормозное усилие, развиваемое при реостатном торможении, ог-
раничивается максимально допустимым током двигателя и его мак-
симально допустимым напряжением. По этой причине двигатели
электровоза при реостатном торможении включаются только парал-
лельно (по два двигателя в каждой группе).

При включении двигателей электровоза последовательно суммар-
ное их напряжение могло бы достичь весьма больших значений
(около Ю тыс. в при шести двигателях), что недопустимо для нормаль-
ной работы электрического оборудования.

Следует, однако, отметить, что при параллельном включении
генераторов с последовательным возбуждением не обеспечивается
устойчивая работа этих машин.
Так, например, если по какой-либо причине увеличится ток
/1 (фиг. 188,а) в одном из параллельно включённых тяговых двигате-
лей, работающих в генераторном режиме, то это вызовет увеличение
его э. д. с. Е\. Одновременно уменьшаются ток /2 и э. д. с. Е2 второго
двигателя. Этот процесс продолжается до тех пор, пока ток второй ма-
шины не упадёт до нуля, после чего он изменит своё направление. При

Фиг. 188. При параллельном включении генераторов с
последовательным возбуждением они работают неустой-
чиво, т. е. не могут поддерживать постоянство своих
токов и э. д. с.

этом изменится полярность второй машины, и вместо параллельного
включения двух генераторов (фиг. 188, а) образуется замкнутый кон-
тур, в который оба генератора будут включены последовательно
без какого-либо внешнего сопротивления (фиг. 188, б). Такое вклю-
чение генераторов представляет собой, по сути дела, их короткое
замыкание; поэтому по замкнутому контуру начнёт проходить весь-
ма большой ток.

Таким образом, параллельно включённые генераторы с последо-
вательным возбуждением не в состоянии работать устойчиво, т. е.

поддерживать постоянство
своих токов и э. д. с.

Для получения устойчи-
вой работы нескольких гене-
раторов обмотки возбуждения
их включают с перекрещи-
ванием, например по двойной
циклической схеме (фиг. 189).

При перекрещивании ток
генераторов одной параллель-
ной группы (например гене-
раторов 1 и 2) проходит

Фиг. 189. Схема параллельного включе-
ния тяговых двигателей при реостатном
торможении

последовательно через обмотки возбуждения генераторов, вклю-
чённых в другие параллельные группы (например по обмоткам
возбуждения генераторов 4 и 6).

Благодаря этому всякое случайное возрастание тока в цепи ге-
нераторов одной группы вызовет усиление магнитного потока, а

следовательно, и напряжения в генераторах остальных параллель-
пых групп, что обеспечит автоматическое выравнивание напряжений
и токов в параллельно соединённых генераторах.

Большим преимуществом электрического торможения является
значительно меньшая склонность к заклиниванию колёс (юзу) при
больших тормозных усилиях, чем при механическом торможении,
и способность к самоосвобождению колёс от юза. Если тормозной
момент превзойдёт максимально допустимую по условиям сцепления
величину, то начавшееся скольжение колёс вызовет резкое сниже*
ние скорости вращения тягового двигателя, работающего в гене-
раторном режиме. При этом уменьшатся э. д. с. двигателя и соз-
даваемое им тормозное усилие; в результате через некоторое время
снова восстановятся нормальное сцепление и вращение колёс. Поэто-
му при электрическом торможении существенно уменьшается опас-
ность юза, и он, как правило, проявляется в форме частичного
проскальзывания колёс по рельсу без резкой потери сцепления,
как это имеет место при механическом торможении.

35. Мощность и коэффициент полезного действия машин
постоянного тока

Баланс мощности в электрических машинах. Энергия, подводи-
мая к электрической машине, всегда больше той энергии, которую она
в состоянии отдать присоединённому к ней потребителю. Так, на-

пример, в генераторе механическая энергия первичного двигателя,
затрачиваемая на приведение но вращение якоря, больше электри-
ческой энергии, отдаваемой генератором во внешнюю сеть. В двига-
теле электрическая энергия, получаемая из сети, больше механи-
ческой энергии, отдаваемой двигателем приводимому механизму.

Преобразование механической энергии в электрическую в гене*
раторе и электрической энергии в механическую в двигателе соп-
ровождается некоторыми потерями энергии, которые выделяются

в виде тепла, нагревая электрическую машину.

Таким образом, для каждой электрической машины можно со-
ставить баланс мощности в виде следующих уравнений:

для генератора

для двигателя

р в р 4. др-
мех 1 эл ‘ 1 ’

Р = р -р др

1 эл 1 мех г г

(56)

(56')

где Рмех — механическая мощность (ь генераторе сна является по-
требляемой мощностью, в двигателе отдаваемой, т. е.
полезной);

Р?г— электрическая мощность (в генераторе она является
отдаваемой мощностью, т. е. полезной, в двигателе —
потребляемой);

ДР — потери мощности.

На фиг. 190 изображены энергетические диаграммы генератора
и двигателя постоянного тока, наглядно показывающие баланс

мощности в этих машинах.

Потери мощности. При работе электрической машины возникают
следующие виды потерь: электрические, магнитные, механические
и добавочные.

а) Электрические потери; они появляются в ре-
зультате того, что обмотка якоря и обмотка возбуждения обладают

Фиг. 190. В генераторе электрическая мощность, отдаваемая потребителю,
меньше механической мощности, забираемой от первичного двигателя.
В двигателе — механическая мощность, отдаваемая рабочему механизму
(колёсной паре, станку), меньше электрической мощности, потребляемой
из сети

определённым сопротивлением, препятствующим протеканию по
ним электрического тока. Эти потери называются потерями в меди;
как было установлено в § 16, они пропорциональны сопротив-
лению данной обмотки и квадрату протекающего по ней тока, т. е.
сильно возрастают с увеличением нагрузки машины. Потери в меди
14 Заказ 1216 209
вызывают нагрев проводов обмоток якоря и возбуждения. К элект-
рическим потерям относятся также потери, возникающие при про-
текании тока через щётки и через переходное сопротивление меж-
ду щётками и коллектором; эти потери вызывают нагрев коллекто-
ра и щёток.

б) Магнитные потери, или потери в с та л и; они воз-
никают в сердечнике якоря и сердечниках полюсов (главным образом
в полюсных наконечниках) в результате перемагничивания стали
этих сердечников и образования внутри них вихревых токов. Пере-
магничивание стали сердечника якоря происходит потому, что при
вращении якоря каждая его точка попеременно проходит то иод
северным, то под южным полюсами. Перемагничивание стали
полюсных наконечников вызывается непрерывной пульсацией

Фиг. 191. Схема позникновения поперечных пазовых потоков:
а—от потока реакции якоря: б—от главного потока машины

магнитного потока в воздушном зазоре машины при вращении
зубчатого якоря (см. подробнее § 27). Магнитные потери возни-
кают также и в стальных бандажах, укрепляющих обмотку якоря,
которые при вращении якоря пересекают силовые линии магнит-
ного поля машины. Потери в стали вызывают нагрев сердечников
якоря и полюсов; они почти не зависят от нагрузки машины, но резко
возрастают с увеличением чистоты перемагничивания, т. е. скорости
вращения .якоря.

в) Механические потери; они возникают в резуль-
тате трения в подшипниках, трения щёток по коллектору и трения
деталей машины о воздух в процессе вентиляции. Эти потери вызы-
вают нагрев подшипников, коллектора и щёток; с увеличением на-
грузки они возрастают незначительно. При повышении скорости
вращения якоря механические потери возрастают.

г) Д о б а в о ч н ы е потери; они возникают при нагрузке
машины в результате появления в проводниках обмотки якоря вих-
ревых токов. Последние появляются под действием ряда причин,
главными из которых являются изменение тока в проводниках
обмотки якоря в процессе коммутации и возникновение так назы-
ваемых поперечных пазовых потоков.

На фиг. 191 ,а показана схема прохождения поперечного потока
реакции якоря через зубцово*пазовый слой машины. Как видно
210
из этой схемы, поток реакции якоря образует поперечные пазо-
вые потоки, пронизывающие расположенные в пазах проводники.
При вращении якоря каждый паз непрерывно перемещается, про-
ходя под различными полюсами, всл едствие чего всё время изме-

Фиг. 192. Э. д. с. самоиндукции, индуктированная в якорных провод-
никах поперечными пазовыми потоками, вытесняет электрический
ток в верхнюю часть проводников

Фиг. 193. При транспозиции
проводников э. д. с., индуктиро-
ванные в нх расчленённых ча-
стях, взаимно компенсируются
и условия прохождения по ним
?ока становятся одинаковыми

няется и величина пронизывающего его поперечного потока. По-
перечные пазовые потоки возникают и от главного магнитного
потока машины, силовые линии которого проходят через пазы,
частично в поперечном направле-
нии (фиг. 191, б).

Поперечные пазовые потоки при
своём изменении индуктируют в
якорных проводниках вихревые
токи и э. д. с. самоиндукции
(фиг. 192,а), которые стремятся про-
тиводействовать прохождению по
этим проводникам тока нагрузки.
В нижних слоях каждого проводни-
ка индуктируются большие э. д. с.,
чем в верхних, так как их охваты-
вает большее количество силовых
магнитных линий (от верхней части
проводника до рассматриваемого
слоя — фиг. 192,6). Поэтому ток,
проходящий по якорным проводни-
кам, несколько вытесняется в его
верхнюю часть. В этом отношении
условия прохождения тока по

проводникам обмотки якоря аналогичны условиям прохождения
переменного тока, который, как эго будет подробно рассмотрено
ниже, всегда стремится проходить по наружным слоям проводника.
Неравномерное распределение тока по поперечному сечению про-
водника создаёт добавочные потери мощности, так как при этом как
бы уменьшается величина поперечного сечения и увеличивается
электрическое сопротивление якорных проводников.

Для уменьшения дополнительных потерь, связанных с этим яв-
лением, применяют так называемую транспозицию проводников,
т. е. расчленение их на ряд параллельных проводников с взаимным
перекрещиванием в пазу (фиг. 193). В этом случае каждый про-
водник располагается частично в верхней, а частично в нижней
части паза; поэтому электродвижущие силы, индуктированные в
расчленённых частях перекрещенных проводников, взаимно ком-
пенсируются, и условия прохождения тока по расчленённым

частям проводника оказываются одинаковыми.

Коэффициент полезного действия. Соотношение между по-
требляемой и отдаваемой машиной мощностями характеризуется

для двигателя

Фиг. 194. График изме-
нения коэффициента по-

коэффициентом полезного действия, кото-
рый обозначается буквой т; (эта). Для
генератора к. п. д. будет равен

Коэффициент полезного действия всегда

лезного действия маши- меньше единицы из-за наличия потерь.

ны постоянного тока
в зависимости от на-
грузки

К. п. д. стационарных машин постоянного
тока колеблется в зависимости от мощности
машин в пределах 0,75 — 0,95 (машины
большой мощности имеют более высокий

к. п. д.). К. п. д. тяговых двигателей составляет 0,90 —0,92;

к. п. д. тепловозных генераторов 0,94—0,95.

Характер изменения к. п. д. при изменении нагрузки машины

показан на фиг. 194.

При холостом ходе полезная мощность равна нулю, поэтому
к. п. д. тоже равен нулю. При малых нагрузках магнитные и меха-
нические потери, оставаясь постоянными, имеют относительно боль-
шую величину по сравнению с полезной мощностью и к. п. д. незна-
чителен. В дальнейшем, с увеличением нагрузки, полезная мощность

увеличивается, магнитные и механические потери изменяются при
этом мало и хотя электрические потери растут, но сказываются при
эксплуатационных нагрузках сравнительно слабо; в результате
к. п. д. увеличивается. Максимальную величину к. п. д. машина
имеет при номинальной мощности. При перегрузке к. п. д. начи-
нает падать, так как рост электрических потерь, пропорциональ-
ный квадрату тока, т. е. /3, начинает превышать прирост па-
лезной мощности, пропорциональный только первой степени от
тока, т. е. /.

Нагревание электрических машин. Тепло, выделяющееся в элек-
трической машине, частично затрачивается на повышение темпера-
туры машины, а частично отдаётся в окружающую среду. Чем
больше превышение температуры машины над температурой ок-
ружающей среды, тем энергичнее идёт теплоотдача, поэтому при
некоторой определённой температуре устанавливается тепловое
равновесие: в машине выделяется столько же тепла, сколько она
отдаёт в окружающую среду.

Температура, при которой наступает тепловое равновесие, назы-
вается длительной, или установившейся, температурой машины

Фиг. 195. Графики повышения температуры электрической машины
при различных нагрузках (а) и снижения температуры при снятии
нагрузки(б)

(фиг. 195, а). Машина может работать при данной нагрузке сколь
угодно долгое время без дальнейшего повышения температуры.

Очевидно, что при увеличении нагрузки машины возрастают
потери и количество выделяемого тепла и повышается её устано-
вившаяся температура.

Следовательно, чем больше мощность, отдаваемая машиной, тем
выше её установившаяся температура. При снятии нагрузки
температура машины постепенно снижается; вначале это снижение
идёт быстро, а затем скорость понижения температуры уменьшается
(фиг. 195, б).

Температура, при которой может нормально работать электри-
ческая машина, строго ограничена теплостойкостью её деталей.
Особенно чувствительны к повышению температуры изоляционные
материалы, применяемые в электрических машинах, и, в частности,
изоляция проводов их обмоток. Поэтому тепловое равновесие в ма-
шине должно устанавливаться при такой температуре, которая не
вызывает разрушения изоляции; однако постепенный износ изоля-
ими, её «старение» неизбежны. Чем выше допускаемая предельная
температура отдельных частей, тем меньше срок службы электри-
ческой машины вследствие «старения» её изоляции и тем менее надёж-
на она в эксплуатации. Но, с другой стороны, чем выше эта темпе-
ратура, тем больше можно нагрузить данную машину. Государст-
венными стандартами на электрические машины установлены
предельные значения температуры отдельных их деталей. Эти тем-
пературы выбраны на основании опытов, их соблюдение позволяет
обеспечить достаточно длительную (примерно 15—20 лет) и надёж-
ную работу машины при хорошем использовании материалов.

Предельные температуры определяются применяемым в элект-
рических машинах сортом изоляции (так называемым классом изо-
ляции). Гак, например, в тяговых двигателях и тепловозных гене-
раторах применяется изоляция, состоящая в основном из слюды
(миканита), асбестовой ленты и стеклоткани (см. подробнее § 82).
Предельная температура обмоток якорей и полюсов тяговых дви-
гателей в эксплуатации не должна превышать 145°С. Для обмо-
ток вспомогательных машин электровозов и тепловозов, работаю-
щих в более благоприятных условиях используется изоляция, со-
стоящая из хлопчатобумажных и шёлковых тканей и лент, пропи-
танных изоляционными лаками. Эта изоляция более дешёвая, но
обладает меньшей теплостойкостью и электрической прочностью;
предельная температура обмоток вспомогательных машин, уста-
новленных в кузове локомотива, составляет 115°С.

В последнее время в практику тягового электромашиностроения
внедрены новые виды изоляционных материалов с применением крем-
нийорганнческих соединений повышенной теплостойкости (изоля-
ция классов ВС и СЙ). Такая изоляция позволяет поднять предель-
ную температуру обмоток электрических машин до 18СГС.

Длительная и часовая мощности. В паспорте стационарных
электрических машин обычно указывается их номинальная дли-
тельная мощность, т. е. такая мощность, которую машина может
отдавать неограниченно долго, не перегреваясь ни в одной своей
части свыше значений, допускаемых нормами для изолирующих
материалов.

При работе машины в режиме номинальной длительной! мощности
тепловое равновесие практически достигается через 5—6 час.

Величина номинальной длительной мощности машины зависит от
применяемого сорта изоляции и от интенсивности охлаждения. Чем
выше интенсивность охлаждения, тем большую мощность можно
получить от данной машины без недопустимого её перегрева. Поэтому
в большинстве электрических машин применяется принудительное
охлаждение внутренних деталей воздухом, прогоняемым посторон-
ним вентилятором (при независимой вентиляции), или же вентиля-
тором, насаженным на вал самой машины (при самовентиляции).

Таким образом, основными мероприятиями, обеспечивающими
увеличение мощности, которую можно получить от электрических
машин, является применение более теплостойкой изоляции и ус и*
214
лепие интенсивности их охлаждения. Эти меры широко применяют-
ся в электромашиностроении; благодаря их использованию уда-
лось в течение последних 50 лет уменьшить примерно в 2—4 раза
вес и размеры электрических машин одинаковой мощности.

На короткий срок электрическая машина может быть перегружена
свыше номинальной длительной мощности, так как для повышения её
температуры нужно некоторое время, но перегрузка должна быть
снята прежде, чем температура машины достигнет предельного зна-
чения.

Чем больше перегрузка, тем быстрее возрастает температура и
тем скорее она достигает предельного значения. Поэтому неболь-
шие перегрузки двигатели могут выдерживать сравнительно дли-
тельное время, большие же перегрузки должны быть кратковремен-
ными (см. фиг. 195,а).

При работе тяговых двигателей режим их нагрузки резко меняется
в зависимости от профиля пути и веса поезда; эти условия работы
тяговых двигателей не позволяют характеризовать их работоспособ-
ность одним значением номинальной длительной мощности. Поэтому
наряду с номинальной длительной мощностью для характеристики
тяговых двигателей используют также понятие часовой мощности
(мощность часового режима) и максимальной мощности.

Часовой мощностью называется мощность, при которой маши-
на может работать в течение 1 часа с нормально действующей вен-
тиляцией, не перегреваясь свыше предельной температуры. Эта
мощность, так же как и длительная, ограничивается условиями на-
гревания машины, она позволяет судить о временной перегрузоч-
ной способности двигателя. Токи, соответствующие номинальной
длительной и часовой мощностям, называются длительным и часовым
токами тягового двигателя.

В паспортах тяговых двигателей указывают обычно их часовую
мощность.

Максимальной мощностью тягового двигателя называется мощ-
ность, которую он может кратковременно отдавать (в течение 1 мин.)
без недопустимого искрения под щётками и возникновения кругового
огня; следовательно, она ограничивается условиями коммутации
машины.

В эксплуатации работа тяговых двигателей с часовой мощ-
ностью может иметь место при движении поезда на затяжных подъ-
ёмах. На руководящих подъёмах, проход которых продолжается ме-
нее получаса, обычно реализуется мощность, несколько большая,
чем часовая. При движении на наибольших незатяжных подъёмах
мощность двигателей может превышать часовую на 10—15%. При
пуске электровозов и тепловозов токи тяговых двигателей могут
превышать часовой ток на 60—80%.

Контрольные вопросы

I. Каково назначение электрического генератора и как он работает?
2 Каково назначение электрического двигателя и как он работает?
3. В чём заключается принцип обратимости электрических машин?

4. Что называется коллектором и как он работает?

5. Какие существуют способы уменьшения пульсации тока и напря-
жения?

6. Из каких частей состоят электрические машины постоянного тока
и для чего они предназначены?

7. Как осуществляется охлаждение электрических машин?

8. Каким образом соединяются отдельные проводники якоря в об-
мотку?

9. Какие существуют* способы соединения между собой отдельных
витков обмотки якоря?

10. Чго представляют собой уравнительные соединения обмотки
якоря ?

11. В чём выражаются вредные последствия реакции якоря и как они
устраняются?

12. Как протекает процесс коммутации?

13- Как влияет коммутация на работу электрической машины?

14. Какие существуют способы улучшения коммутации?

15- Какие существуют типы генераторов постоянного тока?

16. Отчего зависит электродвижущая сила и напряжение генератора?

17. Чго представляют собой характеристика холостого хода и внешняя
характеристика генератора?

18. Как устроены генераторы с независимым, параллельным, последо-
вательным и смешанным возбуждением? Области их применения.

19. Как устроена генераторная установка тепловоза?

20. Какими способами и как производится автоматическое регулирова-
ние тепловозного генератора?

21. Какие существуют типы двигателей постоянного тока?

22. Как определяется вращающий момент и электродвижущая сила
двигателя постоянного тока?

23. Как определяется скорость вращения двигателя постоянного тока
и какими способами осуществляется регулирование скорости?

24. Как пускается в ход двигатель постоянного тока?

25. Что представляют собой двигатели с параллельным, последователь-
ным и смешанным возбуждением? Их пригодность для целей тяги.

26. Какие применяются способы управления электрическими двигате-
лями на электрическом подвижном составе и тепловозах?

27. Какие потери мощности возникают в машинах постоянного тока
и в результате чего они появляются?

28. Как изменяется коэффициент полезного действия в машинах по-
стоянного тока при изменении нагрузки?

29. Чем определяется мощность, которую можно получить от элект-
рической машины?

30. Что такое длительная и часовая мощности?
ГЛАВА V

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

36. Электрический ток в жидких проводниках

Химические источники тока представляют собой устройства,
в которых энергия химических реакций преобразуется в электри-
ческую энергию.

К химическим источникам тока относятся гальванические эле-
менты и аккумуляторы. Для того чтобы понять работу химического

источника тока, рассмотрим,
каким образом проходит элект-
рический ток через жидкие
проводники.

Прохождение тока через
жидкие проводники. В жидких
проводниках (электролитах)
происходит непрерывный само-
произвольный распад молекул
на составные части. Например,
при растворении медного купо-
роса Сп8О4 в воде его молеку-
лы распадаются на положи-
тельные ионы меди Си и отри-
цательные ионы $О4 (так назы-
ваемый кислотный остаток).
Этот процесс называется элект-
ролитической диссоциацией. В
электролите происходит беспо-
рядочное движение ионов и
молекул; ионы соединяются,
образуют молекулы, вновь рас-
падаются и т. д. В целом такой
раствор является электрически
нейтральным, так как в нём со-
держится одинаковое количе-
ство положительных и отрица-
тельных ионов.

Источник
тока

Фиг. 196. В жидких проводниках
(электролитах) электрический ток
создаётся направленным движе-
нием ионов, на которые распада-
ются молекулы электролита; поток
положительных ионов движется к
катоду, а поток отрицательных
ионов — к аноду

Однако если жидкий проводник поместить в электрическое
поле (фиг. 196), созданное, например, с помощью двух заряженных
медных пластин А и /< (называемых электродами), то на поло-
жительные и отрицательные ионы начнут действовать электри-
ческие силы. При этом положительно заряженные ионы (ионы
меди Си) устремятся к пластине К, соединённой с отрицательным
полюсом источника тока и называемой катодом, а отрицательно
заряженные ионы (ионы кислотного остатка 8О4) — к пластине /1,
соединённой с положительным полюсом источника тока и называе-
мой анодом.

Это упорядоченное движение заряженных частиц—ионов и будет
представлять собой электрический ток в жидких проводниках.
Следовательно, ток в жидких проводниках существенно отличается
от тока в металлах. Вместо лёгких электронов здесь движутся
в тысячи и десятки тысяч раз более тяжёлые ионы, и электрический
ток образуется благодаря действию двух встречных потоков заря-
женных частиц — потока положительных ионов, идущих к катоду,
и потока отрицательных ионов, идущих к аноду.

Электролиз. Подходя к катоду, положительные ионы меди за-
бирают у него электроны и превращаются в молекулы меди,
которые в виде тончайшего слоя откладываются на катоде, Отри-
цательные ионы кислотного остатка 8О4 отдают излишние элек-
троны аноду и вступают в химическую реакцию с его материалом,
образуя в данном случае (при медном аноде) молекулы медного
купороса, которые поступают в электролит.

Таким образом, при прохождении электрического тока через
раса воры происходит процесс разложения электролита на составные
части, сопровождаемый выделением химических веществ на электро-
дах. Этот процесс носит название электролиза. Электролиз широко
используется в технике. С помощью электролиза производят хроми-
рование, никелирование, золочение, серебрение металлических
предметов и покрытие их другими металлами. Таким же путём полу-
чают в чистом виде многие цветные металлы — медь, алюминий,
цинк и др., и некоторые газы — водород, хлор и пр.

37. Гальванические элементы

Возникновение э. д. с. в гальваническом элементе. На фиг. 197,а
показана схема простейшего медно-цинкового гальванического
элемента Вольта. Он состоит из двух пластин (электродов) — цин-
ковой и медной, опущенных в водный раствор серной кислоты
Н28О4, называемый электролитом.

При растворении серной кислоты в воде происходит процесс
электролитической диссоциации, т. е. часть молекул кислоты распа-
дается на положительные ионы водорода П2 и отрицательные ионы
кислотного остатка 8О4. Одновременно происходит растворение
цинкового и медного электродов в серной кислоте.

При растворении цинкового электрода положительные ионы
цинка будут переходить в раствор, заряжая его положительно.
При этом на цинковом электроде будут скапливаться оставшиеся от
молекул цинка свободные электроны, вследствие чего этот электрод
218
приобретёт некоторый отрицательный потенциал. Медный электрод
также отдаёт часть своих положительных ионов в раствор. Однако
растворимость цинка значительно больше растворимости меди,
вследствие чего отрицательный потенциал цинкового электрода
будет гораздо больше потенциала медного электрода.

В результате этого процесса между электродами установится
некоторая разность потенциалов, представляющая собой электро-
движущую силу (э. д. с.) гальванического элемента, которую можно
использовать для получения электрического тока.

Потребители

Ионы бэдорида

Медный
электрод

Электролит

Цинкобый
электрод

Движение
и он с 6 В эле-
ктролите

Цинковый.
\ электрод

Медный
электрод

Ионв! цинка к п
Медный,
электрод

отрицательный

©положите поно>й
ион двдеродо Л?
положительный
ион цинка Ил

Фиг. 197. При разомкнутой внешней цепи между электродами и электро-
литом создаётся некоторая разность потенциалов Под влиянием этой
разности потенциалов при замыкании внешней цепи по ней и внутри
элемента начинает протекать электрический ток

Э. д. с., создаваемая гальваническим элементом, зависит от
химических свойств электролита и металлов, из которых выполнены
электроды. Обычно подбирают такие комбинации металлов и
электролита, при которых э. д. с. имеет наибольшее значение;
однако почти во всех применяемых элементах она не превышает
1,3 — 1,5 в.

При подключении к электродам (полюсам) гальванического
элемента какого-либо потребителя (фиг. 197, б) по внешней цепи
начнётся движение электронов от цинка к меди. Е электролите
в это время начнётся движение положительных ионов цинка 2п и
водорода Н2 от цинковой пластины к медной и отрицательных
ионов кислотного остатка 8О4 от медной пластины к цинковой.
Но так как за направление тока в цепи принимают направление,
обратное движению электронов, то, следовательно, направ-
ление тока во внешней цепи будет от меди к цинку. В соответствии
с этим конец медного электрода называется положительным полю-
сом ( + ) элемента, а цинкового — отрицательным (—). Ток внутри
элемента направлен от цинковой пластины к медной.

Поляризация. Рассмотренный гальванический элемент Вольта
очень недолговечен вследствие возникающего в нём вредного явле-
ния поляризации.

Сущность этого явления заключается в следующем.

Положительные ионы цинка, перешедшие с цинкового электрода
в раствор, соединяются с отрицательными ионами кислотного остат-
ка 2О4, образуя молекулы сернокислого цинка 7п8О.р Имеющиеся
же в растворе положительные ионы водорода направляются к мед-
ному электроду и отнимают у него свободные электроны, подходя-
щие к этому электроду по внешней цепи. В результате заряды ионов
водорода и свободных электронов взаимно нейтрализуются, и на
поверхности медного электрода выделяются нейтральные атомы
водорода в виде пузырьков газа. Атомы водорода покрывают
поверхность медного электрода сплошным слоем пузырьков, от-
деляя его от электролита, и препятствуют подходу к нему новых
ионов; при этом резко возрастает внутреннее сопротивление эле-
мента и снижается величина его э. д. с.

Для борьбы с вредным явлением поляризации все гальванические
элементы снабжают специальными веществами (перекись марганца
и др ), которые легко вступают в химическую реакцию с водородом и
поглощают его. Эти вещества называются деполяризаторами. Депо-
ляризатор располагается вокруг положительного электрода и по-
глощает подходящие к нему ионы водорода, не позволяя им осаж-
даться на этом электроде.

В практике используются гальванические элементы различных
типов (с различными электродами и электролитом), имеющие раз-
ное конструктивное выполнение.

Наиболее распространены угольно-цинковые элементы, в кото-
рых угольный и цинковый электроды погружены в раствор наша-
тыря или поваренной соли, а в качестве деполяризатора приме-
няется перекись марганца.

Сухие элементы. Разновидностью гальванического элемента
является так называемый сухой элемент (фиг. 198), применяемый,
например, в батареях карманных электрофона рей, батарейных
радиоприёмниках, в устройствах СЦБ и связи и пр. В этом элементе
жидкий электролит заменён тестообразной массой, состоящей из
раствора нашатыря, смешанного с древесными опилками и крах-
малом, а цинковый электрод выполнен в виде цилиндрической
коробки, используемой в качестве сосуда, в котором помещаются
все детали гальванического элемента.

Для отвода газов, образующихся при работе элемента, в нём
предусмотрена газоотводная трубка.
। глипк
« 11X1111

• ХН||1 ।

Гааоотоодноя
трубка

+ Смоляная залибка

Деполяризатор

Угольный
электрод
картонный
срутляр

инмкабмй мектрол

Фиг. 198. Устройство сухого галь-
ванического элемента

Ёмкость. Способность химических источников тока отдавать
электрическую энергию характеризуется их электродвижущей
силой и ёмкостью. Под ёмкостью понимают количество электри-
ческой энергии, запасённой в гальванических элементах или акку-
муляторах.

Ёмкость измеряется в ампер-часах: она равняется произве-
дению номинального (расчётного) разрядного тока (в амперах),
отдаваемого химическим источником тока при подключении к
нему нагрузки, на время (в часах)
до того момента, пока его э. д. с.
не достигнет минимально допусти-
мой величины.

При длительной работе коли-
чество электроэнергии, которое
может отдать гальванический эле-
мент, уменьшается, так как посте-
пенно расходуются имеющиеся в
нём активные химические вещества,
обеспечивающие возникновение
э. д. с.; при этом уменьшается э. д. с.
элемента и его емкость и возрастает
его внутреннее сопротивление.

Гальванический элемент обла-
дает номинальной ёмкостью только
в том случае, если после его
изготовления прошло сравнительно

небольшое время. Даже если гальванический элемент не отдаст
электрической энергии (находится на хранении), ёмкость его
постепенно уменьшается (после 10 — 12 месяцев хранения ёмкость
сухих элементов уменьшается на 20 — 30%). Это объясняется тем,
что химические реакции в таких элементах протекают непрерывно
и запасённые в них активные химические вещества всё время
расходуются. Уменьшение ёмкости химических источников тока
с течением времени называется саморазрядом. Ёмкость гальваниче-
ского элемента снижается также при разряде его слишком боль-
шим током.

Тестообразная
паста

V (суаой электролит)

38. Аккумуляторы

Принцип действия. Аккумулятором называется химический
источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в
себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать её
во внешнюю цепь

Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происхо-
дит при пропускании по нему тока от постороннего источника
(фиг. 199,а). Процесс этот, называемый зарядкой аккумулятора, со-
провождается превращением электрической энергии в химическую,
в результате чего аккумулятор сам становится источником тока.
При разряде аккумулятора (фиг. 199, 5) происходит обратное
превращение химической энергии в электрическую.

Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению
с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он при-

Фиг. 199. При зарядке аккумулятор под-

ключается к постороннему источнику тока
и в нем накапливается электрическая
энергия: при разряде он сам является
источником тока и способен отдавать

электрическую энергию

ходит в полную негод-
ность; аккумулятор же по-
сле разрядки может быть
вновь заряжен, и будет
служить источником элект-
рической энергии.

В зависимости от рода
электролита аккумуляторы
разделяются на кислотные
и щелочные.

Кислотный акку-
мулятор

Устройство. В аккуму-
ляторе этого типа электро-
дами являются свинцовые
пластины, покрытые так
называемыми активными

массами. Активной массой положительного электрода (анода)
служит перекись свинца РЬОг, а активной массой отрицательного
электрода (катода) чистый (губчатый) свинец РЬ. В качестве

Фиг. 200. Положительные и отрицательные
аккумулятора

вы&одной

пластины кислотного

электролита используется 25 — 34%-ный раствор серной кисло-
ты Н25О4. в воде.

Положительные пластины отливаются из чистого свинца и
имеют с обеих сторон ребристую поверхность (фиг. 200, а). Посред*
222
ством специальной химической обработки поверхностный слой этих
пластин превращается в перекись (двуокись) свинца РЬО2 и при-
обретает коричневый цвет. Этот процесс носит название формовки
аккумулятора.

В аккумуляторных батареях, применяемых на электрическом

подвижном составе, каждая положительная пластина заключается
в специальный эбонитовый панцырь (чехол). Панцырь надёжно

удерживает активную массу
пластины от осыпания при
тряске и толчках; для сообще-
ния же активной массы пластин
с электролитом в панцыре име-
ются горизонтальные прорези
шириной около 0,25 мм.

Отрицательные пластины
имеют остов в виде свинцовой
решётки, ячейки которой запол-
няются пастой (фиг. 200, б), при-
готовленной из порошка пере-
киси свинца РЬО2, смешанного
с различными веществами, спо-
собствующими повышению по-
ристости активной массы (сажа,
пемза, стеклянный порошок и
пр.). При формовке перекись
свинца переходит в чистый сви-
нец РЬ, имеющий пористую
структуру и называемый поэто-
му губчатым свинцом; отрица-
тельные пластины при этом
приобретают серый цвет.

Ячейки отрицательных пла-
стин после заполнения пастой

Фиг. 20). Общий вид свинцового
аккумулятора типа ЭП-80, применяе-
мого на электроподвижном составе

закрываются свинцовыми листами с большим количеством отвер-
стий. Эти листы предотвращают возможность выпадения из
пластин активной массы и не препятствуют в то же время до-
ступу к ней электролита.

Для увеличения ёмкости в каждый аккумулятор устанавливают
несколько положительных и отрицательных пластин; одноимён-
ные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым
приваривают выводные штыри.

Блоки положительных и отрицательных пластин устанавливают
в стеклянном или эбонитовом аккумуляторном сосуде (фиг. 201)
так, чтобы между каждыми двумя пластинами одной полярности
располагались пластины другой полярности. По краям аккумуля-
тора ставят отрицательные пластины, так как положительные пла-
стины при установке по краям склонны к короблению. Пластины
отделяют друг от друга сепараторами, выполненными из микропо-
ристого эбонита, выщелоченной ольховой фанеры, стеклянных тру-
бок или какого-либо другого изоляционного материала. Сепара-

торы предотвращают возможность короткого замыкания между

пластинами при их короблении.

Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы
между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свобод-
ное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый
осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей
активной массы пластин в процессе эксплуатации.

Разряд и заряд. При

Потребитель

Отрицательный
электрод

Электролит
^0.

ион 00^

(б? положительный
ион водорода

Фиг. 202. При разряде аккумулятора запа-
сённая в нём химическая энергия в резуль-
тате электрохимических реакций переходит
в электрическую. При этом активные массы
РЬ и РЬО2 на обоих электродах превраща-
ются в сульфат свинца РЬ8О4

Положительный +
электрод

разряде аккумулятора
(фиг. 202) положитель-
ные ионы Н2 и отри-
цательные ионы кислот-
ного остатка 8О4, на
которые распадаются
молекулы серной кис-
лоты Н28О4 электроли-
та, направляются соот-
ветственно к положи-
тельному и отрицатель-
ному электродам и всту-
пают в электрохимиче-
ские реакции с их ак-
тивными массами. При
этом запасённая в ак-
кумуляторе химическая
энергия переходит в
электрическую, и между
его электродами возни-
кает разность потенциа-
лов около 2 в, обеспе-
чивающая прохождение
электрического тока при
замыкании внешней
цепи.

В результате элект-
рохимических реакций,

возникающих при вза-
имодействии ионов водорода Н2 с перекисью свинца РЬОа
положительного электрода и ионов сернокислотного остатка 8О4
со свинцом РЬ отрицательного электрода, образуется сернокислый

свинец РЬ8О4 (сульфат свинца), который осаждается на поверхности
обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется неко-
торое количество воды; поэтому концентрация серной кислоты
понижается, т. е. удельный вес электролита уменьшается

Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного
превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и
истощения электролита. Однако практически разряд прекращают
гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец
представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся
в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому

разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в серно-
около 35% активной массы В этом

кислый свинец перейдёт
случае образовавшийся
сернокислый свинец рав-
номерно распределяется
в виде мельчайших кри-
сталликов в оставшейся
активной массе, кото-
рая сохраняет ещё до-
статочную электропро-
водность, чтобы обеспе-
чить определённое на-
пряжение между пла-
стинами, равное 1,7 —
1,8 в.

Разряженный акку-
мулятор подвергают за-
рядке, т. е. присоеди-
няют к источнику тока
напряжением, большим
напряжения аккуму-
лятора.

При зарядке (фиг.203)
положительные ионы во-
дорода Н2 перемеща-
ются к отрицательному
электроду, а отрица-
тельные ионы серноки-
слотного остатка $О4 к
положительному элект-
роду и вступают в хи-
мическое взаимодействие

Источник така

Отрицательный
электрод

Злектролит
Нг50<,

Фиг. 203. При зарядке электрическая энер-
гия подаётся ог внешнего источника к ак-
кумулятору. В результате электрохимиче-
ских реакций сульфат свинца РЬ8О4, покры-
вающий оба электрода, превращается снова
в активные массы РЬ и РЬОа

отрицательный
ион 60ь

О положительный
ион бадорода

Положительный

с сульфатом свинца РЬ8О4, покры-

вающим оба электрода. В процессе возникающих электрохими-
ческих реакций сульфат свинца РЬ8О! растворяется, и на электро-
дах вновь образуются активные массы: перекись свинца РЬО2
на положительном электроде и губчатый свинец РЬ на отрицатель-
ном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. удель-
ный вес электролита увеличивается.

Полностью заряженный аккумулятор имеет электродвижущую
силу около 2,2 в. Таково же приблизительно и напряжение на его
зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма
мало.

При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро па-
дает до 2 в, а затем медленно понижается до 1,8 в (фиг. 204); при
этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения
аккумулятора.

Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время
в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до своей
средней величины 2 в. Это явление носит название «отдыха» акку-
мулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора

напряжение немедленно понижается; поэтому измерение напряжения
аккумулятора без нагрузки не даёт правильного суждения остепени

разряда.

При зарядке напряжение аккумулятора быстро поднимается
до 2,2 в, затем медленно повышается до 2,3 в и, наконец, снова

Фиг. 204. График изменения
напряжения кислотного ак-
кумулятора при зарядке и
разряде

довольно быстро возрастает до 2,6 —
2,7 в. При 2,4 в начинают выделяться
пузырьки газа, образующегося в ре-
зультате разложения воды на водород
и кислород. При 2,5 в оба электрода
выделяют сильную струю газа, а при
2,6 — 2,7 в аккумулятор начинает как
бы «кипеть». Это «кипение» служит
признаком окончания заряда. При от-
ключении аккумулятора от зарядного
источника тока напряжение его быстро
снижается до 2,2 в.

В эксплуатируемых и неработающих
аккумуляторах происходит явление са-
моразряда, в результате которого они
теряют свою ёмкость (примерно I —
2% в сутки). Для компенсации само-

разряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо пе-

риодически подзаряжать.

При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов,
их клемм и между элементных соединений происходит повы-
шенный саморазряд, быстро истощающий батарею.

Ёмкость, к. п. д., коэффициент отдачи. Ёмкостью аккумулятора

называется количество электричества в ампер-часах, которое может
дать полностью заряженный аккумулятор при разряде его до пре-
дельно допустимого напряжения 1,8 в.

Если, например, в паспорте аккумулятора указана ёмкость
80 ампер-часов и разрядный ток 16 «, то аккумулятор можно разря-
жать таким током в течение 80 : 16 — 5 час.

Ёмкость определяется количеством активной массы пластин
и электролита, т. е. размерами аккумулятора.

За номинальное значение ёмкости в аккумуляторных батареях
электровозов принимают ёмкость при 5-часовом разрядном режиме,
т. е. при разрядке аккумулятора таким током, при котором он
разряжается до напряжения 1,8 в в течение 5 час. В аккумулятор-
ных батареях тепловозов номинальным значением ёмкости считается
ёмкость при 10-часовом разрядном режиме. При увеличении раз-
рядного тока ёмкость аккумулятора понижается. Так например,
аккумуляторы, устанавливаемые на электровозах и моторных ва-
гонах (аккумуляторные батареи ЭП-80), при номинальном разряд-
ном токе 16 а разряжаются до напряжения 1,8 в за 5 час., т. е. ём-
кость их составляет:

16а х 5 час. = 80 а-ч.

Если же разряжать такой аккумулятор током 22 а, то он раз-
рядится до напряжения 1,8 в за 3 часа, а при токе 48 а — за 1 час.

Ёмкость аккумулятора будет при этом составлять:

При разрядном токе 22 а .........22 а X 3 часа = 66 а-ч

» » » 48 а ....... 48 а X I час =48 а-ч

При понижении температуры ёмкость аккумулятора умень-
шается, так как понижается способность электролита проникать
в поры пластин.

С приближением к точке замерзания ( — 40 С 4—45°С) напря-
жение и ёмкость аккумулятора падают почти до нуля. При повы-
шении температуры ёмкость аккумулятора увеличивается; однако
при достижении 40 4- 50°С усиливается саморазряд в аккумулято-
рах и сокращается срок их службы.

В процессе эксплуатации аккумулятора при многократных за-
рядах и разрядах поры пластин постепенно закрываются, и актив-
ная масса спекается и частично отпадает от пластин. Это приводит
к снижению ёмкости аккумулятора.

Экономичность работы аккумулятора характеризуется его
коэффициентом полезного действия (к. п. д.) и коэффициентом
отдачи.

Коэффициентом полезного действия аккумулятора называется
отношение количества энергии в киловатт-часах, полученной от
него при разряде, к количеству энергии, затраченной пр и зарядке.
Для кислотных аккумуляторов к. п. д. равен 65 — 75%.

Коэффициентом отдачи аккумулятора называется отношение
количества электричества в ампер-часах, отданного при разряде
аккумулятора, к количеству электричества, полученному при за-
рядке. Величина его для кислотных аккумуляторов составляет
85 — 90%.

Уход за аккумуляторами. Свинцовые аккумуляторы быстро
теряют ёмкость или даже приходят в полную негодность при не-
правильной эксплуатации. Батарея аккумуляторов должна быть
всегда чистой, а вводные зажимы для предохранения от окисления
покрыты тонким слоем технического вазелина.

Периодически нужно проверять уровень электролита и степень
заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периоди-
чески заряжаться. Хргтнение незаряженных аккумуляторов
недопустимо.

При неправильной эксплуатации аккумуляторов (чрезмерный
разряд ниже 1,7—1,8 в, систематический недозаряд, неправиль-
ное проведение заряда, длительное хранение незаряженного акку-
мулятора, понижение уровня электролита, чрезмерная плотность
элетролита) происходит повреждение их пластин, называемое
сульфатацией. Это явление заключается в переходе мелкокристал-
лического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде,
в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения,
которые при зарядке не переходят в перекись свинца РЬОг и
свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для
эксплуатации.

Щелочной аккумулятор

Устройство. В щелочном аккумуляторе активная масса поло-
жительного электрода состоит из гидрата окиси никеля КЧ(ОН)з,
а активная масса отрицательного электрода—из губчатого железа Ре
(железо-никелевые аккумуляторы) или из смеси губчатого кадмия
Сс1 и губчатого железа Ре (кадмиево-никелевые аккумуляторы).
Электролитом служит 20%-ный раствор едкого кали КОН.

Положительные пластины

Отрицательные пластины

[пиришип
железа )

Фиг. 205. Положительные и отрицательные пластины щелочного
(железо-никелевого) аккумулятора

В последнее время наша промышленность начала выпускать
щелочные аккумуляторы с так называемым составным электро-
литом, состоящим из раствора едкого кали с примесью едкого лития.
Эта примесь значительно увеличивает ёмкость и срок службы
аккумулятора.
Железо-никелевые аккумуляторы, выпускаемые отечественной
промышленностью, имеют обозначение ЖН, кадмиево-никелевые —
КН.. Оба электрода в этих аккумуляторах изготовляют в виде
стальных никелированных решёток (фиг. 205), в ячейки которых
впрессованы наполненные активной массой карманы из никелиро-
ванной жести с большим количеством мелких отверстий для
доступа электролита к активной массе. Каждая отрицательная
пластина расположена между двумя положительными; для предот-
вращения короткого замыкания между ними устанавливают сепа-
раторы, выполненные в виде эбонитовых стержней. Сосуд, в котором
помещают пластины (фиг. 206) и электролит, также изготовляется
из никелированной жести и имеет приваренную крышку с отвер-
стиями для выводных токопроводящих штырей и для выхода газов

Фиг. 206- Общий вид щелочного
аккумулятора

и наливания электролита.
Для придания сосуду
механической прочности
стенки его выполняют гоф-
рированными.

Разряд и заряд. При
разряде щелочного акку-
мулятора гидрат окиси ни- блоки

келя Ы1(ОН)з на положи- пластин
тельном электроде, взаи-
модействуя с ионами элект-
ролита, переходит в гидрат
закиси никеля КТ1(ОН)2, а
железо или кадмий отри-
цательного электрода пре-
вращаются в гидрат окиси
железа Ге(ОН)2 или гидрат
окиси кадмия Сс1(ОН)2.
В процессе возникающих
при этом электрохимиче-
ских реакций химическая
энергия переходит в элект-

рическую и между электродами возникает разность потенциалов
около 1,5 в, обеспечивающая протекание тока по внешней цепи и
внутри аккумулятора.

Электролит в процессе электрохимических реакций не расходует-
ся, поэтому плотность его при работе щелочного аккумулятора не
изменяется.

При зарядке аккумулятора под действием электрической энер-
гии, подводимой от внешнего источника тока, происходит окисление
активной массы положительных пластин, сопровождаемое перехо-
дом гидрата закиси никеля М1(ОН)2 в гидрат окиси никеля МЦОН)3.
В то же время активная масса отрицательных пластин восстанавли-
вается с образованием губчатого железа Ге или губчатого кадмия
Сс1.
Полностью заряженный аккумулятор имеет электродвижущую
силу около 1,45 в. Вследствие большого внутреннего сопротивления
его напряжение при разряде значительно меньше этой величины,
а при зарядке значительно больше. При разряде напряжение аккуму-
лятора довольно быстро падает до 1,3 в, а затем медленно умень-
шается до 1,1 в (фиг. 207); при этом напряжении разряд следует
прекращать.

При зарядке напряжение с 1,6 в быстро поднимается до
1,75 в, затем несколько падает и далее медленно повышается до
1,85 в. Зарядку щелочного аккумулятора ведут до тех пор, пока ему
не будет сообщено требуемое количество ампер-часов (согласно
паспортным данным).

Выделение газа у щелочных аккумуляторов не является при-
знаком конца заряда; однако при бурном газовыделении необходи-
мо уменьшить величину зарядного тока.

Щелочные аккумуляторы, как правило, лучше перезарядить,
чем недозарядить, так как глубокие разряды и неполные заряды
способствуют преждевременному вы-
ходу их из строя Повышение темпе-
ратуры свыше 45° также приводит
к быстрому разрушению активной
массы электродов.

Ёмкость, к. п. д., коэффициент
отдачи. Ёмкость щелочного аккуму-
лятора, как и кислотного, зависит
от количества имеющейся в нём ак-
тивной массы, т. е. от размеров его
пластин.

Величина ёмкости этого аккуму-
лятора мало меняется при изменении
величины разрядного тока; при раз-
ряде током свыше номинального она
несколько понижается.

Фиг. 207. График изменения
напряжения щелочного акку-
мулятора при зарядке и
разряде

Коэффициент отдачи щелочного аккумулятора равен 75 —
80%, а коэффициент полезного действия 55 — 65 %<

Сравнение с кислотными аккумуляторами. Щелочные аккуму-
ляторы имеют ряд преимуществ перед кислотными. Они обладают
большой механической прочностью, мало чувствительны к толчкам
и сотрясениям, имеют меньший вес и требуют значительно меньшего
ухода. Благодаря большому внутреннему сопротивлению эти ак-
кумуляторы менее чувствительны к коротким замыканиям и имеют
малый саморазряд.

Недостатком щелочных аккумуляторов является меньшее, чем
у кислотных, напряжение, а также меньший коэффициент отдачи
и к. п. д; поэтому довольно большая часть электрической энергии,
полученной аккумулятором при зарядке, бесполезно теряется в его

внутреннем сопротивлении.
Контрольные вопросы

I. Что представляют собой химические источники тока?
2. Что представляет собой электрический ток в жидких проводниках?
3. Что такое электролиз?
4. Как возникает э. д. с. в гальваническом элементе?
5. Что такое поляризация?
е. яется? Что такое ёмкость химического источника тока и в чём она изме-
7. Что представляют собой аккумуляторы и какие они бывают?
8 Как устроены кислотные аккумуляторы?
9. Как устроены щелочные аккумуляторы?
10. Как разряжаются и заряжаются аккумуляторы?
ГЛАВА VI

ОДНОФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

39. Получение переменного тока

Характер изменения переменного тока. Электрический ток,
применяемый в электротехнических устройствах, может иметь
различный характер.

В главе II мы рассмотрели действие так называемого постоян-
ного тока, получаемого от гальванических элементов, аккумуля-
торов или специальных генераторов постоянного тока. Постоянным
он называется потому, что этот ток проходит по электрической
цепи всё время в одном направлении и не изменяет с течением вре-
мени своей величины. Графически зависимость величины этого
тока от времени может быть представлена в виде прямой линии
(фиг. 208, а).

Фиг. 208. Постоянный ток не изменяет с течением времени свою величину
и направление. При переменном гоке электроны периодически изменяют
направление своего движения, а количество движущихся электронов всё
время изменяется

Однако в большинстве случаев в промышленности используют так
называемый переменный ток. Переменный ток в отличие от постоян-
ного непрерывно изменяет свою величину и направление, причём
эти изменения происходят периодически, т. е. через равные про-
межутки времени (фиг. 208, б). Физически переменный ток пред-
ставляет собой процесс периодического изменения направления
движения электронов.
Чтобы получить такой ток, используют источники электрической
энергии, создающие переменную э. д. с., периодически изменяющую-
ся по величине и направлению; такие источники называются гене-
раторами переменного тока.

Принцип получения переменного тока. Простейшим генератором
переменного тока может служить виток, вращающийся в магнитном
поле (фиг. 209).

Пользуясь правилом правой руки, легко определить, что в про-
цессе вращения витка величина и направление э. д. с., индукти-
рованной в рабочих участках аб и вг витка, а следовательно, величина
и направление протекающего по замкнутой цепи тока, непрерывно
изменяются.

Фиг. 209. Простейшим генератором переменного тока является виток,
вращающийся в магнитном поле. При вертикальном положении витка его
рабочие части аб и сг пересекают силовые линии поля и в них индукти-
руется э. д. с.; при горизонтальном положении витка его рабочие части
скользят вдоль силовых линий и э. д. с. в них не индуктируется

Рассмотрим несколько отдельных положений витка (фиг. 210).

В момент времени /, когда виток находится в горизонтальном
положении, его рабочие участки как бы скользят вдоль силовых
магнитных линий, не пересекая их; поэтому в этот момент э. д с.
в них не индуктируется.

На графике, показывающем изменение э. д. с. в процессе по-
ворота витка (см. фиг. 210), нулевое значение э. д. с. изобразится
точкой 1.

При дальнейшем повороте витка стороны его начинают пере-
секать магнитные силовые линии. По мере увеличения угла пово-
рота увеличивается и число силовых линий, пересекаемых сторо-
нами витка в единицу времени, и соответственно возрастает индук-
тированная в витке э. д. с. На графике это возрастание э. д. с. изобра-
жается плавной, поднимающейся вверх кривой.

В момент времени 2 виток пересекает наибольшее число силовых
магнитных линий, так как его рабочие участки 1 п 2 движутся
перпендикулярно силовым линиям магнитного поля; в этот момент
э. д. с. достигает своего максимального значения.
На графике это значение э. д. с. соответствует точке 2.

При дальнейшем вращении витка число пересекаемых силовых
линий уменьшается и соответственно уменьшается индуктирован-
ная в витке э. д. с. В момент времени 3 рабочие участки витка
опять как бы скользят вдоль магнитных силовых линий, в резуль-
тате чего э.д. с. опять будет равна нулю (точка 3 на графике изме-
нения э. д. с.).

Затем рабочие участки 1 и 2 витка вновь начинают пересекать
магнитные силовые линии, но уже в другом направлении; поэтому
в витке появляется э. д. с. противоположного направления.
График учитывает изменение направления э. д. с. тем, что кривая

Фиг. 210. За один поворот витка индуктируемая в нём э. д. с. изменяется
по волнообразной кривой, называемой синусоидой

э. д. с. пересекает ось времени и располагается ниже этой оси»
В момент времени 4 при вертикальном расположении витка э. д. с.
достигает максимального значения (точка 4 на графике изменения
э. д. с.), далее она вновь уменьшается и в момент времени 5 снова
становится равной ну аю (точка 5 на графике изменения э. д. с.),
как это было в момент начала вращения.

При дальнейшем движении витка с каждым новым оборотом
описанный выше процесс индуктирования э. д. с. будет повторяться.
Следовательно, э. д. с. и ток в цепи, подключённой к рассматривае-
мому витку, будут переменными.

График полученной таким путём э. д. с. имеет вид кривой, изоб-
ражённой на фиг. 210. Такая кривая называется синусоидой, а токи,
э. д. с. и напряжения, изменяющие свою величину и направление по
закону синусоиды, называются синусоидальными.

В современных генераторах переменного тока магниты или эле-
ктромагниты обычно располагаются на вращающейся части маши-
ны— роторе, а витки, в которых индуктируется переменная э. д. с.,
размещаются на неподвижной части генератора — статоре.
Источник переменного тока можно сравнить с поршневым насо-
сом (фиг 211), который непрерывно перекачивает воду по замкну-
тому пути то в одну, то в другую сторону. Подобно этому под влия-
нием переменной э д. с. непрерывно перемещаются то в одном, то
в другом направлении по замкнутой электрической цепи и свобод-
ные электроны, причём количество перемещающихся электронов

Фиг. 211. Подобно тому, как поршневой насос перекачивает волу по
замкнутому трубопроводу то в одну, то з другую сторону, так и источник
переменного тока непрерывно перемещает электроны по замкнутой электри-
ческой цепи то в одном, то в другом направлении

Работа потребителей при переменном токе. Возникает вопрос,
как обеспечивается работа потребителей при переменном токе?

Если подключить к генераторз^ переменного тока электрическую
лампочку (см. фиг. 209), то нить лампочки будет периодически
накаляться и потухать. Однако если частота изменений перемен-
ного тока достаточно велика, то нить лампочки не будет успевать
охладиться и глаз человека не будет улавливать изменений накала
лампы.

Такие же условия имеют место и при работе электродвигателей
переменного тока. Благодаря тому, что такой двигатель при работе
получает из сети импульсы переменного тока, следующие друг за
другом с большой частотой, его ротор благодаря инерции будет
вращаться с постоянной скоростью.

40. Параметры переменного тока

Переменный ток характеризуется четырьмя основными парамет-
рами: периодом, частотой, амплитудой и эффективным, или действую-
щим, значением.
Период. Периодом называется промежуток времени, в течение
которого ток или э. д. с. совершают полный никл своего изменения
(фиг. 212, а). Чем быстрее вращается виток (см. фиг. 209) или ротор
генератора переменного тока, тем меньше период изменения тока
или э. д. с.

В формулах период обозначают буквой Т и измеряют в секун-
дах. Промежуток времени, на протяжении которого совершается
половина полного цикла изменения тока или э. д. с., называется
полупериодом.

& ---;»Период сЭ

—»Полу период

метшая час/по/па Большая часлТолит

Фиг. 212. За один период ток или э. д. с. совершает полный цикл своего
колебания. Чем больше частота изменения тока, тем больше происходит
изменений тока в единицу времени и тем меньше период его колебаний

Частота. Число полных периодов изменения тока или э. д. с
в 1 сек. называется частотой. Следовательно, чем быстрее вращает-
ся виток или ротор генератора переменного тока, тем больше ча-
стота изменения тока (фиг. 212, б).

Частоту в формулах обозначают буквой [\

/=-у. (58)

Она измеряется числом периодов в секунду или герцами (гц).
Один герц равен одному периоду в секунду.

В СоветскОхМ Союзе все электрические станции переменного
тока вырабатывают ток, изменяющийся с частотой 50 периодов
в секунду, т. е. ток частотой 50 гц.

В автоматике и радиотехнике применяют электрические токи и
более высоких частот. Такие токи измеряют в килогерцах (кгц) —
тысячах герц и мегагерцах (мгц) — миллионах герц.
Амплитуда. Максимальное значение переменного тока или пере-
менной э. д. с. и напряжения называют его амплитудным значе-
нием, или амплитудой. В рассмотренном нами простейшем генера-
торе переменного тока э. д. с. дважды достигает амплитудного зна-
чения: во время первого полуоборота витка она имеет положитель-
ный знак, т. е. направлена от начала витка к его концу (например
от точки а на фиг. 209 к точке а), а во время второго — отрицатель-
ный знак, т. е. направлена от конца витка к его началу.

Максимальные значения тока, напряжения, э.д.с. и др. в фор-
мулах обозначают соответствующими буквами с индексами м, т. е.

М ДР'

Эффективное значение переменного тока. Ток, напряжение и
э. д. с.» действующие в электрической цепи в каждый отдельный
момент времени, определяются так называемыми мгновенными
значениями переменного тока, напряжения и э. д. с. Мгновенные
значения принято обозначать маленькими буквами /, и, е и пр.

Однако судить о переменных э. д. с. или токе по их мгновенным
значениям неудобно, так как эти значения непрерывно меня-
ются. Поэтому оценивать эффективность переменного тока принято
по так называемому эффективному, или действующему, значению.

Под эффективным, или действующим, значением переменного
тока понимают такую величину постоянного тока, который, проходя
по проводнику в течение некоторого времени (например секунды),
выделит в нём такое же количество тепла (или же произведёт такую
же механическую работу), какое выделяет в нём данный перемен-
ный ток.

Эффективные, или действующие, значения тока, э.д.с. и напря-
жений обозначают соответственно /, Е и (7.

Между эффективным I и амплитудным (максимальным) 1М зна-
чениями синусоидального переменного тока существует зависи-
мость, выражающаяся формулой

7 = 0,707/,. (59)

Если известно эффективное значение тока, его амплитудное
(максимальное) значение будет равно

7-= о^б7=1>41Л (59'}

Аналогичные формулы относятся к напряжению и э.д.с.:

(7= 0,707С/Л и Е — 0,707 Ем.
а также

= 1,4177 и ЕМ=\Д\Е.

На практике для характеристики параметров переменного тока
используют главным образом эффективные, или действующие, зна-
чения тока, напряжения и э. д с. Например, когда говорят, что
напряжение в осветительной сети переменного тока составляет
220 в или, что по цепи протекает ток 100 а, то это означает,
что в данной сети эффективное значение напряжения равно 220 в
или же, что эффективное значение тока, протекающего по данной
цепи, равно 100 а.

Пример 39. Определить эффективное значение переменного тока, макси-
мальное значение которого составляет 100 а.

Решение:

/ = 0,707; /Л=-70,7а.

Пример 40. Определить, какое максимальное напряжение воздействует
на человека при прикосновении его к двум проводам электрической сети
переменного тока с эффективным напряжением 220 б.

Решение;

Ум = 1,41 и= 1,41 • 220 = 310 в.

Электрическая энергия и механическая работа, создаваемые
переменным током в различных электрических устройствах, про-
порциональны эффективным значениям тока и напряжения. Боль-
шинство существующих приборов для измерения переменного тока
фиксирует эффективные значения тока, напряжения и э. д. с.

41. Активное сопротивление в цепи переменного тока.
Поверхностный эффект

Различные виды сопротивлений. При изучении цепей постоян-
ного тока мы установили, что все проводники обладают сопро-
тивлением, на преодоление которого затрачивается определённое
количество электрической энергии. Это сопротивление принято
называть омическим.

В цепях переменного тока мы встречаемся с несколькими раз-
личными видами сопротивлений. Все эти сопротивления можно
подразделить на две основные группы. Сопротивления, которые при
включении в цепь переменного тока потребляют электрическую мощ-
ность, называются активными; сопротивления же, которые в цепи
переменного тока не потребляют электрической мощности, называют-
ся реактивными.

Активным сопротивлением обладают металлические проводники,
растворы и газы, т. е. те же вещества, которые имеют и омическое
сопротивление. Реактивным сопротивлением обладают катушки
индуктивности и конденсаторы (см. § 42 и 43).

Изменение тока и напряжения. При включении в цепь перемен-
ного тока активного сопротивления (фиг. 213, а) проходящий по
этому сопротивлению ток изменяется по такому же закону, как и
напряжение, создаваемое источником переменного тока.

Следовательно, ток и напряжение будут изменяться по волно-
образной кривой — синусоиде, причем они будут иметь одина-
ковый период, одновременно достигать своих максимальных значе-
ний и одновременно проходить через ноль (фиг 213, б) Такой
характер изменения двух синусоидально меняющихся величин
принято называть совпадением по фазе.
Таким образом, при включении в цепь переменного тока актив-
ного сопротивления ток и напряжение совпадают по фазе.

Соотношение между эффективными значениями тока 1 и нап-
ряжения V определяется по закону Ома, т. е.

Электрическая мощность. Электрическая мощность, расходуемая
в активном сопротивлении, может быть найдена путём перемноже-

ния мгновенных значе-
ний тока и напряже-
ния. При этом оказы-
вается, что мощность не
является постоянной ве-
личиной, как при по-
стоянном токе, а из-
меняется по кривой, по-
казанной нафиг. 213, б.
11ри рассмотрении этой
кривой видно, что мощ-
ность изменяется также
по синусоидальному за-
кону вокруг некоторо-
го среднего значения
РсрУ соответствующего
линии ДБ.

Все значения мощ-
ности являются поло-
жительными. Величина

Мощность

Ток

Нопряхе-
'ние

Время

Максимальная
мощность Рмеке

Фиг. 213. При включении в цепь переменного
тока активного сопротивления ток и напря-
жение совпадают по фазе; мощность изме-
няется относительно среднего значения Рсп
с двойной частотой по сравнению с частотой
изменения тока и напряжения

6 . я
— ТВрСредняя

мощность Рс9

же мощности изменяет-
ся с двойной частотой
по отношению к изме-
нению тока и напряже-
ния, т. е. половине пе-

риода изменения тока и

напряжения соответствует полный период изменения мощности.

Физически положительное значение мощности означает, что
электрическая энергия передаётся от источника тока к потре-
бителю. Однако, в отличие от постоянного тока, эта энергия по-
ступает к потребителю не равномерно, а отдельными толчками
(импульсами)—по два импульса в течение каждого периода.

Максимальное значение мощности составляет

Р^Ц!

Л* Л*

= 2/7/.

(60)

Практически о работе /1, которая совершается электрическим
током, судят не по максимальной мощности, а по средней мощ-
ности Рер, так как эта работа может быть выражена как произ-
239
ведение среднего значения мощности РСГ) на время I протекания
тока:

4 = Рср I.

Среднее значение мощности, потребляемой активным сопротив-
лением, равно произведению действующих значений тока и
напряжения:

?еР = V (60')

В практике величину средней мощности, потребляемой актив-
ным сопротивлением, обычно называют активной мощностью, или
просто мощностью, и обозначают буквой Р без всякого индекса.

Пример 41. В пепь переменного тока напряжением (7 =* 220 в (эффек-
тивное значение) включена электрическая лампочка сопротивлением Р =
= 484 ом. Определить протекающий по лампочке ток, а также мощность,
потребляемую лампочкой

Решение:

Ток, протекающий по лампочке (эффективное значение),
и 220

' А1 ~ 484 ~ 0,455 а’

Максимальное значение тока (в момент, когда напряжение имеет макси-
мальную величину 1Умакс = 1,41 17 = 310 в)

1 макс = Ь41 I = 0,64 а.

Мощность, потребляемая лампочкой (среднее значение)

Р = VI = 220 • 0,455 = 100 вт.

Максимальное значение мощности (в момент, когда ток и напряжение
имеют максимальную величину)

Р м = Ум /м — 310 * 0,64 = 200 вт.

Поверхностный эффект. Следует отметить, что активное сопро-
тивление проводников в цепи переменного тока всегда больше их

омическою сопротивления.

Переменный ток не протекает равномерно по всему поперечному
сечению проводника, как постоянный, а вытесняется на его поверх-
ность (фиг. 214). Поэтому

Постоянный топ

Персменнбш ток

Фиг. 214. Постоянный ток распределяется
равномерно по всему поперечному сечению
проводника. Переменный ток вытесняется
на поверхность проводника и проходит
главным образом по его наружным слоям

полезное сечение провод-
ника как бы уменьшается
и сопротивление его при
переменном токе возра-
стает Это явление носит
название поверхностного
эффекта.

Неравномерное распре-
деление переменного тока
по поперечному сечению
проводника объясняется
действием э. д. с. самоин-

дукции, индуктированной в проводнике магнитным полем, которое
создаётся протекающим по проводнику током. Это магнитное поле
действует не только в пространстве, окружающем проводник, но и
по поверхностным слоям проводника.

Закаливаемая

Фиг. 215 При высокой частоте вихревые токи
индуктируются главным образом в поверхно-
стном слое металла. Эти токи сильно разо-
гревают поверхностные слои детали, раньше
чем её внутренняя часть успеет заметно на-
греться за счёт теплопроводности металла

внутри самого проводника. Поэтому слои проводника, располо-
женные ближе к его центру, будут охватываться большим магнит-
ным потоком, чем слои, расположенные ближе к его поверхности,
и э. д. с самоиндукции, индуктированная во внутренних слоях,
будет большей, чем во внешних. Поскольку э. д. с. самоиндукции
препятствует изменению тока, последний будет стремиться пройти
там, где э. д. с. самоиндукции имеет наименьшую величину, т. е.
пойдёт преимущественно
больше частота тока, тем
большая э. д. с. самоин-
дукции индуктируется во
внутренних слоях про-
водника и тем в большей
степени ток вытесняется
на поверхность.

При низких часто-
тах, применяемых в
промышленных установ-
ках (50 гц), увеличение
сопротивления провод-

ников практически, ни-
чтожно, и активное со-
противление их может
быть принято равным
омическому. Но для
токов высоких частот,

принятых в радиотех-

нике, телевидении и высокочастотных установках, активное
сопротивление настолько увеличивается, что приходится применять
специальные меры для его уменьшения. Для этой цели проводники,
применяемые в высокочастотных установках, обычно изготовляют
не из проволоки, а из пустотелых трубок.

На свойстве переменного тока высокой частоты протекать глав-
ным образом по поверхности проводников основаны различные
методы высокочастотной закалки и термообработки (фиг. 215).

Поверхностный эффект проявляет себя также и при работе
электрических машин постоянного тока, в частности тяговых дви-
гателей, создавая в проводниках, расположенных на якоре, доба-
вочные потери (см. § 35).

42. Индуктивность в цепи переменного тока

Индуктивное сопротивление. При включении в цепь перемен-
ного тока индуктивной катушки (фиг 216, а) возникающий в ней
переменный магнитный поток индуктирует в витках катушки э. д. с.
самоиндукции е^. Э. д. с. самоиндукции по закону Ленца стремится
препятствовать изменению вызывающего её тока, т. е. она всегда
будет направлена против приложенного напряжения, которое за-
ставляет изменяться гок.
Таким образом, для создания и поддержания протекания пере-
менного тока по цепи, содержащей катушку индуктивности, необ-
ходимо преодолеть действие э д. с. самоиндукции. Это означает,
что катушка индуктивности оказывает прохождению переменного
тока определённое сопротивление.

Сопротивление катушки индуктивности переменному току при-
нято называть индуктивным сопротивлением и обозначать Хь .
Индуктивное сопротивление измеряется в омах и зависит от вели-
чины индуктивности 1 катушки и частоты изменения тока. Оче-
видно, чем быстрее меняется ток, т. е. чем больше частота его
изменения, тем большая э. д. с. самоиндукции индуктируется в
катушке и тем больше величина индуктивного сопротивления.

Индуктивное сопротивление катушки или отдельного про-
водника может быть определено по формуле

Хь =

(61)

где Л — индуктивность в гн\

ц) — угловая частота, равная 6,28 /;

[—частота в гц.

Изменение тока, напряжения и э. д. с. самоиндукции. На цепи
с индуктивностью распространяется действие закона Ома. В этом
случае проходящий по цепи ток

(62)

где I и V—эффективные значения тока и напряжения.

Пример 42. Катушка индуктивности с ничтожным активным сопротив*
лением и индуктивностью Т=200 мгн включена в сеть переменного тока
напряжением V = 220 в и частотой / = 50 гц Определить ток, протекаю-
щий по катушке

Решение:

Угловая частота будет равна

О, _= 6,28/ = 6,28 - 50 =-- 314 ~ •
К*

Индуктивное сопротивление катушки по формуле (61)

200
Хь=шД=314 | = 62,8 ом

Ток, протекающий по катушке, по формуле (62)

С _ 220 _

7 “ хк~ 62,8 “ 3’5 а’

Рассмотрим, как изменяются напряжение, э. д. с. самоиндукции
и ток при включении в цепь переменного тока катушки индук^
ти в пости,
212
Предположим, что подключение катушки индуктивности к источ-
нику переменного тока произошло в тот момент, когда напряжение
источника имеет максимальное значение (фиг. 216, б).

В этот момент в катушке возникнет ток, однако он не сразу
достигнет своего максимального значения, так как вместе с увели-

тока.

а)

I и

результате процесс нарастания

источник тока

Китршка андукти^- |,
х пости %

Наибольшее
изменение ~
тока

Наименьшее
изменение
тока

есрзо ес седла-& яро е^собпа-
тидт&\даетс , тид дзете [

\ таком ।

При включении в цепь переменного

'' 3 д с самоин-
дукции %

Токе

/ I о

время

Напряжение и

Фиг. 216.

тока индуктивности ток отстаёт по фазе от
напряжения на четверть периода (на угол 90°);
э. д. с. отстаёт по фазе от напряжения на
полпериода (на угол 180°)

чением тока в катушке возникает э. д. с. самоиндукции, противо-
действующая нарастанш
тока до максимального
значения замедляется
на время, равное чет-
верти периода.

Величина э. д с.
самоиндукции зависит,
• как известно, пе от
абсолютной величины
тока, а от скорости его
изменения. В началь-
ный момент ток изме-
няется весьма быстро, и
э. д. с. самоиндукции
имеет максимальное зна-
чение. При значениях
тока, близких к макси-
мальным, процесс на-
растания замедляется;
следовательно, э. д. с.
самоиндукции начинает
уменьшаться и прибли-
жается к нулевому зна-
чению.

В начале второй чет-
верти периода напряже-

ние источника тока изменяет своё направление. Поэтому ток в
катушке, всё ещё проходящий в прежнем направлении, начинает
уменьшаться. В результате вновь возникает э.д.с. самоиндукции,
стремящаяся поддержать прежнее направление тока в цепи.

В течение второй четверти периода напряжение источника будет
увеличиваться и в конце достигнет максимального значения. В то
же время ток в цепи будет продолжать уменьшаться сначала с не-
большой, а затем со всё возрастающей скоростью и в конце второй
четверти периода станет равным нулю. Ввиду того, что скорость
изменения тока в этот момент будет наибольшая, э. д. с. самоиндук-
ции достигнет своей максимальной величины, причём её направле-
ние по-прежнему останется противоположным напряжению источ-
ника тока.

Продолжая дальше подобное рассмотрение кривых э. д. с.,
напряжения и тока (см. фиг. 216, 6), можно убедиться в том, что за
один период изменения тока э. д. с. самоиндукции также изменяется
на один период. При этом э. д. с. направлена против тока при его
возрастании и совпадает с током по направлению при его убывании.

Сдвиг фаз. Из рассмотрения графика, показанного на фиг.
216, б, видно, что кривая изменения тока сдвинута относительно
кривой изменения напряжения на четверть периода. При этом на-
пряжение проходит через максимальные и нулевые значения рань-
ше, чем ток.

Неодновременность прохождения тока и напряжения через нуле-
вые и максимальные значения в технике переменных токов носит
название сдвига фаз. В данном случае при включении в цепь пере-
менного тока индуктивного сопротивления ток отстаёт по фазе от
напряжения на четверть периода, или что то же, напряжение
опережает ток по фазе на четверть периода. Э. д. с. самоиндукции
также отстаёт по фазе от напряжения источника тока, но на

полпериода.

В технике переменного тока при исчислении сдвига фаз обычно
пользуются не долями периода, а угловыми единицами. При этом

энергии от источника энергии от катушки
тока к катушке к источнику тина

Фиг. 217. В цепи переменного тока с индук-
тивностью электрическая энергия непрерывно
колеблется, циркулируя от источника тока к
катушке и обратно. Индуктивное сопротивле-
ние в целом за период не потребляет и не
отдаёт электрической мощности

исходят из того, что
один период изменения
тока соответствует по-
вороту ротора двухпо-
люсного генератора пе-
ременного тока на один
оборот или на 360°.
Используя этот способ
исчисления сдвига фаз,
получим в данном слу-
чае, что ток отстаёт по
фазе от напряжения на
угол 90°, а э. д. с. от-
стаёт от напряжения на
угол 180°.

Электрическая мощ-
ность. Рассмотрим, как
изменяется электриче-
ская мощность, потреб-
ляемая катушкой индук-
тивности от источника

переменного тока.

Мощность, потребляемая катушкой индуктивности в каждое
мгновение, равна произведению величин тока и напряжения, кото-
рые действуют в ней в данный момент. Ввиду того, что ток и
напряжение являются переменными величинами, изменяющимися
по синусоидальному закону, мощность также будет переменной
величиной. Её можно легко получить графическим путём, пере-
множая отрезки на графике изменения тока и напряжения от
оси времени до соответствующих кривых в различные моменты вре-
мени.
Полученная таким способом кривая мощности показана на
фиг. 217. Она представляет собой также синусоиду, которая изме-
няется с двойной частотой по сравнению с частотой изменения
тока и напряжения.

Из графика, приведенного на фиг. 217, вытекает, что в тече-
ние первой четверти периода ток и напряжение положительны; это
означает, что их произведение, т. е. мощность, также является по-
ложительной величиной. Во второй четверти периода ток положи-
телен, а напряжение отрицательно; следовательно, мощность,
т. е. произведение тока на напряжение, будет отрицательна.
В течение третьей четверти периода мощность снова становится
положительной, а в течение четвёртой четверти — отрицательной.

Физически понятие положительной и отрицательной электри-
ческой мощности определяет направление потока энергии. Положи-
“ тельный знак мощности означает, что электрическая энер-
гия передаётся от источника тока к потребителю; отрицательный
же знак мощности означает, что электрическая энергия переходит
от потребителя к источнику тока.

В данном случае при включении в цепь переменного тока индук-
тивного сопротивления возникнет непрерывный колебательный
процесс перекачки энергии от источника тока к катушке ин-
дуктивности и обратно от катушки к источнику тока.

В первую четверть периода, когда ток возрастает, катушка
получает энергию от источника (мощность положительна) и за-
пасает её в своем магнитном поле. '

Во вторую четверть периода катушка начинает отдавать за-
пасённую энергию источнику тока (мощность отрицательна);
при этом протекание по цепи тока поддерживается благодаря
действию э. д. с. самоиндукции катушки.

В третью и четвёртую четверти периода этот процесс повторяется.

Таким образом, в целом за период индуктивное сопротивление
не отдаёт и не потребляет электрической энергии; на это указывает
также и то, что среднее значение мощности за период равно
нулю.

Происходит лишь непрерывная циркуляция электрической энер-
гии между источником тока и индуктивным сопротивлением, не
создающая никакой работы.

Для того чтобы подчеркнуть указанную особенность индуктив-
ного сопротивления, его относят к группе реактивных сопротивле-
ний, т. е. сопротивлений, которые в цепи переменного тока не по-
требляют электрической мощности.

Следует отметить, что реальные катушки индуктивности потреб-
ляют некоторую мощность от источника переменного тока благо-
даря возникновению потерь мощности в проводах, из которых
выполнены эти катушки.

Способы соединения индуктивных сопротивлений. В цепях
переменного тока приходится соединять индуктивные сопротивле-
ния последовательно, параллельно и смешанно.
Фиг. 218. При последовательном со-
единении катушек индуктивности об-
щая индуктивность и индуктивное
сопротивление возрастают, при па-
раллельном соединении — умень-
шаются

При последовательном соединении катушек индуктивности
(фиг. 218,а) общая индуктивность Ьо6щ равна сумме индуктив-
ностей отдельных катушек; например при трёх катушках

^общ ~ "Г ^2 Н’ 3’
где /2, А3 — индуктивности
отдельных катушек.

Общее индуктивное сопро-
тивление Х^сб нескольких ка-
тушек равно сумме отдельных
индуктивных сопротивлений

+ 4- Л'ь,, (63)

где ХЬх, ХЬ1, Л\—индуктив-
ные сопротивления отдельных
катушек.

При параллельном соеди-
нении катушек индуктивности
(фиг. 218, б) общая индуктив-
ность уменьшается по сравне-
нию с индуктивностями отдель-

ных катушек. Величина общей индуктивности (при очень малых
активных сопротивлениях катушек) может быть определена по
формуле (для трёх катушек)

Общее индуктивнее сопротивление при этом равно

При параллельном соединении п одинаковых катушек с ин-
дуктивностью Ь общая индуктивность равна

Ь = —

а общее индуктивное сопротивление

Л Еобщ — •

(63")

При смешанном соединении катушек индуктивности общее индук-
тивное сопротивление подсчитывается аналогично, как и при
смешанном соединении сопротивлений, по формулам (63) и (63')
для последовательного и параллельного соединений.

43. Включение в цепь переменного тока ёмкости (конденсатора)

Ёмкостное сопротивление. В цели постоянного тока конденсатор
ведёт себя как сопротивление бесконечно большой величины,
так как после окончания процесса заряда он не пропускает через
себя электрический ток.
Однако при подключении конденсатора к источнику перемен-
ного тока происходит непрерывный процесс его заряда и разряда;
при этом через конденсатор проходит переменный ток.

Для создания переменного тока в цепи, в которую включён
конденсатор, необходимо преодолеть действие э. д. с., возникающей
в конденсаторе при его заряде. Эта э. д. с. всегда направлена против
напряжения источника тока. Следовательно, конденсатор оказывает
прохождению переменного тока определённое сопротивление.

Фиг. 219. Конденсатором, обладаю-
щим определённой ёмкостью, явля-
ются два электрических, провода,
провод и земля, жилы электриче-
ского кабеля, жилы и металличе-
ская оболочка кабеля и другие эле-
менты электрических установок

Сопротивление конденсатора переменному току принято назы-
вать ёмкостным сопротивлением и обозначать Хс- Ёмкостное сопро-
тивление измеряется в омах и зависит от величины ёмкости С
конденсатора и частоты изменения тока.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем большее количество
электричества необходимо для его заряда и тем больший ток про-
ходит по цепи при заряде и последующем разряде. Следовательно,
чем больше ёмкость, тем меньшее сопротивление оказывает конден-
сатор протеканию переменного тока.

Чем больше частота изменения приложенного к конденсатору
переменного напряжения, тем большее число раз будет конденсатор
заряжаться и разряжаться и тем большее количество электричества
пройдёт по его цепи в единицу времени. Следовательно, чем больше
частота изменения тока, тем больший ток протекает по цепи кон-
денсатора и тем меньше его ёмкостное сопротивление.
Ёмкостное сопротивление конденсатора может быть подсчитано
по формуле

ХС = Л. <64>

где С — ёмкость в ф.

Свойствами конденсатора обладают не только специально из-
готовленные на заводе устройства, но и любые два проводника,
разделённые диэлектриком. В частности, конденсатором являются
два параллельно расположенных провода (фиг. 219, а), провод
и земля, жилы электрического кабеля (фиг. 219,6), жилы и металли-
ческая оболочка кабеля, и пр. Все они обладают определённой
ёмкостью, которая оказывает существенное влияние на работу
электрических установок при переменном токе.

Изменение тока, напряжения и э. д. с. На цепи с ёмкостным соп-
ротивлением распространяется действие закона Ома. В этом случае
проходящий по цепи ток будет равен

~ Хс ~ 1 ’

Ц)С

где I и 1/ — действующие значения тока и напряжения.

Пример 43. В цепь переменного тока напряжением 220 в и часто-
той 50 гц включён конденсатор ёмкостью 10 мкф. Определить ток, про-
текающий по конденсатору.

Решение:

Угловая частота

со = 6,28 / = 6,28 • 50 = 314 “ .
се к •

Емкостное сопротивление по формуле (64)

1 1

ХС ~ ~ зп . 0,00001 ~ 318 0М'

Ток, протекающий через конденсатор,

I) 220

1 ~ Хс ~ 318" °’7а-

Рассмотрим, как изменяется ток, напряжение и э. д. с. конден-
сатора при включении ёмкости в цепь переменного тока
(фиг. 220, а).

Предположим, что конденсатор включён в цепь в тот момент,
когда напряжение источника переменного тока только начало уве-
личиваться. При этом конденсатор начнёт заряжаться.

Несмотря на то, что напряжение, приложенное к конденсатору,
в этот момент невелико, ток заряда конденсатора имеет максималь-
ное значение. Объясняется это тем, что в начальный момент на пла-
стинах конденсатора отсутствуют ещё электрические заряды;
поэтому заряды, поступающие на пластины от источника тока, не
248
испытывают отталкивающего действия электрического поля самого
конденсатора (э. д. с. конденсатора» противодействующая протека-
нию зарядного тока, равна ещё нулю).

Величина зарядного тока, протекающего от источника тока
к конденсатору, зависит от скорости протекания электрических
зарядов; последняя же определяется скоростью изменения напря-
жения источника. Поэтому в начале первой четверти периода,
когда напряжение источника быстро изменяет свою величину, ток
имеет максимальное значение (фиг. 220, б).

0 0

Заряд Разряд

Фиг. 220. При включении в цепь переменного тока ём-
кости ток опережает по фазе напряжение на четверть пе-
риода (на угол 90°), э. д. с. опережает по фазе напряже-
ние на полпериода (на 189")

По мере роста напряжения источника тока конденсатор заряжает-
ся; однако скорость нарастания напряжения при этом уменьшается и
величина зарядного тока постепенно падает. В конце первой четверти
периода э. д. с., действующая между пластинами конденсатора,
становится максимальной и равной напряжению источника тока. Пр и
значениях напряжения, близких к максимальному, процесс измене-
ния его сильно замедляется, и ток приближается к нулевому
значению.

13 начале второй четверти периода напряжение источника тока
начинает уменьшаться, конденсатор будет при этом разряжаться,
и заряды с его пластин будут стекать к источнику. По мере умень-
шения напряжения источника скорость разряда конденсатора воз-
растает, и разрядный ток в его цепи увеличивается. Направление
тока в цепи при разряде противоположно направлению его при
заряде: соответственно этому кривая тока, пройдя нулевое значение,
располагается теперь ниже оси времени. К концу второй четверти
периода напряжение источника тока и э. д. с. конденсатора стано-
вятся равными нулю; при этом скорость изменения напряжения
сильно возрастает, и разрядный ток достигает максимальной

величины.

В начале третьей четверти периода напряжение источника изменит
своё направление на обратное и снова начнёт нарастать. При этом
конденсатор будет заряжаться, но уже в обратном направлении
(изменится полярность его пластин), В конце третьей четверти
периода, в момент прекращения нарастания напряжения источника,
протекание тока через конденсатор прекратится. В четвёртой
четверти периода снова начнёт уменьшаться напряжение источника
и конденсатор вновь начнёт разряжаться.

Таким образом, конденсатор в течение одного периода изменения

заряжается и дважды разря

напряжения источника тока дважды

энергии ст источника
токи 6 конденсатор

энергии от конденса-
тора к источнику тока

Фиг. 221. В цепи переменного тока с ём-
костью электрическая энергия непрерывно
колеблется, циркулируя от источника тока
к конденсатору и обратно. Емкостное со-
противление в целом за период не потреб-
ляет и не отдаёт электрической мощности

жается. Следовательно, в
его цепи непрерывно цир-
кулирует переменный ток.

Из рассмотрения кри-
вых э. д. с., тока и напря-
жения (см. фиг. 220,6) сле-
дует, что ток в цепи кон-
денсатора опережает по
фазе напряжение иа чет-
верть периода (на угол 90э)
или же напряжение от-
стаёт по фазе от тока
на четверть периода (на
угол 90°).

Э. д. с., действующая
между пластинами конден-
сатора, опережает по фазе
напряжение источника то-
ка на полпериода (на
угол 180°).

Электрическая мощность. Конденсатор, как и катушка индуктив-
ности, в цепи переменного тока не потребляет активной мощности.

Электрическая энергия, полученная конденсатором от источника
тока при заряде в течение первой и третьей четвертей периода и
запасённая в электрическом поле между его пластинами, пол-

ностью возвращается к источнику тока при разряде в течение вто-
рой и четвёртой четвертей периода. Следовательно, при включении
в цепь переменного тока конденсатора происходит лишь непрерыв-
ный колебательный процесс перекачки энергии от источника тока
в конденсатор и обратно. Это вытекает также из графика изменения
мощности за один период (фиг. 221), полученного таким же способом,
как и график, приведённый на фиг. 217.
Из рассмотрения этого графика видно, что мощность, потребляе-
мая конденсатором, изменяется с двойной частотой по сравнению
с изменением частоты тока и напряжения. Мощность ь течение перио-
да колеблется вокруг нулевого значения; следовательно, средняя
мощность, потребляемая конденсатором за период, равна нулю.

При непрерывной циркуляции электрической энергии от источ-
ника тока в конденсатор и обратно не создаётся никакой работы.
Поэтому ёмкостное сопротивление, так же как и индуктивное,
относят к группе реактивных сопротивлений.

Следует отметить, что реальные конденсаторы потребляют не-
которую мощность от источника переменного тока вследствие
возникновения потерь мощности внутри конденсатора. Эти потери
мощности образуются в результате протекания токов смещения
внутри диэлектрика, из которого изготовлен конденсатор. Токи
смещения нагревают диэлектрик; энергия, затраченная на его
нагрев, поступает в конденсатор от источника.

Чем больше ток и частота, тем больше потери мощности в кон-
денсаторах. Однако эти потери имеют значение только в конден-
саторах, применяемых в высокочастотных установках, При стан-
дартной частоте 50 гц, используемой в электрических сетях перемен-
ного тока, потери в конденсаторах настолько малы, что их обычно
не учитывают.

Способы соединения конденсаторов. Конденсаторы можно со-
единить последовательно, параллельно и смешанно.

При последовательном соединении конденсаторов (фиг. 222, а)
общая ёмкость их уменьшается по сравнению с ёмкостью каждого
конденсатора. Величина общей ёмкости ССбщ нескольких (например
трёх) конденсаторов определяется по формуле

где Сх, С2, С3 — ёмкости отдельных последовательно соединённых
конденсаторов.

Общее ёмкостное сопротивление Хсобщ нескольких конденса-
торов равно сумме отдельных ёмкостных сопротивлений

Хс общ = ХС1 Хс, + Хс, , (65)

где Хс,, Хс,, Хс, —ёмкостные сопротивления отдельных конден-
саторов.

При последовательном соединении п одинаковых конденсато-
ров ёмкостью С общая их ёмкость будет равна

С — ~
обш> п ’

а общее ёмкостное сопротивление

^Собщ — пХс. (65')
При параллельном соединении конденсаторов (фиг. 222, б)
общая ёмкость их равна сумме ёмкостей отдельных конденсаторов

~ з-

Общее ёмкостное сопротивление при этом равно

(65")

О.) ' Последодаггельнор соединение

Фиг. 222. При последовательном соединении конденсаторов общая
ёмкость уменьшается; при параллельном соединении — увеличивается

При смешанном соединении конденсаторов их общее ёмкостное
сопротивление подсчитывается аналогично, как и при смешанном
соединении сопротивлений, по формулам (65) и (65") для последова-
тельного и параллельного соединений.

44. Цепь переменного тока с последовательно соединенными
активным сопротивлением, индуктивностью и ёмкостью

В общем случае в цепях переменного тока обычно имеются все
виды сопротивлений: активное, индуктивное и ёмкостное. Напри-
мер, сопротивление электрического двигателя переменного тока
слагается из индуктивного сопротивления имеющихся в нём кату-
шек и активного сопротивления образующих эти катушки проводов.
252
Сопротивление линии электропередачи или кабельной линии
слагается из активного сопротивления электрических проводов,
их индуктивного сопротивления и ёмкостного сопротивления,
возникающего между отдельными проводами, между проводами и
землёй или же между отдельными жилами кабеля, а также между
жилами кабеля и его оболочкой.

Расчёт электрических цепей переменного тока существенно
отличается от расчёта цепей постоянного тока, так как при перемен-
ном токе в активном, индуктивном и ёмкостном сопротивлениях
имеют место различные сдвиги фаз между токами и напряжениями.

Фиг. 223 В цепях переменного тока, содержащих
активное, индуктивное и ёмкостное сопротивления,
ток и напряжение сдвинуты друг относительно
друга по фазе на некоторый угол

Полное сопротивление. При последовательном включении в
цепь переменного тока активного, индуктивного и емкостного
сопротивлений (фиг. 223, а) общее сопротивление всей цепи не
будет равно арифметической сумме отдельных сопротивлений,
как это имеет место при постоянном токе. Общее сопротивление
такой цепи при переменном токе подсчитывается по формуле

7 = (Хс Хс)2,

(66)

где А? — активное сопротивление;

Хс —индуктивное сопротивление;

Хс— ёмкостное сопротивление.
Величину 7 называют полным сопротивлением цепи; оно из-
меряется в омах.

Величину Хс —Хс называют реактивным сопротивлением цепи
и обозначают буквой X.

Следовательно, полное сопротивление цепи равно квадратному
корню из суммы квадратов активного и реактивного сопротив-
лений

2 = 4- X2. (66’)

Закон Ома для последовательной цепи переменного тока выра-
жается формулой

, и и

I ~ -тт = г-------- . — , (67)

2 (X, - ВД

где I и 11— действующие значения тока и напряжения;

7 — полное сопротивление цепи.

При прохождении электрического тока в активном, индуктив-
ном и ёмкостном сопротивлениях электрической цепи (см. фиг.
22чЗ,а) возникают падения напряжения.

Эти падения напряжения равны:

и а = /Я;
иь^1Хь\ .

и с = 1хс.

Алгебраическая сумма этих падений напряжения всегда больше
напряжения С/, приложенного к данной цепи. Эго объясняется
наличием сдвига фаз между указанными падениями напряжения.

Пример 44. В цепи переменного тока напряжением 220 в включены
последовательно соединённые активное сопротивление 7? = 8 ом, катушка
с индуктивным сопротивлением Х{ — 10 ом и конденсатор с ёмкостным со-
противлением Хс = 4 ом. Определить реактивное и полное сопротивления
гсей цепи, проходящий по ней ток и падения напряжения на отдельных
её участках.

Решение:

Реактивное сопротивление цепи

X = Х1 — Хс = 10 — 4 = 6 ом.

Полное сопротивление по формуле (66')

7 = + 'V = /82 4- б2 = 10 ом.

Ток по формуле (67)
б' 220
1 “ 7 “ ю “ 22 а-

Падения напряжения на отдельных участках цепи по формулам (68);
е активном сопротивлении

Уа = /7? = 22-8= 176 в:
в катушке индуктивности

=7А\ =22-10 = 220 в;

в конденсаторе

ис = 7Хс = 22-4 = 88 в.
Изменение тока и напряжения. Рассмотрим, как изменяется ток
п напряжение в последовательной цепи переменного тока.

Как было установлено выше, в цепи с чисто активным сопротив-
лением напряжение совпадает с током, в цепи с чисто индуктив-
ным сопротивлением — опережает ток па угол 90°, а в цепи с чисто
ёмкостным сопротивлением — отстаёт от тока на 90 .В цепи, содер-
жащей все три вида сопротивления, сдвиг по фазе между током и
напряжением получается меньше 90° и больше 0°. В этом случае
ток и напряжение оказываются сдвинутыми по фазе на некоторый
угол ср (фиг. 223, б), называемый углом сдвига фаз. Величина этого
угла определяется соотношением между отдельными сопротивле-
ниями, включёнными в данную цепь. Так, например, если активное
сопротивление значительно больше индуктивного и ёмкостного,
угол <р сравнительно небольшой. Если в цепи имеется большое
индуктивное или большое ёмкостное сопротивление, то угол 9
сдвига фаз возрастает и приближается к 90'". При этом если индук-
тивное сопротивление больше ёмкостного, то напряжение опережает
ток на угол 9, если же ёмкостное сопротивление больше индуктив-
ного, то напряжение отстаёт от тока на угол 9.

45. Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Изменение мощности. На фиг. 224, а показан график мощ-
ности, потребляемой электрической установкой переменного тока,
содержащей активное, индуктивное и емкостное сопротивления.
Этот график можно получить тем же способом, что и раньше, —
путём перемножения величин тока и напряжения для различных
моментов времени.

Рассматривая этот график, можно обнаружить, что в некоторые
моменты времени ток и напряжение направлены навстречу друг
другу и мощность имеет отрицательное значение.

Возникновение в электрической цепи отрицательных значений
мощности является весьма вредным. Это означает, что в такие пе-
риоды времени потребитель (например двигатель переменного
тока) возвращает часть полученной электроэнергии обратно
источнику тока; в результате уменьшается мощность, передаваемая
от источника тока к потребителю.

Очевидно, что чем больше угол 9 сдвига фаз, тем больше время,
в течение которого часть электроэнергии возвращается обратно
к источнику, и тем больше величина возвращаемой обратно мощности.
Иными словами, чем больше сдвиг по фазе между током и напряже-
нием, тем меньше мощность, потребляемая данной электрической
установкой.

Средняя мощность, потребляемая электрическими установками
при переменном токе, определяется формулой

Рср = ё/7со5 9, (69)

где / и С/ — эффективные значения тока и напряжения.
Эту величину и называют обычно мощностью переменного
тока Р, т. е.

Р — Шсоз^. (69')

Величину со5<? (косинус фи) называют коэффициентом мощ-

ности: по значению соз о можно судить о том, как

использует

1'р Iй

МОЩНОС/ПЬ

Энергия
поггпупакщал
от цгточне.ха

Реактивная мощность

Фиг. 224. При переменном токе мощность в
некоторые периоды времени отрицательна,
т- е. электрическая энергия частично возвра-
щается от потребителя к источнику тока.
Источник тока отдаёт одновременно два вида
мощности: активную и реактивную

мощность источника
тока данная электри-
ческая цепь или элект-
рическая установка (см.
стр. 259).

Коэффициент мощ-
ности можно определить
по формуле

со8<р = у, (70)

где Р — активное сопро-
тивление цепи;

2— полное её со-
противление.

Активная и реактив-
ная мощности.Мощность
переменного тока может
быть представлена в
виде суммы двух состав-
ляющих (фиг. 224, 6);
одна из этих составляю-
щих изменяется так же,

как изменяется мощ-
ность, потребляемая активным сопротивлением (см. фиг. 213, б),

поэтому она получила название активной мощности. Вторая со-
ставляющая изменяется подобно изменению мощности, потребляе-
мой. реактивным сопротивлением (индуктивным или емкостным —
см. фиг. 217 и 221), поэтому она получила название реактив-
ной мощности.

Среднее значение активной мощности равно среднему значению
полной мощности, т. е.

Рак. ср^— Рср — б / С05<р.

(69")

Эту величину в технике переменных токов обычно называют
активной мощностью, или просто мощностью переменного тока.

Среднее значение реактивной мощности равно нулю; поэтому
обычно на практике для сценки величины реактивной мощности
пользуются её максимальным значением и обозначают его
буквой (?. Эта величина равна

(2 = 17/510?, (71)

где / и и — эффективные значения тока и напряжения,
250
Обычно максимальное значение реактивной мощности в тех-
нике переменных токов называют просто реактивной мощностью.

Величина зт? (синус фи), определяющая, значение реактив-
ной мощности, может быть подсчитана по формуле

(72)

51П ? = у ,

где X— реактивное сопротивление данной электрической цепи;

2— ее полное сопротивление.

Рассматривая графики мощности (фиг. 224, б), можно устано-
вить, что только активная мощность может обеспечить использова-

Якгпийная

Фиг. 225. Активная энергия непрерыв-
но передаётся от источника тока потре-
бителю. Реактивная энергия потреби-
телями не поглощается и возвращается
обратно источнику тока. Она непрерывно
циркулирует между источником тока и
потребителем, загружая источники пе-
ременного тока и электрические сети,
и не позволяя использовать их для вы-
работки и передачи полезной активной
мощности

ние в потребителе электриче-
ской энергии. Эта мощность
в течение всего периода имеет
положительный знак,- т. е.
соответствующая ей электри-
ческая энергия (называемая
активной энергией) непре-
рывно переходит от источника
тока к потребителю (фиг. 225)
Реактивная мощность ни-
какой полезной работы соз-
дать не может, так как сред-
нее значение её в течение
периода равно нулю. Как
видно из фиг. 224,6, эта мощ-
ность становится то положи-
тельной, то отрицательной,
т. е. соответствующая этой
мощности электрическая энер-
гия (называемая реактивной
энергией) непрерывно цир-
кулирует по электрической
цепи, перекачиваясь от источ-
ника тока к потребителю и
обратно (см. фиг. 225).

В соответствии с делением мощности на активную и реактивную
слагающие протекающий по цепи переменный ток также разде-
ляют на активный и реактивный. При этом произведение активного
тока на напряжение даёт величину активной мощности, а произве-
дение реактивного тока на напряжение—величину реактивной мощ-
ности.

Активная мощность измеряется в ваттах (вт) или киловаттах
(кет), реактивная — в варах (вар) или киловарах (квар).

Реактивная мощность оказывает вредное влияние на работу
электрических установок, поэтому в производственных условиях
стараются по возможности уменьшить её величину. Постоянная
циркуляция реактивной мощности от источника тока к потребителям
1 Заказ 1216 257
загружает генераторы переменного тока и электрические сети элек;
трическими токами, не создающими полезной работы, и тем самым
не даёт возможности использовать их по прямому назначению для
выработки и передачи потребителям полезной мощности.

Кажущаяся мощность. Электрические генераторы переменного
тока рассчитаны на отдачу определённого номинального тока I
и определённого номинального напряжения ё/, которые зависят от
конструкции машины,размеров их основных частей и пр. Увеличить
значительно номинальный ток или номинальное напряжение гене-
ратора нельзя, так как это может привести к недопустимому
нагреву обмоток машины или пробою их изоляции.

Поэтому каждый генератор может длительно отдавать без опас-
ности аварии только вполне определённую мощность, которая
определяется произведением его номинального тока на номиналь-
ное напряжение.

Произведение эффективных значений тока и напряжения носит
название кажущейся мощности (обозначается буквой 5), т. е.

8 = 01. (73)

Следовательно, кажущаяся мощность представляет собой наи-
большее значение активной мощности при заданных значениях
тока и напряжения. Она характеризует ту наибольшую мощность,
которую можно получить от источника переменного тока при усло-
вии, что между вырабатываемыми им током и напряжением отсут-
ствует сдвиг фаз.

Кажущуюся мощность измеряют в вольтамперах (ва) или кило-
вольтамперах (ква). Она связана с активной и реактивной мощно-
стями следующим соотношением:

52 = Р2 + С2. (74)

Пример 45. В цепь переменного тока напряжением 220 в включены
последовательно активное сопротивление /? = 8 ом, индуктивное сопротив-
ление — 12 ом и ёмкостное сопротивление Хс = 6 ом. Определить ак-
тивную, реактивную и кажущуюся мощности, потребляемые данной элек-
трической целью, и коэффициент мощности.

Решение:

Реактивное сопротивление цепи

Л = X — А = 12 — 6 = 6 ом.

Полное сопротивление цепи

2 = / х2 = =-• 10 ОЛ4.

Ток

Коэффициент мощности
₽ 8

соз^— — 10
Активная мощность

Р = 41 сов ср = 220 • 22 ♦ 0,8 = 3 872 вт.

Величина 51П ср

Л б
51П ср — — 0,6.

Реактивная мощность

4 — 41 5!п ср — 220 22 • 0,6 = 2 904 вар.

Кажущаяся мощность

5 = 41 = 220 • 22 = 4 840 ва.

Формула (74) показывает, что чем больше реактивная мощность,
которая проходит через генератор переменного тока, тем меньше
величина активной мощности, которую он может отдать потребите-
лям. Иными словами, реактивная мощность не позволяет полностью
использовать всю расчётную мощность генераторов переменного
тока для выработки полезно используемой электрической
энергии.

То же самое относится и к электрическим сетям. Величина тока,
которую можно безопасно пропускать по данной электрической
сети, определяется главным образом её поперечным сечением.
Поэтому если часть протекающего по сети тока идёт на создание
реактивной мощности, то тем самым уменьшается и полезная часть
тока, обеспечивающая создание активной мощности, которую можно
пропустить по данной сети.

Следует также отметить, что реактивные токи, проходя по прово-
дам генераторов переменного тока, электрических сетей и потреби-
телей, вызывают в них потери мощности. Таким образом, бесполезная
перекачка реактивной мощности между источником переменного
тока и потребителем требует затраты определённой энергии, теряе-
мой в проводах во всей электрической цепи.

Коэффициент мощности. Отношение активной мощности к кажу-
щейся равно коэффициенту мощности:

С05<р=^-. (70')

Следовательно, величина созср характеризует долю полезной
активной мощности, которая содержится во всей кажущейся
мощности данного источника переменного тока. Чем больше вели-
чина со$<р, тем больше активная и меньше реактивная мощности,
отдаваемые источником.

При повышении созср и постоянной активной мощности, заби-
раемой потребителем, уменьшается ток, поступающий к нему от
источника, так как ток равен

/=/7а_,

и ео$ <р

где Р — активная мощность потребителя в вт\

У — напряжение в в, при котором он работает.
При уменьшении тока / уменьшаются потери мощности в прово-
дах электрической цепи и обеспечивается возможность дополнитель-
ной загрузки источника тока и электрической сети, т. е. лучшего
их использования.

Если потребитель забирает от источника неизменный ток нагруз-
ки, то повышение соз <р ведёт к возрастанию активной мощности Р,
используемой потребителем.

11ри соз<? — 1 реактивная мощность равна нулю и вся мощность,
отдаваемая источником, является активной. Поэтому на всех пред-
приятиях и во всех отраслях народного хозяйства стремятся всемер-
но повышать коэффициент мощности и доводить его по возможности
до единицы.

Величина коэффициента мощности электрических установок
переменного тока различна. Электрические лампы представляют
собой главным образом активное сопротивление, поэтому при их
включении сдвиг фаз между током и напряжением практически
отсутствует. Следовательно, для осветительной нагрузки коэффи-
циент мощности можно считать равным единице.

Величина коэффициента мощности для двигателей переменного
тока зависит от их нагрузки. При номинальной расчётной нагрузке
двигателя коэффициент мощности соз обычно равен 0,8—0,9,
а у крупных двигателей даже выше. При недогрузке двигателей
коэффициент мощности их резко снижается (при холостом ходе
до 0,25—0,3).

Повышение коэффициента мощности. Повышения соз дости-
гают различными способами. Основной из них — включение
параллельно электрическим установкам переменного тока спе-
циальных устройств, называемых компенсаторами (фиг. 226).
В качестве компенсаторов чаще всего используются конденсаторы
(статические компенсаторы), но могут быть применены также и
специальные электрические машины (вращающиеся компенсаторы,
см. § 53).

Электрическая установка переменного тока, содержащая индук-
тивное сопротивление, всегда потребляет реактивную энергию.
Однако при включении компенсатора источник тока и электрическая
сеть разгружаются от реактивной энергии, так как она циркулирует
уже по цепи «потребитель —компенсатор» (см. фиг. 226). благодаря
этому достигается существенное повышение использования гене-
раторов переменного тока и электрических сетей и уменьшение
потерь энергии, возникающих при бесполезной перекачке реактив-
ной энергии между источником тока и потребителем.

Компенсатор в этом случае выполняет роль как бы генератора
реактивной энергии. Это объясняется тем, что токи в конденсаторе
и катушке индуктивности направлены навстречу друг другу (первый
опережает по фазе напряжение на 90°, второй отстаёт от него на 90°),
поэтому включение конденсатора уменьшает общую величину
реактивного тока (суммарный ток, потребляемый индуктивным й
260
ёмкостным сопротивлением) и величину сдвига фаз между током и
напряжением.

Противоположны также по фазе и кривые изменения мощности
конденсатора и катушки индуктивности (фиг. 227). Это означает,

Фиг. 226. При включении компенсатора источник пе-
ременного тока и электрическая сеть разгружаются от
реактивной энергии; она циркулирует лишь по цепи «по-
требитель — компенсатор»

Фиг. 227. Электрические мощности, потребляемые конденсатором и катуш-
кой индуктивности, противоположны по фазе Поэтому при параллельном
их включении электрическая энергия непрерывно циркулирует по цепи
«катушка индуктивности—конденсатор»

что когда катушка потребляет электрическую энергию (мощность,
положительна), конденсатор её отдаст (мощность отрицательна),
а когда конденсатор потребляет энергию, катушка её отдаёт.

При надлежащем подборе реактивной мощности компенсатора
можно добиться, что вся реактивная энергия, потребляемая электри-
ческой установкой, содержащей индуктивное сопротивление, будет -
поступать к ней из компенсатора, а генератор и сеть не будут участ-
вова ть в её переброске. При этих условиях общий соз <р электри-
ческой установки и компенсатора будет равен единице, т. е. от источ-
ника тока к потребителю будет подаваться только активная мощ-
ность.

46. Резонанс напряжений и резонанс токов

Как было установлено выше, величина индуктивного и ёмко-
стного сопротивлений зависит в сильной степени от частоты; поэто-
му в последовательной цепи переменного тока с изменением
частоты значительно изменяется и полное сопротивление 2

цепи:

Так, при высоких частотах [ (т. е, при большой величине
о = 6,28 /) значение ёмкостного сопротивления Хс = мало,

в то же время значение индуктивного сопротивления Хь — ыЕ
велико. И, наоборот, при низких частотах значение ёмкостного
сопротивления велико, а значение индуктивного сопротивления

мало.

Резонанс напряжений. При некотором значении частоты, а
также и при некоторых значениях Е и С индуктивное сопротив-
, - 1
ление становится равным емкостному ; полное же сопротив-

ление становится равным активному сопротивлению /?

(75)

т. е. в последовательной цепи будет действовать только одно
активное сопротивление.

В этом случае падения напряжения на индуктивности и ёмкости
не только противоположны по фазе, но и равны по величине, и
поэтому они компенсируют друг друга, а ток в цепи резко воз-
растает Это явление называют резонансом напряжений. Возрастание
тока объясняется тем, что при резонансе источнику тока не при-
ходится преодолевать ни э. д. с. самоиндукции, ни э. д. с. заряжен-
ного конденсатора, так как они сами друг друга компенсируют, и на
пути тока остаются лишь активные сопротивления, которые обычно
невелики.

Резкое возрастание тока в цепи вызывает такое же возраста-
ние падения напряжений 67 и Ус на индуктивности и ёмкости
(см. фиг. 223,а), причём их величины могут во много раз превы-
шать напряжение Е> источника переменного тока, питающего
цепь.

При резонансе напряжений электрическая энергия, запасённая
один раз в катушке индуктивности или конденсаторе, периодически
переходит из катушки в конденсатор и обратно, а от генератора
262
потребляется лишь энергия, необходимая для преодоления
активного сопротивления цепи.

Следовательно, цепь, состоящая из генератора и последова-
тельно соединённых катушки индуктивности и конденсатора,
представляет собой колебательную систему, которая при опреде-
лённых условиях (Хь = Хс) оказывается настроенной в резонанс.

Колебательный
контур

Фиг. 228. При параллельном включении индуктивности и ёмкости
и равенстве их сопротивлений — Хс) возникает явление резо-
нанса токов и создаётся колебательный контур. Токи в кату-
шке и конденсаторе будут при этом равны и противоположны
ДРУГ другу, а от источника тока в колебательный контур не
будет поступать электрический ток, т. е. электрическая энергия

Частота, при которой имеют место условия резонанса, опре.
, 1
деляется из равенства ыь = ,

откуда имеем
1
СО = ,

/АС
или

(76)
Фиг. 229 В ко-
лебательном кон-
туре электричес-
кая энергия не-
прерывно перехо-
дит из конденса-
тора в катушку
индуктивности и
обратно

где /—частота в гц\

Ь— индуктивность в гм;

С— ёмкость в ф.

Явление резонанса напряжений использует-
ся в радиотехнике для различных целей.

Однако в технике переменных токов это яв-
ление может привести к вредным (аварийным)
последствиям из-за сильного повышения напря-
жения на отдельных участках электрических
цепей и соответствующего увеличения тока.
Такой случай может иметь, например, место,
если к кабельной линии, отходящей от генера-
тора переменного тока, будет подключена ка-
тушка какого-либо устройства с индуктивным
сопротивлением, равным ёмкостному сопротив-
лению линии.

Резонанс токов. Колебательную систему
можно получить и при параллельном соедине-
нии катушки индуктивности и конденсатора
(фиг. 228, а) при условии равенства их со-
противлений (Х/. = ХС). В этом случае мы
получаем так называемый колебательный контур.

В колебательном контуре токи, проходящие
по катушке и конденсатору, оказываются рав-
ными друг другу, но противоположными по на-
правлению, так как ток в индуктивности
отстаёт на 90° от приложенного напряжения 1У,
а ток /с в конденсаторе опережает напряже-
ние V на 90° (фиг. 228,6).

При отсутствии активного сопротивления
суммарный ток в неразветвлённой части цепи
будет равен нулю, и, следовательно, рассмат-
риваемый параллельный контур будет пред-
ставлять собой для электрического тока сопро-
тивление бесконечно большой величины.

Это явление носит название резонанса то-
ков; частота, при которой имеет место резонанс
токов, называется резонансной частотой; она
определяется в зависимости от индуктивности
Ь и ёмкости С цепи по формуле (76).

Протекание токов 1с и 1с по сопротивлениям
Хс и Лспри отсутствии тока в цепи источника

переменного тока объясняется тем, что при резонансе токов, как
и при резонансе напряжений, происходит колебание энергии ме-
жду магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора
(фиг. 229). Генератор, сообщив однажды энергию цепи, оказывает-
ся как бы изолированным от неё. Его можно было бы совсем
отключить, и ток в разветвлённой части цени поддерживался бы
без генератора той энергией, которую в самом начале запасла цепь.
Напряжение на зажимах цепи оставалось бы точно таким, какое,
развивал генератор.

Таким образом, при параллельном включении катушки индуктив-
ности и конденсатора образуется замкнутый колебательный контур,

Фиг. 230- В реальном колебательном контуре имеют
место потери энергии в активных сопротивлениях
катушки и конденсатора. Поэтому такой контур по-
требляет от источника тока некоторую мощность и
ведёт себя как чисто активное сопротивление

в котором возникает переменный ток, изменяющийся с определен-
ной частотой.

Частота переменного тока, возникающего в контуре, от пер-
воначального электрического толчка (резонансная частота), как по-
казывает формула (76), зависит от индуктивности 1 катушки и
ёмкости С конденсатора. Изменяя величину ёмкости или индук-
тивности, можно изменять частоту колебаний в контуре, т. е.
осуществлять, как обычно говорят, «настройку» контура на тре-
буемую частоту.

Если бы в катушке и конденсаторе не было активного сопротив-
ления, этот процесс колебания энергии между катушкой и кон-
денсатором продолжался бы бесконечно долго без всякого потреб-
ления энергии от источника тока.

Однако реальные индуктивности и ёмкости всегда поглощают
Фиг. 231. Колебания тока в коле-
бательном контуре подобны коле-
баниям маятника в незаведённых
часах; они затухают быстрее, если
увеличивается активное сопротив-
ление контура

электрическую энергию (ввиду наличия в катушках активного
сопротивления проводов и возникновения в конденсаторах токов
смещения, нагревающих их диэлектрик), поэтому реальный кон-
тур при резонансе токов потребляет всё же от источника некоторую
мощность и по неразветвлённой части цепи протекает некоторый ток /
(фиг. 230, а). Этот ток совпадает по фазе с напряжением, т. е.
при резонансе токов с реальными индуктивностями и ёмкостями
цепь ведёт себя так же, как
чисто активное сопротивление
(фиг. 230, б).

Использование колебательных
контуров в технике. Явления ре-
зонанса тока и колебательные
контуры получили весьма широ-
кое применение в радиотехнике
и в высокочастотных установках.

При помощи колебательных
контуров мы получаем токи высо-
кой частоты в различных радио-
устройствах и высокочастотных ге-
нераторах.

Ввиду того, что каждое коле-
бание тока в контуре сопровож-
дается потерями энергии в его
активном сопротивлении, сообщён-
ная однажды контуру энергия
довольно быстро израсходуется, и
колебания прекратятся. Прекра-
щение колебаний тока в контуре
будет происходить постепенно. Ам-
плитуда колебаний с течением вре-
мени будет уменьшаться, пока
колебания совершенно не затух-
нут. Такие колебания называют
затухающими (фиг. 231).

Для получения незатухающих колебаний необходимо в тече-
ние каждого периода пополнять от постороннего источника потери
энергии в активном сопротивлении, тогда каждое колебание будет
иметь ту же силу, т. е. ту же амплитуду, что и предыдущее, и кон-
тур станет источником незатухающих колебаний (см. фиг.
212, б).

Очевидно, что подавать в контур определённые порции энергии
необходимо строго ритмично, в такт с колебаниями тока в контуре.
Но так как частота этих колебаний обычно очень велика, то никакое
механическое устройство не успеет пополнять энергию
контура. Эту задачу выполняют электронные лампы, которые обес-
печивают подачу импульсов Э1 ергии в колебательный контур весьма
быстро и с большой частотой.
Колебательный контур является также важнейшим элементом
любого радиоприемника.

Радиосигналы, излучаемые радиопередающей станцией, улав-
ливаются приёмной антенной и преобразуются в переменные
э. д. с., которые подаются на вход радиоприёмного устройства.

Однако антенна принимает одновременно радиосигналы, пере-
даваемые многими радиостанциями. Поэтому из большого числа
колебаний с различной длиной волн (т. е. различной частотой),
посланных различными радиостанциями, необходимо выделить
сигналы той радиостанции, приём которой мы желаем осуще-
ствить.

Радиосигналы

стот

Фиг. 232. Колебательный контур выделяет (отфильтровывает) из
радиосигналов всех станций, принятых антенной, токи, имеющие
резонансную частоту, и направляет их к усилителю, детектору и
телефону. Токи всех других частот проходят сквозь контур в землю

Это выполняет колебательный контур. К колебательному контуру
подводятся от антенны переменные токи с различными частотами
колебаний (фиг. 232). Для большинства из них такой контур
представляет весьма малое сопротивление, и они прямым путём
пройдут через него в землю. Однако для токов, частота которых рав-
на резонансной частоте контура, последний будет представлять собой
сопротивление бесконечно большой величины. Поэтому колебатель-
ный контур будет выделять (отфильтровывать) токи, имеющие
резонансную частоту, и направлять их к другим элементам радио-
приёмника (усилителю, детектору и громкоговорителю).

При необходимости перейти на приём другой радиостанции,
следует изменить ёмкость С или индуктивность Ь колебательного
контура (обычно изменяют ёмкость С рукояткой настройки приём-
ника). При этом, как ясно из формулы (76), изменяется резонансная
частота контура, а следовательно, и частота выделяемых контуром
радиосигналов.
Контрольные вопросы

1. Что представляет собой переменный ток и как он получается?

2. Как обеспечивается работа потребителей при переменном токе?

3 Какими параметрами характеризуется переменный ток и как они
определяются?

4. На какие группы .делятся сопротивления?

5. Как изменяются ток и напряжение в цепи переменного тока с
активным сопротивлением?

6. Как определяется электрическая мощность в цепи переменного
тока с активным сопротивлением?

7. Что называется поверхностным эффектом?

8. Что такое индуктивное сопротивление и как оно определяется?

9, Как изменяются ток, напряжение, э. д. с. самоиндукции и элект-
рическая мощность при включении в цепь переменного тока индуктив-
ного сопротивления?

10. Что представляет собой емкостное сопротивление?

II. Как изменяются ток, напряжение, э. д. с. конденсатора и элект-
рическая мощность при включении в цепь переменного тока ёмкости?

12. Как определяется полное сопротивление электрической цепи при
переменном токе?

13- Как изменяются ток, напряжение и мощность в последовательной
цепи переменного тока?

14. Как определяется мощность и коэффициент мощности?

15. Что такое активная, реактивная и кажущаяся мощности?

16. Каким путём добиваются повышения коэффициента мощности?

17. Что такое колебательный контур и для каких целей его используют?
ГЛАВА VII

ТРЁХФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

47. Получение трёхфазного тока

Трёхфазная система переменного тока получила широкое рас-
пространение во всём мире благодаря тому, что она обеспечивает
наиболее выгодную передачу энергии и позволяет создать надёж-
ные в работе и простые по устройству электродвигатели, генераторы
и трансформаторы.

Фиг. 233. В генераторе трёхфазного тока на статоре расположены три
одинаковые обмотки, сдвинутые друг относительно друга на угол 120°

В настоящее время все электрические станции Советского
Союза вырабатывают электрическую энергию в виде трёхфазного
переменного тока, который передаётся на фабрики, заводы, в города
и сёла и используется потребителями.

Электрические железные дороги также получают энергию в виде
трёхфазного тока, который затем на тяговых подстанциях преоб-
разуется в постоянный ток, подаваемый в контактную сеть электри-
фицированных линий.

Генератор трёхфазного тока (фиг. 233) отличается от генератора
однофазного тока тем, что на статоре его расположены три отдель-
ные обмотки (фазы), оси которых сдвинуты друг относительно друга
на угол 120°. Ротор генератора представляет собой постоянный
магнит или электромагнит, который вращается каким-либо первич-
ным двигателем (турбиной, дизелем и пр,) с определённой
скоростью.

При вращении ротора с постоянной скоростью в трёх обмотках
статора наводятся синусоидальные э. д. с. с одной и той же часто-
той, имеющие одинаковые амплитуды, но сдвинутые друг относи-
тельно друга по фазе на 1/з периода (фиг. 234).

Фиг. 231. В обмотке статора однофазного генератора ин-
дуктируется синусоидально меняющаяся э. д. с. В трёх
обмотках трёхфазного генератора индуктируются три
синусоидально изменяющиеся э. д. с., имеющие одинако-
вую амплитуду, но сдвинутые друг относительно друга
по фазе на г/3 периода

Каждую из обмоток трёхфазного генератора вместе с присое-
динённой к пей внешней цепью принято называть фазой.

Каждая из этих обмоток является самостоятельным источником
электрической энергии и может замыкаться на свой приёмник
энергии. В этом случае получается несвязанная трёхфазная система,
требующая для передачи энергии шести проводов. На практике
такие системы не применяются. Обычно обмотки трёхфазного гене-
ратора соединяют звездой или треугольником.

48. Схема соединения звездой

Схема «звезда с нулевым проводом». При соединении обмоток
генератора звездой концы трёх обмоток соединяются в одну точку
О, которая называется нулевой точкой или нейтралью генератора
(фиг. 235).

Электрические потребители группируются в три группы, концы
которых также соединяются в общую точку.
Генератор соединяется с потребителями электрической энергии
четырьмя проводами. Три из них, присоединённые к началам обмо-
ток (Л, В, С), называют линейными проводами. Провод, присое-
динённый к нулевой точке, называют нулевым, или нейтральным
проводом.

Полученная таким образом схема называется «звезда с нулевым
проводом». Схематически её принято изображать в форме трёхлу-
чевой звезды, располагая фазы потребителя параллельно фазам
генератора.

Напряжения между началами и концами фаз или, что то же, нап-
ряжения между каждым из линейных проводов и нулевым, назы-
вают фазовыми и обозначают 11ф . При отсутствии падения нап-
ряжения в обмотках генератора (при холостом ходе) фазовые нап-
ряжения равны соответствующим э д. с. в обмотках генератора.

Фиг. 235- При схеме «звезда с нулевым проводом» концы обмоток гене-
ратора соединяются в общую нулевую точку. Потребители присоединяются
между линейными проводами, идущими от начала обмоток генератора, и
нулевым проводом

Напряжения между началами обмоток генератора или, что
то же, между линейными проводами, называют линейными и
обозначают ил.

В нулевом проводе в каждое мгновение протекает ток /0, равный
алгебраической сумме мгновенных значений токов, текущих в отдель-
ных фазах. Обычно эта сумма меньше, чем токи 1Ь и 1С в линей-
ных проводах, так как токи, протекающие по различным фазам,
сдвинуты друг относительно друга по фазе на разные углы и имеют
поэтому в каждое мгновение различную величину и направление.
В результате нулевой провод имеет сечение, равное или даже
несколько меньшее сечения линейных проводов.

Схема «звезда без нулевого провода». При равномерной, или
так называемой симметричней, нагрузке всех трёх фаз, когда во
всех фазах включены одинаковые активные и реактивные сопро-
тивления (7?! —/?2 — 7?3; = Х2 = Х3), фазовые токи будут

равны между собой и сдвинуты от соответствующих фазовых на-
пряжений на равные углы. При этом ток в нулевом проводе
будет равен нулю.

Очевидно, что в этом случае можно удалить нулевой провод
и перейти к схеме передачи электрической энергии по трём прово-
дам. При этом получаем схему соединения, называемую «звезда
без нулевого провода» (фиг. 236).

11ри схеме «звезда без нулевого провода» в каждое мгновение
ток по одному (или двум) проводам течёт от генератора к потреби-
телю, а по двум другим (или по одному) протекает обратно от по-

Фиг. 236- При равномерной нагрузке схема «звезда» может быть
выполнена без нулевого провода

требителя к генератору (фиг. 237). При этом ток от генератора течёт
то по первому, то по второму, то по третьему проводам и каждый из
них соответственно по очереди служит для обратного пути тока.

В схеме «звезда без нулевого провода» при равномерной нагрузке
токи в фазах и в линейных проводах равны между собой, т. е.

Г. =

где 1Л — линейный ток (в линейном проводе);

— фазовый ток (в фазах потребителя или генератора).

Линейное же напряжение в этой схеме больше фазового
в 1,73 раза, т. е.

^=1,73 6^.

Величина 1,73, равная отношению , положена в основу
шкалы номинальных напряжений при переменном токе 127 в —
220 в — 380 в. В этом ряду каждая следующая величина напря-
жения больше предыдущей в 1,73 раза.
272
Следует отметить, что схема «звезда без нулевого провода» может
быть применена только при равномерной нагрузке фаз. Практически
это имеет место лишь при двигательной нагрузке, так как каждый
трёхфазный двигатель снабжён тремя одинаковыми обмотками,
которые равномерно нагружают все три фазы.

При осветительной нагрузке равномерное распределение её
между всеми тремя фазами не может быть гарантировано, так как

Фиг 237. При трёхфазном токе в каждое мгно-
вение ток по одному или по двум проводам те-
чёт от генератора к потребителю, а по осталь-
ным проводам (двум или одному) возвращается
обратно в генератор

отдельные лампы могут включаться и выключаться в индивидуаль-
ном порядке. При неравномерной же нагрузке напряжения на от-
дельных фазах потребителей будут различными.

На некоторых фазах (с меньшим сопротивлением) напряжение
уменьшится, а на других увеличится по сравнению с нормальным,
что является недопустимым. Особенно опасно в этом случае, если
водной из фаз произойдёт обрыв или короткое замыкание. При
обрыве в одной из фаз напряжение в двух других фазах умень-
шается до половины линейного, вследствие чего лампочки,
включённые в эти фазы, будут гореть в полнакала. При коротком
замыкании в одной из фаз напряжение в других фазах увеличится
18 Заказ 1216 273
в 1,73 раза, и все лампы, включённые в этих фазах, перегорят. По
указанной причине при схеме «звезда с нулевым проводом» во
избежание разрыва цепи нулевого провода, в нём не устанавли-
вают предохранители и выключатели.

Таким образом, нулевой провод в схеме «звезда» обеспечивает
выравнивание напряжений на фазах потребителей при любой на-
грузке.

49. Схема соединения треугольником

Схема «треугольник». Присоединении обмоток трёхфазного гене-
ратора треугольником (фиг. 238) конец первой обмотки соеди-
няется с началом В второй обмотки, конец второй обмотки соеди-
няется с началом С третьей обмотки и конец третьей обмотки —
с началом А первой. Три линейных провода, идущие к при-
ёмникам энергии, присоединяются к началам А, В и С фаз.

Фиг. 238. При соединении по схеме «треугольник» в генераторе и потреби-
теле конец первой фазы соединяется с началом второй, конец второй
с началом третьей и конец третьей с началом первой. Линейные провода
соединяют между собой начала соответствующих фаз генератора и по-
требителя

Точно пак же могут соединяться и отдельные потребители.
При этом каждая фаза потребителя присоединяется к двум линейным
проводам, идущим от генератора, т. е. включается на линейное на-
пряжение, которое одновременно будет и фазовым напряжением.

Таким образом, в схеме «треугольник» фазовые напряжения
У# равны линейным I), и ие зависят от сопротивлений фаз по-
требителей, т. е.

иф =

Величина линейного тока в схеме «треугольник» всегда больше
токов, протекающих по фазам, присоединённым к соответствующему
линейному проводу.
При равномерной нагрузке линейный ток будет в 1,73 раза
больше фазового тока, т. е.

Ь = 1.73 I*.

Следует отметить, что при соединении треугольником источников
переменного тока (трёхфазных генераторов и трансформаторов)
весьма важно правильно соединять между собой начала и концы их
фазовых обмоток, так как три фазы источника образуют замкнутый
контур с весьма малым сопротивлением. Такое соединение возможно
только в том случае, если сумма мгновенных значений э. д. с.,
действующих в этом контуре, будет равна нулю.

3Везде с нулевым проВодом
Д В С О

Шзтаж

дзтаж

I зт а ж

Нулевой
проЗад

Треугольник

ДВС о

мортирные

— предохранители

Ш зтаж

П зтазн:

1зтаж

^охранители

Фиг. 239. Осветительную нагрузку присоединяют к проводам
электрической сети трёхфазного тока по схеме «звезда с нулевым
проводом» или «треугольник»

Если, например, конец первой фазы генератора соединить
не с началом В второй фазы, а с её концом, то э. д. с.,, индуктиро-
ванные в первой и второй фазе, будут складываться (а не вычи-
таться), и по замкнутому контуру треугольника потечёт большой
ток, представляющий собой ток короткого замыкания.

Большим достоинством схемы «треугольник» является то, что
при изменении нагрузки в отдельных фазах напряжения во всех
фазах, в отличие от схемы «звезда», остаются неизменными (они могут
лишь несколько уменьшаться за счёт падения напряжения в прово-
дах линии передачи и в генераторе). Благодаря этому свойству
схема «треугольник» получила широкое применение для освети-
тельной нагрузки. Применяется она также и для включения электро-
двигателей.

Схемы включения электрических ламп и трёхфазных электро-
двигателей. Следует отметить, что для питания электрических
лампочек в жилых домах и на производственных предприятиях
применяют трёхфазный ток, хотя на первый взгляд кажется, что для
этой цели используют однофазный ток, так как к лампочкам.
подводятся только два провода.

На фиг. 239 показаны схемы осветительной сети жилого дома
при соединении ламп по схемам «звезда с нулевым проводом» и
«треугольник».

Непосредственно у ввода электрического кабеля в дом на всех
фазах магистрали, проходящей обыкновенно по лестничной клетке,
устанавливают общие предохранители, защищающие городскую
сеть от короткого замыкания в проводах, проложенных в доме.

При соединении ламп по схеме «звезда с нулевым проводом»
(фиг. 239, а) ответвления, идущие на каждую квартиру, присоеди-
няют одним концом к одному из линейных проводов, а другим —
к нулевому проводу.

Соединение звездой

Соединение треугольником

Фиг. 240. Электрические потребители трёхфазного тока могут быть
подключены к сети в зависимости от напряжения в ней по схемам
«звезда» и «треугольник»

При соединении ламп по схеме «треугольник» (фиг. 239, б)
эти ответвления присоединяют к двум линейным проводам так,
чтобы нагрузка между ними распределялась равномерно (чтобы
к каждому линейному проводу было присоединено одинаковое
количество квартир).

В начале ответвлений в каждой квартире устанавливают пре-
дохранители, защищающие городскую сеть и другие квартиры от
короткого замыкания в пределах данной квартиры.
На нулевом проводе предохранитель не устанавливают.

Возможность двойного включения одних и тех же потребителей—

звездой или треугольником—расширяет область их применения.
Так, например, если обмотка трёхфазного электродвигателя рас-
считана на фазовое напряжение 220 в, то при соединении треуголь-
ником такой электродвигатель может быть включён в сеть с линей-
ным напряжением 220 в (фиг. 240), а при соединении звездой —
) . 1,73 = 380 в; дви-
в может работать в сетях

в сеть с линейным напряжением 2
гатель с фазным напряжением 127
с линейными напряжениями 127 и
127 • 1,73 =220 в. Точно так же
лампы накаливания, рассчитанные на
127 в, могут работать в сетях 127 и
220 в, а лампы, рассчитанные на 220 в,
могут работать в сетях 220 и 380 в.

50. Мощность трёхфазного тока

При равномерной нагрузке трёх-
фазной системы активные мощности
всех трёх фаз равны, поэтому актив-
ная мощность всей системы состав-
ляет

Суммарная мащнаста
/ ёсет трет (раз

Фиг 241. Суммарная мощность
всех трёх фаз трёхфазной си

У — Уф 1фС03у, (77) стемы при симметричной нагруз-

ке не изменяется в течение
где Иф — фазовое напряжение в <?; времени

I ф — фазовый ток в а;

соз <р — коэффициент мощности (9 — угол сдвига фаз между фа-
зовым током и фазовым напряжением)

Реактивная мощность будет выражаться аналогично, т. е.

(^ = 2>иф1ф 81П 9 (78)

Активная и реактивная мощности могут быть выражены также
через линейный ток 1Л и линейное напряжение (7Л; при этом

получим: 1,73^^005 9; (77') (?= 1,736/л/л81П9, (78')

где величины соя 9 и 3109 относятся к углу сдвига фаз между
фазовым тском и фазовым напряжением.

Кажущаяся мощность при равномерной нагрузке фаз будет
равна

5 = 3^=1,73УЛ/Л.

Большим преимуществом трёхфазного тока является также
и то, что мощность трёхфазной системы при равномерной нагрузке
не пульсирует с двойной частотой, как при однофазном токе, а
остаётся всё время неизменной (фиг. 241). Благодаря этому
обеспечивается лучшее использование, мощности, вырабатываемой
трёхфазными генераторами-, а трёхфазные двигатели имеют постоян-
ный вращающий момент (а не пульсирующий, как в однофазных
двигателях).

Контрольные вопросы

1. Что такое трёхфазкый переменный ток и почему он так называется?

2. Чем отличается генератор трёхфазного тока от генератора однофаз-
кого тока?

3. Как соединяются обмотки трёхфазного генератора и потребители
при схеме соединения «звезда с нулевым проводом»?

4. При каких условиях можно соединять потребители по схеме «звез-
да без нулевого провода»?

5. Что называется линейным и фазовым напряжениями?

6. Что называется линейным и фазовым токами?

7. Каково соотношение между линейным и фазовым напряжениями и
между линейным и фазовым токами в схеме «звезда без пулевого провода»
при равномерной нагрузке фаз?

8. Как соединяются обмотки трёхфазного генератора и потребители
при схеме «треугольник»?

9. Каково соотношение между линейным и фазовым напряжениями и
между линейным и фазовым токами в схеме «треугольник» при равномер-
ной нагрузке фаз?

10. Как могут включаться в сеть трёхфазного тока электрические лам-
пы и трёхфазные электродвигатели?

11. Как определяется мощность трёхфазного тока?
ГЛАВА VIII

ТРАНСФОРМАТОРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

51. Трансформаторы

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, пре-
образующий переменный ток одного напряжения в переменный ток
другого напряжения.

Трансформаторы широко применяют в системах передачи
электрической энергии от электростанций к производственным
предприятиям и электрическим железным дорогам. Они позволяют
значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками
переменного тока, установленными на электрических станциях, и
осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при
высоких напряжениях (110 000 — 220 000 — 400 000 в).

Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в про-
водах и обеспечивается возможность значительного снижения сече-
ния проводов линий электропередач,

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение,
подаваемое от высоковольтных линий электропередач, снова пони-
жается с помощью трансформаторов до сравнительно небольшой
величины (127 — 220 — 380 в), при которой нормально работают
электрические потребители, установленные на фабриках, заводах,
в депо и жилых домах.

Кроме этого, трансформаторы используют на электрическом
подвижном составе переменного тока для регулирования напряже-
ния, питающего тяговые двигатели, в радиотехнических устройствах,
в нагревательных и сварочных установках и пр.

Принцип действия трансформатора. Простейший трансформа-
тор состоит из стального сердечника (магнитонровода) и двух
расположенных на нём обмоток (фиг. 242). Обмотки намотаны из
изолированного провода и электрически не связаны между собой.
К одной из обмоток подаётся электрическая энергия от источника
переменного тока или из электрической сети; эта обмотка назы-
вается первичной. К другой обмотке подключают потребитель
и называется она вторичной.

Действие трансформатора основано на явлении электромаг-
нитной индукции.

При подключении трансформатора к источнику переменного
тока в витках его первичной обмотки протекает переменный ток,
образуя переменный магнитный поток. Этот поток проходит по маг-
нитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вто-
ричной обмоток, индуктирует в них переменные э. д. с. Ег и Е2.
Если ко вторичной обмотке присоединён какой-либо электричес-
кий потребитель, то под действием э. д. с. Е2 по цепи вторичной
обмотки протекает электрический ток.

Фиг. 242. Простейший трансформатор состоит из стального
сердечника (магнитопровода), на котором намотаны две обмотки

Величина э. д. с., индуктированной в каждом витке первичной
и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электро-
магнитной индукции зависит от величины магнитного потока,
пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный
поток каждого трансформатора является вполне определённой
величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения перемен-
ного тока в сети или в источнике, к которым подключён трансфор-
матор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока;
она определяется частотой изменения переменного тока. Следова-
тельно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индукти-
руется одинаковая по величине э. д. с. В результате этого отноше-
ние э. д. с. Е1 и Е2, индуктированных в первичной и вторичной
обмотках трансформатора, будет равно отношению числа витков
и оу2 этих обмоток, т. е.

(79)
Это отношение носит название коэффициента трансформации.
Если пренебречь величиной падения напряжения в обмотках транс-
форматора, так как оно не превышает обычно 1 — 1.5%, то можно
считать, что отношение напряжения Щ первичной обмотки к на-
пряжению С/2 вторичной обмотки равно отношению числа их
витков:

= ^ . (79')

С'2 ^2

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между чис-
лами витков первичной и вторичной обмоток, можно очень легко
увеличивать или уменьшать напряжение переменного тока
(фиг. 243).

Фиг. 243- Подбирая требуемое соотношение между числами витков первич-
ной и вторичной обмоток, можно легко увеличивать или уменьшать
напряжение переменного тока

Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение
большее, чем подаётся на первичную, то применяют повышающие
трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке
больше, чем в первичной обмотке. В понижающих трансформаторах,
наоборот, число витков во вторичной обмотке меньше, чем в пер-
вичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напря-
жения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки
к сети постоянного тока в трансформаторе создаётся постоянный
по величине и направлению магнитный поток, который не может
индуктировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому
никакой трансформации напряжения происходить не будет.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети
переменного тока через обмотку проходит некоторый ток, назы-
ваемый током холостого хода. Этот ток создаёт магнитный поток в
трансформаторе и обеспечивает поступление в него электрической
энергии, необходимой для компенсации потерь энергии в стали
сердечника.

При подключении нагрузки ко вторичной обмотке трансформа-
тора и протекании через неё тока увеличивается и ток, проходящий
по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора,
т. е. электрическая мощность и ток /2, отдаваемые его вторичной
обмоткой потребителю, тем больше электрическая мощность и ток
/1? поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того, что потери в трансформаторе обычно малы, можно
приближённо принять, что мощности в первичной и вторичной
обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в об-
мотках трансформатора обратно пропорциональны напряжениям;

или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональ-
ны числам витков первичной и вторичной обмоток

/] _ _ 1

/2 ~ ~~ я

Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторич-
ной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько
напряжение У2 больше напряжения С\), а в понижающем — ток
во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансфор-
маторах обмотки высокого напряжения выполняются из более
тонких проводов, чем обмотки низкого напряжения.

Фиг. 244. Обычно первичную и вторичную обмотки трансформатора раз-
мещают одновременно на двух стержнях: этим достигается лучшая
магнитная связь между ними и уменьшение рассеивания магнитного потока

Конструкция трансформаторов. В современных трансформаторах
первичную и вторичную обмотки не размещают на различных стерж-
нях магнитопровода, как это показано на фиг. 242 и 243, а для
лучшей магнитной связи стремятся расположить как можно ближе
друг к другу.

Обычно каждую обмотку размещают на двух стержнях одну
над другой (фиг. 244). При этом обмотка низкого напряжения раз-
мещается ближе к стержням.
Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод соби-
рают из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или
0,5 мм. Листы изолируют друг от друга тонкой бумагой или лаком.
Стержень магнитолрозода имеет квадратное или крестовидное
сечение, а у более мощных трансформаторов — ступенчатое, по
форме приближающееся к кругу. Такая форма обеспечивает полу-

чение заданного поперечного сечения
пропускания требуемого магнитного
потока) при минимальном периметре.
Это позволяет уменьшить длину вит-
ков обмоток, а следовательно, и
расход обмоточных проводов.

Автотрансформаторы. В случае,
когда вторичное напряжение не от-
личается сильно от первичного напря-
жения (при коэффициенте трансфор-
мации, близком к единице), вместо
обычного трансформатора выгодно
применять автотрансформатор.

Автотрансформатор отличается от
обычного трансформатора тем, что
вторичная обмотка его составляет
часть первичной обмотки (фиг. 245).
Иными словами, он имеет вместо
двух обмоток одну, подразделённую
на две части.

Автотрансформатор работает так
же, как и обычный трансформатор,
и может быть повышающим или по-

стержня (необходимого для

Фиг. 245. Автотрансформатор
отличается от обычного транс-
форматора тем, что вторичная
обмотка его составляет часть
первичной. Для изготовления
автотрансформатора требуется
меньшее количество провода,
так как по участку 2—3 об-
мотки протекает разность то-
ков ?! — /а

нижающим.

Автотрансформаторы имеют некоторые преимущества по срав-
нению с обычными трансформаторами, так как для изготовления их
расходуется меньшее количество провода. Это объясняется тем,
что по участку 2 — 3 обмотки протекает разность первичного и
вторичного токов —/а, т. е. ток меньший, чем токи и /2, что

позволяет выполнить этот участок из провода меньшего сечения.

Однако преимущества автотрансформаторов проявляются только
при небольших коэффициентах трансформации, когда разность
токов — /2 мала и участок 2—3 включает в себя значительную
часть всех имеющихся в автотрансформаторе витков.

Регулирование напряжения. Вторичное напряжение, снимае-
мое с трансформатора или автотрансформатора, можно регулиро-
вать, изменяя число витков, включённых во вторичную обмотку.
Такой способ регулирования напряжения трансформатора при-
менён, например, в электровозах переменного тока. Для этой
цели вторичная обмотка трансформатора снабжается рядом выво-
дов (фиг. 246), к которым с помощью соответствующих выключа-
телей (контакторов 1, 2, 3 и т. д.) могут присоединяться электри-
ческие потребители (тяговые двигатели, ртутные выпрямители
и пр.). Присоединяя потребитель к тому или иному выводу транс-
форматора, можно изменять

контентный правой

-/ Транссрорматар

Контах-
торы-

ши

Тяговый
двигатель

фиг. 246. Напряжение, снимае-
мое с трансформатора, можно
регулировать, изменяя число
витков, включённых во вторич-
ную обмотку

количество включённых во вторичную
обмотку витков, т. е. напряжение,
ё/, подаваемое на этот потребитель.

Трёхфазные трансформаторы.
Трансформаторы могут быть однофаз-
ными и трёхфазными. Трёхфазный
трансформатор состоит из трёхстер-
жневого магнитопровода (фиг. 247),
на котором расположены обмотки.
На каждом стержне трансформатора
размещены две обмотки, принадлежа-
щие одной фазе; одна из них являет-
ся первичной обмоткой, а другая
вторичной.

Зажимы обмоток высшего напряже-
ния обозначаются буквами: начало —
А, В, С, концы — X, У, 2; зажимы
обмоток низшего напряжения: нача-
ла — а, Ьу с; концы — х, у, г.

В каждой фазе трёхфазного трансформатора происходят те же
процессы, что и в однофазном трансформаторе. Поэтому в этом
трансформаторе сохраняются те же соотношения между напряже-

ниями, токами и числами вит-
ков обмоток.

Первичные обмотки трёхфаз-
ного трансформатора принципи-
ально могут соединяться звез-
дой или треугольником. Так
же могут соединяться и вто-
ричные обмотки трансформа-
торов.

Однако для упрощения мон-
тажа трансформаторов нашими
стандартами установлены толь-
ко три возможные схемы их
соединения:

а) первичная обмотка «звез-
да»; вторичная — «звезда с ну-
левым проводом» (обозначение
АШ;

Первичная обмотка
, высшего напряжения)

вторичная обмотка
(низшего напряжения)

Фиг. 247. В трёхфазном трансформа-
торе на каждом стержне расположе-
ны две обмотки—первичная и вто-
ричная — принадлежащие одной фа-
зе Эти обмотки могут включаться
в звезду или в треугольник

б) первичная обмотка «звез-

да»; вторичная—«треугольник» (обозначение Х/А)’»

в) первичная обмотка «звезда с нулевым проводом»; вторич-
ная— «треугольник» (обозначение Хо/^)-

Потери и коэффициент полезного действия. При передаче энер-
гии из первичной обмотки трансформатора во вторичную возни-
284
кают потери энергии. Эти потери имеют место в медных прово-
дах первичной и вторичной обмотки и в стали магнитопровода
(фиг. 248)*

Поступающая
мощность

Потери 6 перби- По те пи Потери во 8то ри ч*

иной обмо/пке 8 стали на и обмотке

Фиг. 248. При передаче энергии из первичной обмотки
трансформатора во вторичную обмотку возникают потери энер-
гии в проводах первичной и вторичной обмоток и в стали
сердечника

Уменьшение потерь достигается соответствующим выбором се-
чения проводов обмоток трансформатора (снижение потерь в про-
водах), применением электротехнической стали для изготовления

магнитопровода (снижение потерь от
перемагничивания) и расслоением маг-
нитопровода на ряд изолированных
друг относительно друга листов (сни-
жение потерь от вихревых токов).

Благодаря отсутствию в трансфор-
маторе вращающихся и трущихся дета-
лей потери энергии в нём малы по срав-
нению с другими машинами, а к. п. д.
высок и достигает в трансформаторах
большой мощности 98—99%.

Фиг. 249. Коэффициент по-
лезного действия трансфор-
матора сохраняет большое
значение в довольно широ-
ком диапазоне изменения
нагрузки

К. п. д. трансформатора сохраняет
большое значение в довольно широ-
ком диапазоне изменения нагрузки
(фиг. 249). У трансформаторов, изготов-
ляемых советскими заводами, максималь-

ное значение к. п. д. имеет место при

нагрузке 50 — 70% от номинальной; это соответствует примерно
средней нагрузке работающего трансформатора.

Коэффициент мощности. Коэффициент мощности (соз ф) транс-
форматора определяется характером нагрузки, подключённой к его

вторичной цепи. Однако при уменьшении нагрузки начинает

сильно сказываться индуктивное сопротивление обмоток транс-
форматора, и коэффициент мощности его снижается. При отсут-
ствии ^нагрузки (при холостом ходе) трансформатор имеет очень
низкии коэффициент мощности, что оказывает вредное влияние на
работу источников переменного тока и электрических сетей
(см. § 45).

В этом случае трансформатор необходимо обязательно отключать
от сети переменного тока.

Охлаждение трансформаторов. По способу охлаждения транс-
форматоры разделяются на сухие и масляные. В сухих трансфор-
маторах тепло, выделяемое при работе в обмотках и сердечнике,
непосредственно отдаётся окружающему воздуху. В масляных
трансформаторах сердечник с обмотками целиком погружается
в бак, наполненный тщательно очищенным минеральным маслом
(трансформаторное масло). Масло омывает обмотки и сердечник,

Фиг. 250. Трансформатор с масляным охлаждением

в которых выделяется тепло, и передаёт его стенкам бака. Для
повышения теплоотдачи поверхность охлаждения увеличивается
путём применения баков с ребристыми стенками или трубчатых
баков (фиг. 250). Нагревающееся внутри бака масло поднимается
кверху, а охлаждающееся в трубах опускается вниз, создавая та-
ким образом естественную циркуляцию, способствующую охлаж-
дению трансформатора.

В трансформаторах, установленных на электровозах перемен-
ного тока, применяют искусственную циркуляцию масла в тру-
бах и охлаждение этих труб воздухом, нагнетаемым вентилятором.

Трансформаторное масло наряду с улучшением охлаждения
повышает также электрическую прочность изоляции обмоток транс-
286
форматора и предотвращает вредные атмосферные воздействия
окружающего воздуха на изоляцию.

Однако при работе трансформатора масло его нагревается, раз-
лагается и загрязняется. Поэтому периодически необходимо
заменять масло в трансформаторных баках, а сами масляные
трансформаторы во избежание опасности пожара и взрыва должны
устанавливаться в специально огражденных помещениях.

Для защиты от возможной аварии трансформаторы средней и
большой мощности снабжают специальными газовыми реле.
При значительном выделении взрывоопасных газов, возникающих
в результате разложения масла, газовое реле автоматически вы-
ключает трансформатор, предупреждая развитие аварии.

52. Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели бывают однофазные и трёхфазные.
Наиболее широкое применение получили трёхфазные асинхронные
двигатели. Они являются самыми распространёнными электриче-
скими двигателями и применяются для привода в движение различ-
ных станков, насосов, компрессоров, грузоподъёмных механизмов
и пр. Трёхфазные асинхронные двигатели используются также на
некоторых электровозах переменного тока в качестве тяговых дви-
гателей и двигателей вспомогательных машин.

Фиг. 251. Схема пространственног? расположения катушек и изменения
в них тока для получения вращающегося магнитного поля

Вращающееся магнитное поле. Действие асинхронного двига-
теля основано на использовании явления вращающегося магнитно-
го поля. Вращающееся магнитное поле создаётся при питании
трёхфазным током трёх катушек /, // и III, сдвинутых друг от-
носительно друга в пространстве на угол 120° (фиг. 251, а). В этом
случае в каждую из катушек будут поочерёдно подаваться им-
пульсы тока 12 и /3 (фиг. 251,6), в результате чего создаваемое
ими магнитное поле будет непрерывно вращаться в пространстве.
о асинхронном двигателе указанные три катушки расположены
на неподвижной части машины — статоре; их соединяют
в звезду или треугольник и подключают к сети трехфазного
переменного тока.

Рассмотрим более подробно, как образуется вращающееся маг-
нитное поле. Как видно из графика изменения токов, поступаю-
щих в катушки 1, II и III (см. фиг. 251,6), в первый момент
ток равен нулю, ток /2 отрицателен, а ток /3 положителен.
Следовательно, по катушке / ток протекать не будет, в катушке
// он будет направлен от конца к началу, а в катушке /// — от
начала к концу.

Фиг 252 При питании трёхфазным током трех катушек, сдвинутых друг
относительно друга в пространстве на угол 120", в каждую из них будут
подаваться поочерёдно импульсы тока, в результате чего создаётся вра-
щающееся магнитное поле

Если поместить внутри кольца с катушками (см. фиг. 252,а) не-
большой магнит (на фиг. 252 он условно показан в виде стрел-
ки), то под действием магнитного поля, созданного катушками,
магнит будет занимать вертикальное положение.

Через ;/6 часть периода ток будет иметь некоторое положи-
тельное значение (см. фиг. 251, б), ток /2 будет ещё отрицателен,
а гои /3 станет равным нулю. Следовательно, в катушке / ток
будет направлен от начала к концу, в катушке // — от конца
к началу, а по катушке /// протекать ток не будет. Направление
результирующего магнитного поля, созданного катушками, при
этом изменится, и магнит повернётся на угол 60° (см. фиг 252, б).

Ещё через 1/8 часть периода ток будет всё ещё иметь поло-
жительное значение (см. фиг. 251, б), ток /2 станет равным нулю,
а ток /3 станет отрицательным. При этом в катушке / ток будет
288
направлен от начала к концу, в катушке II ток будет отсутствовать,
а в катушке III он будет направлен от конца к началу. Созданное
катушками магнитное поле -снова" изменит своё направление, и

магнит опять повернется на угол
60° (фиг. 252, в). Продолжая
дальше рассмотрение процесса
протекания токов по обмоткам
статора асинхронного двигателя
и определяя направление создан-
ного им магнитного поля (фиг.
252, г, д и е), можно легко дока-
зать, что в течение одного периода
изменения тока магнитный поток
машины, а следовательно, и нахо-
дящийся в её поле магнит повер-
нутся на один оборот.

Таким образом, при питании
трёхфазным током трёх обмоток,
сдвинутых друг относительно дру
га на угол 120°, возникнет магнит-
ное поле, вращающееся в про-
странстве с постоянной скоростью
которую называют синхронной
скоростью.

Рассмотренное выше вращаю-
щееся поле имеет два полюса.
При размещении на статоре шести
обмоток, сдвинутых ка угол 60°,

вращающееся

Фиг. 253. Вращающееся магнитное
поле, пересекая проводники об-
мотки ротора, индуктирует в них
э. д. с. и создаёт электрический
ток. В результате взаимодействия
тока ротора с вращающимся по-
лем возникает вращающий момент,
приводящий ротор во вращение

получим вращающееся магнитное
поле, имеющее четыре полюса.

и т. д.

Скорость вращения магнитного
поля может быть определена по
формуле

60/
«1 = —,
Р

(80)

где /—частота изменения питающего напряжения;
р — число пар полюсов статора.

При / = 50 гц скорость вращения для двигателей с раз-
личным числом полюсов (с различным числом обмоток на статоре)
будет равна:

Число полюсов 2 4 6 8 10 12

Скорость вращения п1 об/мин 3 000 1 500 1 000 750 600 500

Принцип действия асинхронного двигателя. Принципиально
асинхронные двигатели состоят из неподвижной части — статора
(фиг. 253), на котором расположены три обмотки, сдвинутые друг
19 Заказ 1216 289
относительно друга на угол 120°, и вращающейся части — ротора
с соответствующей обмоткой.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое обмотками статора,
пересекая проводники обмотки ротора, индуктирует в них э. д. с.

Обмотка ротора замыкается накоротко или на какое-либо не-
большое сопротивление; поэтому под влиянием индуктированных
э. д. с. по проводникам ротора будет протекать электрический ток.
В результате взаимодействия тока ротора /’2 с вращающимся магнит-
ным полем возникают электромагнитные силы Р, действующие на
провода обмотки ротора. Суммарное действие всех этих сил создаёт
вращающий момент Л1, который приводит ротор во вращение в на-
правлении магнитного поля.

Следует отметить, что в асинхронном двигателе скорость вра-
щения ротора и2 никогда не может стать равной скорости вра-

Фиг. 254- Конструктивное выпол-
нение асинхронного двигателя с ко-
роткозамкнутым ротором

щения пг магнитного поля,
так как в этом случае маг-
нитное поле перестало бы пе-
ресекать проводники обмотки
ротора и в них не возникал
бы электрический ток. Поэ-
тому двигатель в этом режи-
ме не мог бы развить вращаю-
щего момента и ротор его под
влиянием противодействую-
щего момента нагрузки и сил
трения начал бы замедлять-
ся. Замедление ротора проис-
ходило бы до тех пор, пока
вращающий момент, возник-
ший при уменьшенной ско-
рости вращения, не слал бы
равным моменту нагрузки и
моменту, создаваемому сила-

ми трения. В дальнейшем при достижении равенства этих моментов
двигатель будет уже вращаться с постоянной скоростью п2 мень-
шей, чем скорость вращения пг магнитного поля. Таким образом
ротор асинхронного двигателя всегда как бы отстаёт от вращаю-
щегося поля (скользит), причём при возрастании нагрузки это

отставание увеличивается.

По этой причине такой двигатель получил название «асинхрон-
ный», т. е. вращающийся не одновременно с полем.

Двигатель с короткозамкнутым ротором. По своей конструкции
асинхронные двигатели подразделяются на два основных типа:
двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазовым

ротором.

Конструктивное выполнение асинхронного двигателя с коротко-
замкнутым ротором изображено на фиг. 254, а его принципиаль-
ная схема — на фиг. 255.
В электрических машинах переменного тока, в отличие от ма-
шин постоянного тока, не только вращающаяся часть машины,
но и все участки ее магнитной цепи (ротор и статор) выполняют
из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга
изоляционной лаковой плёнкой, окалиной и пр. (фиг. 256) благо-
даря этому уменьшается вредное действие вихревых токов, воз-
никающих в стали статора и ротора при вращении магнит-
ною поля.

Листы статора и ротора имеют пазы открытой, полузакрытой
или закрытой формы, в которых располагаются проводники со-

Фнг. 255- Схема асинхронного двигателя с короткозамкнутым
ротором

ответствующих обмоток. В статоре чаше всего применяются полу-
закрытые пазы прямоугольной или овальной формы; в машинах
большой мощности — открытые пазы прямоугольной формы. Па-
зы короткозамкнутого ротора обычно выполняются закрытыми,
т. е. имеют стальной ободок, отделяющий паз от воздушного за-
зора. Такая форма паза позволяет хорошо укрепить проводники
обмотки ротора, хотя и несколько увеличивает потоки рассеива-
ния и индуктивное сопротивление роторной обмотки.

Сердечник статора запрессовывают в литую станину и укрепляют
в ней стопорными винтами. Сердечник ротора напрессовывают на
вал ротора, который вращается в шарикоподшипниках, установ-
ленных в двух подшипниковых щитах. Воздушный зазор между
статором и ротором имеет обычно минимальную ширину, допус-
каемую с точки зрения точности сборки и механической жест-
кости конструкции. В двигателях малой и средней мощности воз-

Статср
двигателя

Фиг. 256. Статор двигателя и листы статора и ротора

Лист

душный зазор обычно составляет несколько десятых миллиметра.
Малая ширина зазора обеспечивает уменьшение магнитного со-
противления магнитной цепи машины, а следовательно, и уменьше-
ние намагничивающего тока, требуемого для создания в двига-
теле магнитного потока. Снижение намагничивающего тока поз-
воляет повысить коэффициент мощности двигателя.

Обмотка статора выполнена в виде ряда катушек из прово-
локи круглого или прямоугольного сечения. Число катушек

Фиг. 257- Расположение катушек статора в асинхронном двигателе:
а — принципиальное в двухполюсной машине; б — расположение катушки
одной фазы в четырёхполюсной машине

обмотки статора определяется числом полюсов двигателя. В двух-
полюсной машине каждой фазе соответствует одна катушка, в че-
тырёхполюсной — две, в шестиполюсной — три. Следовательно,
двухполюсный двигатель будет иметь на статоре три катушки
292
(фиг. 257, а), четырёхполюсный — шесть; шестиполюсный — де-
вять и т. д.

Каждая из сторон катушки обычно включает в себя проводники,
лежащие в нескольких пазах (фиг. 257, 6). Проводники укрепляются
в пазах с помощью деревянных клиньев (фиг. 258), которые за-

Укладка мягких секций
обмотки

Лакоткань

У клав на тйгодых
секций обмотки.

Картон

Хлопчато-
' «’<=='• бумажная
лента

Пво8оЗ

-Клин

Разрез паза.

Твёрдая секция Мягкая секция
для открытых для полузакрытых
пазод лазод

Фиг. 258. Укладка секций обметки статора в пазы

кладываются у головок зубцов; стенки паза покрываются листо-
вым изоляционным материалом (электрокартоном, лакотканью
и др.). Обычно все или половина проводников, лежащих в одном
пазу, изолируют совместно, т. е. объединяют конструктивно в одну
общую катушку,

Фиг. 259. Лобовые части обмотки статора;
а —катушечной; б —цепной; а—двухслойной

С торцовых сторон машины лежащие в пазах проводники
соединяются •лобовыми соединениями (фиг. 259). Проводники ло-
бовых соединений не принимают участия в индуктировании э. д. с.,
поэтому их стараются выполнить по возможности короче.
Отдельные катушки обмотки статора могут соединяться в звезду
или в треугольник; для этой цели начала и концы обмоток каждой
фазы выводят к шести зажимам клеммовой коробки двигателя
(см. фиг. 254).

Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки (фиг. 260, п).
Она сделана из медных или алюминиевых стержней, замкнутых
накоротко с торцов двумя кольцами (фиг. 260, б). Стержни этой
обмотки вставляются в пазы ротора без какой-либо изоляции,
так как э. д. с. индуктирования в короткозамкнутой обмотке ро-
тора весьма мала.

Фиг. 260. Конструкция короткозамкнутого ротора:

а —беличья клетка; б —ротор с медной стержневой обмоткой; в —ротор
с алюминиевой литой клеткой

В некоторых двигателях стержни беличьей клетки получают
путём заливки расплавленного алюминия в пазы сердечника ро-
тора (фиг. 260, в). Вместе со стержнями беличьей клетки от-
ливают и соединяющие их торцовые короткозамыкающие кольца.
Алюминий весьма пригоден для этой цели, так как он обладает
малым удельным весом, легкоплавкостью и достаточно высокой
электропровод ностью.

Во многих двигателях ротор имеет скошенные пазы с целью
устранения пульсации вращающего момента при работе машины.

Все двигатели снабжены вентиляторами, которые осуществляют
принудительную вентиляцию нагретых частей машины (обмоток
и стали статора и ротора), позволяя благодаря этому получить от
двигателя большую мощность. В некоторых двигателях применён
специальный вентилятор центробежного типа; в других лопасти
вентилятора отлиты совместно с боковыми кольцами беличьей
клетки (см. фиг. 260, в).

Механическая характеристика асинхронного двигателя с ко-
роткозамкнутым ротором, т. е. зависимость скорости вращения
294
ротора от нагрузки (вращающего момента на валу), изображена па
фиг. 261, а.

При холостом ходе двигатель развивает скорость и0 несколько
меньшую скорости вращающегося магнитного поля.

При номинальной нагрузке скорость вращения пном для раз-
личных двигателей обычно составляет 94—99% скорости пт. Чем
больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен раз-
вивать двигатель, тем меньше скорость вращения ротора.

Фиг. 261. Механические характеристики асинхронных двигателей:
а —с короткозамкнутым ротором; б —с фазовым ротором

Как показывает кривая (фиг. 261, а), скорость вращения асин-
хронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличе-
нии нагрузки в диапазоне от нуля до максимального её значения.
Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жёсткой механи-
ческой характеристикой.

Максимальный вращающий момент МмагСС двигатель развивает
при некоторой скорости пкр, составляющей 70—92% синхронной
скорости Отношение Ммакс к номинальному вращающему мо-
менту соответствующему расчётной мощности, для коротко-
замкнутых двигателей колеблется обычно в пределах 1,6—2,5.
Это отношение определяет перегрузочную способность машины.
Если нагрузка превысит величину максимального момента, то
двигатель остановится; при этом по обмоткам машины будет про-
ходить весьма большой ток, и двигатель может сгореть.

Вращающий момент Мпуек, развиваемый двигателем при пуске,
составляет обычно 90—150% номинального момента. Пусковой
ток в этом двигателе весьма велик и составляет обычно от 400
до 700% нормального рабочего тока двигателя.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели весьма просты по
конструкции и надёжны в эксплуатации. Они широко применяются
для привода металлообрабатывающих станков и других устройств,
которые пускаются в ход без нагрузки.

Однако сравнительно малая величина пускового момента корот-
незамкнутых асинхронных двигателей и большая величина пускового
тока не позволяют использовать их для привода таких машин и
механизмов, которые должны пускаться в ход сразу под большой
нагрузкой (с большим вращающим моментом). К таким машинам
относятся грузоподъёмные устройства, компрессоры, насосы и пр.;
Для привода этих машин обычно применяют асинхронные двига-
тели с фазовым ротором.

Фиг. 262. Схема асинхронного двигателя с (разовым ротором

Двигатель с фазовым ротором. Принципиальная схема асинхрон-
ного двигателя с фазовым ротором изображена на фиг. 262, а основ-
ные элементы его конструкции — на фиг. 263.

Этот двигатель отличается от двигателя с короткозамкнутым
ротором тем, что его обмотка ротора выполнена в виде системы
трёх катушек, сдвинутых друг относительно друга на 120° и со-
единённых в звезду. Концы обмотки ротора присоединены к трём
кольцам, к которым посредством щёток подключается трёхфазный
пусковой реостат. Обмотка статора этого двигателя выполнена так
296
же, как и статорная обмотка двигателя с короткозамкнутым рото-
ром. Благодаря включению последовательно с обмоткой ротора
пускового реостата механическая характеристика двигателя из-
меняет свою форму. При этом возрастает величина пускового мо-
мента и уменьшается величина пускового тока.

На фиг. 261, б изображено несколько механических характери-
стик асинхронного двигателя с фазовым ротором. Механическая
характеристика 1 двигателя, полученная при работе его без пуско-
вого реостата, называется естественной характеристикой.

Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при включении в об-
мотку ротора двигателя сопротивлений Рг пусю и Рзпуск,

кольца.

Фиг. 263. Конструктивное выполнение асинхронного двигателя
с фазовым ротором

называются искусственными (реостатными) механическими харак-
теристиками.

Для уменьшения износа колец и щёток двигатели с фазовыми
роторами часто снабжают приспособлениями для подъёма щёток
и замыкания колец накоротко после выключения реостата.

Двигатели с двойной беличьей клеткой и с глубокими пазами»
Стремление повысить пусковой момент короткозамкнутых асинхрон-
ных двигателей привело к появлению специальных конструкций
таких двигателей. К ним относятся двигатели с двойной беличьей
клеткой и двигатели с глубокими пазами. Ротор двигателя с двойной
беличьей клеткой имеет две короткозамкнутые обмотки (фиг. 264,а).
Наружная клетка является пусковой. Она обладает высоким актив-
ным сопротивлением и малым реактивным сопротивлением. Внутрен-
няя клетка, наоборот, является основной обмоткой ротора, она обла-
дает незначительным активным и большим реактивным сопроти-
влением.

В начальный момент пуска ток протекает главным образом по
наружной клетке, которая создаёт значительный вращающий момент.
По мере увеличения скорости двигателя ток переходит во внутрен-
нюю клетку и по окончании процесса пуска машина работает,
как обычный короткозамкнутый двигатель с одной (внутренней)
клеткой.

б)

Фиг. 264. Роторы асинхронных двигателей с двойной беличьей клеткой
(а) и с глубокими пазами (б)

Вытеснение тока в наружную клетку в начальный момент пуска
объясняется действием э. д. с. самоиндукции, индуктируемой в про-
водниках ротора. Чем ниже расположен в пазу проводник, тем
большим он охватывается магнитным потоком и тем большая э. д. с.
самоиндукции в нём индуктируется.

Вытеснение тока в верхние проводники ротора сказывается
сильно при неподвижном роторе, когда частота наводимого в обеих
клетках тока велика. По мере возрастания скорости вращения
ротора частота тока в нём будет уменьшаться (вращающееся маг-
нитное поле будут пересекать проводники ротора с меньшей ско-
ростью), и ток начинает про!екать по обеим клеткам в соответствии
с их активными сопротивлениями, т. е. главным образом через
внутреннюю клетку.

Двигатели с глубокими пазами (фиг. 264, б) также основаны на
использовании явления вытеснения тока. В этих двигателях стерж-
ни беличьей клетки выполнены в виде узких высоких шин,
заложенных в глубокие пазы ротора. В начале пуска ток проходит
главным образом по верхним частям стержней (расположенным
293
ближе к поверхности ротора), а затем по мере увеличения скорости
распределяется равномерно по всему их сечению.

Пуск в ход двигателей. Пуск в ход асинхронных двигателей
с короткозамкнутым ротором осуществляется непосредственным
подключением обмотки статора к сети трёхфазного тока. При этом
ток в роторе и статоре будет примерно в 4 — 7 раз больше номиналь-
ного тока. Для уменьшения величины пускового тока иногда на пе-
риод пуска двигателя понижают напряжение, подводимое к обмотке
статора. Это можно осуществить с помощью автотрансформатора,
а также путём переключения
на период пуска обмотки
статора с треугольника (если
нормально она соединена в
треугольник) на звезду.

При пуске двигателя этим
способом обмотки его вначале
соединяют по схеме «звезда»
(фиг. 265); при этом напря-
жение, подаваемое на фазо-
вую обмотку, снижается в
1,73 раза по сравнению с но-
минальным напряжением, на

которое рассчитан двигатель, фнг 265 Схема

пуска асинхронного
а пусковой (линеиныи) ток двигателя с короткозамкнутым рото-
уменынается в 3 раза. Затем, ром путем переключения со звезды
когда двигатель разовьёт до- на треугольник

статочно большую скорость,
обмотки статора с помощью специального переключателя пере-
ключают со звезды в нормальное рабочее положение—в треуголь-
ник. При пуске двигателя таким способом уменьшается и пуско-
вой момент машины; поэтому его применяют обычно для пуска
двигателей без нагрузки.

Переключение с треугольника на звезду используется также
для того, чтобы дать возможность применять одни и те же двигатели
при двух различных линейных напряжениях, находящихся в от-
ношении 1,73, например 127/220 в или 220/380 щ Для упрощения
переключения зажимы обмоток статора на щитке двигателя распо-
лагают так, как показано на фиг. 240.

Пуск в ход асинхронного двигателя с фазовым ротором осущест-
вляется с помощью пускового реостата, который обеспечивает
возможность пуска двигателя с максимальным пусковым моментом.

При пуске в цепь обмотки ротора двигателя предварительно
включают пусковой реостат, после чего подключают обмотку
статора к сети трёхфазного тока. При этом двигатель пускается
по характеристике 4 (соответствующей сопротивлению пускового
реостата и развивает в начале пуска вращающий момент,
равный Мпуск. макс (фИГ. 266).

Ио мере увеличения скорости вращения ротора вращающий
момент двигателя, как видно из его механической характеристи-
ки, уменьшается и может стать меньше некоторого момента
Мпуск. мин- Поэтому при уменьшении вращающего момента до
величины МПуСК. мин часть сопротивления пускового реостата
выводят. При этом вращающий момент двигателя мгновенно воз-
растает до Мпуск.макс> а затем с увеличением скорости вращения
будет изменяться по характеристике 3, полученной при сопро-
тивлении пускового реостата Т?2 пуск , меньшем, чем /?з пуск • При
дальнейшем уменьшении вращающего момента до МПуСК,мин часть

сопротивления реостата снова включается, и двигатель переходит
на работу по характеристике 2, соответствующей сопротивлению
пуск > МеНЬШСМ 7? 2 пуск -

Таким образом, в процессе пуска двигателя сопротивление

пускового реостата постепенно (ступенями) уменьшают и вра-

щающий момент двигателя изменяется в пределах от МпуСк. /лакс
до Мпуск. минкп ломаной кривой, показанной на фиг. 266 жирной

Фиг. 266. Диаграмма ступенчатого пуска асин-
хронного двигателя с фазовым ротором с по-
мощью пускового рс-остата

линией. В конце пуска
пусковой реостат пол-
ностью выводят, об-
мотка ротора двигате-
ля замыкается нако-
ротко и двигатель пе-
реходит на работу по
естественной характе-
ристике 1. Выключе-
ние отдельных частей
пускового реостата в
процессе пуска двига-
теля может осущест-
вляться вручную или

автоматически.

Регулирование
рости вращения.

ско-

Ре-

гулирование скорости
вращения асинхронных двигателей связано со значительными труд-
ностями, что является их существенным недостатком. Ни один из

имеющихся способов регулирования этих двигателей не обеспечивает

возможности плавного регулирования скорости их вращения в ши-
роком диапазоне без значительных потерь энергии или сложных
регулирующих устройств. Поэтому асинхронные двигатели в на-
стоящее время применяются только в тех устройствах, где не тре-
буется иметь возможность широкого регулирования скорости или
где это регулирование осуществляется с помощью механических
передач (например в станках).

Простейшим способом регулирования скорости двигателя являет-
ся изменение сопротивления, включённого в цепь ротора (фиг. 267).
Однако этот способ можно применять только в двигателях с фазо-
вым ротором. Кроме того, он связан с очень большими потерями
энергии в сопротивлении, включённом в цепь ротора (не эконо-
мичен) и применяется поэтому лишь при кратковременных режимах
работы, например при пуске.

Регулировать скорость вращения асинхронного двигателя можно
также переключением числа полюсов двигателя (многоскоростные

Фиг. 267. Скорость вращения асинхронного двигателя можно
регулировать путём изменения сопротивления в цепи ротора

двигатели). Для этой цели двигатель снабжается несколькими
обмотками статора, образующими различное число полюсов, или
же одной обмоткой с соответствующим переключающим устройством
(фиг. 268).

Четыре полюса

ДПа полюса

Фиг. 268. Скорость вращения асинхронного двигателя можно регулировать
путём изменения числа полюсов двигателя

При изменении числа полюсов двигателя, как это видно из фор-
мулы (80), изменяется скорость вращения магнитного поля двига-
теля, а следовательно, и скорость вращения его ротора.

Недостатком этого способа регулирования является скачко-
образное изменение скорости вращения по ступеням 3 000 об/мин —
1 500 об/мин — 1 000 об/мин и т. д., а также значительное услож-
нение конструкции двигателя.

Скорость вращения двигателя можно регулировать изменением

напряжения и частоты питающего тока.

В обоих случаях для питания двигателей необходимо уста-
навливать специальные устройства — автотрансформаторы или
преобразователи частоты. На электровозах переменного тока

с трёхфазными асин-
хронными тяговыми дви-
гателями регулирование
их осуществляется пу-
тём переключения по-
люсов и изменением ча-
стоты питающего тока.

Изменение направле-
ния вращения. Для из-
менения направления
вращения двигателя
нужно изменить направ-
ление вращения магнит-
ного поля, создаваемого
обмотками статора. Это
достигается изменением
порядка поступления

импульсов тока в от-
Фиг 269. Для изменения направления враще- дельиые обмотки. Так
ния асинхронного двигателя нужно переклю- >

чить два любых провода, соединяющих его например, если импуль-
обмотки статора с сетью трёхфазного тока сы тока будут посту-
пать в обмотки статора
(фиг. 269) в следующем порядке: фаза А — фаза В — фаза С,
то ротор двигателя будет вращаться по часовой стрелке. Если изме-

нить порядок поступления импульсов тока и подавать их в такой
последовательности: фаза В — фаза А— фаза С, то ротор начнёт
вращаться против часовой стрелки.

Для этой цели необходимо изменить порядок соединения обмоток
статора с сетью, переключив две любые фазы (провода). Например,
зажим А обмотки статора, который ранее был соединён с линейным
проводом Лъ нужно переключить на провод Л2, а зажим В этой
обмотки, соединённый ранее с проводом Л2> переключить на провод
Л] (см. фиг. 269). Такое переключение можно легко осуществить
обычным переключателем либо специальным аппаратом—реверсором.

Потери и к. п. д. Передача энергии от обмотки статора к ва-

лу двигателя осуществляется посредством вращающегося магнит-
ного поля. При этом в процессе передачи энергии в различных
элементах двигателя имеют место потери энергии (фиг. 270).

Коэффициент полезного действия асинхронных двигателей со-
ставляет примерно 75 — 95% (машины большей мощности имеют
соответственно больший к. п. д.).
При изменении нагрузки к. п. д. изменяется примерно так же,
как и в трансформаторе, сохраняя достаточно высокое значение
в довольно широком диапазоне нагрузок (фиг. 271).

Фиг, 270. При передаче электрической энергии от обмотки статора к валу
ротора в различных частях двигателя возникают потери энергии

Коэффициент мощности. Асинхронные двигатели имеют обмотки
со значительной индуктивностью, поэтому они потребляют из сети
довольно большую реактивную мощность.

Коэффициент мощности (созф) асинхронных двигателей при
полной нагрузке равен 0,7 — 0,9. Следовательно, они загружают
электрические станции и сети значительными реактивными токами
(от 70 до 40% номинального тока),

что является существенным недостат-
ком этих двигателей.

Кривая изменения созгр в зависи-
мости от нагрузки (см. фиг. 271) имеет
менее благоприятный характер, чем
кривая к. п. д. При нагрузках от
25 до 50% номинальной, которые
весьма часто имеют место при экс-
плуатации станков и других произ-

Фиг. 271. График изменения
коэффициента полезного дей-
ствия асинхронного двигате-
ля и коэффициента мощности
в зависимости от нагрузки

поэтому ни в коем случае
двигателей при холостом

водственных машин, коэффициент
мощности уменьшается до величины
0,5 — 0,75, т. е. до весьма неудов-
летворительных с энергетической
точки зрения значений. При снятии
нагрузки с двигателя (при холостом
ходе) соз с? уменьшается до 0,25 — 0,3,
нельзя допускать работу асинхронных

ходе и больших недогрузках.

Однофазные асинхронные двигатели. Однофазный асинхронный
двигатель имеет статор с одной обмоткой и ротор, выполненный
в виде беличьей клетки. Характерной особенностью этого двигателя
является то, что он не может развить припуске начальный вращаю-
щий момент и не в состоянии, следовательно, тронуться с места.
Объясняется это тем, что в однофазном асинхронном двигателе
при неподвижном роторе не возникнет вращающегося магнитного
поля, так как одна его обмотка статора не создает такого поля.

Г1ри питании статорной обмотки переменным током в машине
образуется переменный магнитный поток (фиг. 272), который не
поворачивается в пространстве, а лишь изменяется по величине и
направлению (пульсирует), как это происходит в трансформаторе.
При этом в обмотке ротора, так же как во вторичной обмотке
трансформатора, индуктируется э. д. с. и по замкнутым накоротко
проводникам ротора протекает электрический ток.

Фиг. 272. При питании
обмотки статора одно-
фазного асинхронного
двигателя переменным
током в машине не соз-
даётся вращающегося
магнитного поля и не
возникает начального
вращающего момента

Фиг. 273. Для создания вращающе-
гося магнитного поля однофазные
асинхронные двигатели снабжаются
дополнительной обмоткой, вклю-
чаемой в сеть переменного тока че-
рез конденсатор

Однако из рассмотрения фиг. 272 видно, что результирующий
момент, действующий на ротор, будет равен нулю, так как электро-
магнитные силы, создаваемые проводниками ротора, расположен-
ными на правой и левой его половинах, будут направлены в проти-
воположные стороны.

При изменении направления магнитного поля изменяются и
направления электромагнитных сил 5, но и в этом случае силы,
действующие на проводники правой и левой половин ротора, будут
направлены противоположно.

Чтобы обеспечить пуск в ход однофазного асинхронного двига-
теля, его снабжают вспомогательной фазой, которая даёт возмож-
ность получить в машине вращающееся магнитное поле. Эта фаза
представляет собой дополнительную обмотку, расположенную на
статоре двигателя и сдвинутую по отношению к основной обмотке
на угол 90° (фиг. 273). Для того чтобы эти обмотки создавали
304
вращающееся магнитное поле, ток в дополнительной обмотке дол-
жен быть сдвинут по фазе по отношению к току основной обмотки
на четверть периода (на угол 90^). Это достигается путём подклю-
чения дополнительной обмотки к сети переменного тока через
конденсатор, который, как было установлено в § 43, обеспечи-
вает требуемый сдвиг фаз в 90°.

В однофазных асинхронных двигателях небольшой мощности
вспомогательная фаза обычно включается только па период пуска.
Когда ротор двигателя раскрутится до нормальной скорости, он
сможет развивать вращающий момент и без вспомогательной фазы.

В более мощных двигателях вспомогательная фаза остаётся
включённой на всё время работы машины. Такие двигатели назы-
ваются конденсаторными. Конденсаторные асинхронные двигатели
обладают большим максимальным моментом и более высоким
к. п. д. по сравнению с простыми однофазными двигателями. Они при-
меняются в качестве тяговых двигателей на рудничных электровозах
и для привода вспомогательных машин на некоторых магистраль-
ных электровозах переменного тока.

53. Синхронные генераторы

Синхронные генераторы вырабатывают электрическую энер-
гию трёхфазного тока. Почти все без исключения генераторы пере-
менного тока, устанавливаемые на больших и малых электрических

Фиг. 274. Синхронный генератор имеет неподвижную часть — статор,
в пазах которого располагается трёхфазная обмотка, и вращающуюся
часть — ротор — с электромагнитами, питаемыми постоянным током

станциях, являются синхронными генераторами. Мощность этих
генераторов может быть самая различная, начиная от нескольких
киловатт (применяются на передвижных электростанциях) и кончая
несколькими сотнями тысяч киловатт (используются па мощных
центральных электростанциях).

Принцип действия и устройство. Синхронный генератор состоит
из неподвижной части — статора, в пазах которого располагается
трёхфазная обмотка (фиг. 274), и вращающейся части — ротора
20 Заказ 1210 305
с электромагнитами (полюсами), питаемыми постоянным током через
контактные кольца и щётки. Обмотка электромагнитов, создающая
магнитный поток машины, называется обмоткой возбуждения.
Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асип-

Фиг. 275. Статор и подшипниковые щиты синхронного генератора

Фиг. 276. Конструкция ротора синхронного генератора:

а — с явно выраженными полюсами; б —с неявно выраженными полюсами;
в —ротор генератора с якорем возбудителя

хронной машины, т. е. имеет три (в двухполюсной машине), шесть
(в четырёхполюсной) или большее количество катушек (фиг. 275),
сдвинутых друг относительно друга на соответствующие углы
(12С или 60° и т. д.). Ротор может иметь явно выраженные (высту-
пающие) полюсы (фиг. 276, а) или же может выполняться в виде
306
цилиндра без выступающих полюсов (фиг. 276, 6). В последнем
случае в роторе образуются магнитные полюсы за счёт соответствую-
щего расположения обмотки возбуждения.

В машинах небольшой мощности иногда применяют обратное
расположение обмоток: электромагниты устанавливают на статоре,
а трёхфазная обмотка размещается в пазах ротора и вращается
в магнитном поле полюсов.

Постоянный ток для питания обмотки возбуждения синхронный
генератор получает в большинстве случаев от небольшого генератора
постоянного тока, так называемого возбудителя, установленного

Л потребителю //потребителю

Фиг. 277. Схема синхронного

генератора с возбудителем

на общем валу с синхронным генератором (фиг. 277). В последнее
время в некоторых синхронных машинах обмотку возбуждения
питают от сети переменного тока через полупроводниковые выпря-
мители (фиг. 278).

При вращении ротора магнитный поток, создаваемый полюсами,
пересекает проводники трёхфазной обмотки генератора и индукти-
рует в них синусоидальные э. д. с. Благодаря тому, что три фазовые
обмотки трёхфазного генератора сдвинуты в пространстве на угол
120°, индуктируемые в них э. д. с. будут сдвинуты друг относительно
друга по фазе на г/з периода.

Фазовые обмотки генератора могут соединяться в звезду или
треугольник. При этом от генератора выводятся три линейных
провода, к которым подключается нагрузка (фиг. 279, а и б) или же
три линейных провода и один кулевой (фиг. 279, в).

При работе синхронного генератора происходит преобразование
механическом энергии, получаемой от вращающего его ротор пер-
вичного двигателя (паровая турбина, паровая машина, дизель и пр.),

К потребителям

Фиг. 279- Схемы включения обмотки статора синхронного
генератора

Фиг. 278 Схема синхронного генератора с возбуждением от
полупроводниковых выпрямителей

в электрическую энергию; последняя поступает в обмотку
статора и передаётся оттуда потребителям. Для питания обмотки
возбуждения требуется обычно сравнительно небольшая мощность
308
(несколько процентов от мощности генератора); поэтому возбуди-
тель генератора имеет малые размеры.

Регулирование напряжения и частоты. Э. д. с. К, индукти-
рованная в каждой фазовой обмотке синхронного генератора, зави-
сит от величины магнитного потока, создаваемого полюсами, и
скорости вращения его ротора, т. е.

Е = СФп, (81)

где Ф — магнитный поток;

п — скорость вращения;

С—постоянная величина, зависящая от конструкции маши-
ны (числа полюсов, числа витков обмотки статора и пр.).

Частота индуктированной переменной э. д. с. зависит исклю-
чительно от скорости вращения ротора и определяется формулой

рп
60’

(80')

где р — число пар полюсов.

Таким образом, для регулирования частоты переменного тока,
вырабатываемого синхронным генератором, необходимо изменять

скорость вращения ротора, т. е.
число оборотов вращающего его
первичного двигателя, а для ре-
гулирования величины э. д. с.,
т. е. напряжения генератора, не-
обходимо изменять величину его
магнитного потока.

Для этой цели в цепи обмотки
возбуждения генератора устанав-
ливается регулировочный реостат
(см. фиг. 277 и 278), который
позволяет изменять величину то-
ка возбуждения, поступающего з
эту обмотку, а следовательно, и
величину создаваемого ею магнит-

Фиг. 280. Внешние характеристики
синхронного генератора; при воз-
растании нагрузки напряжение
генератора падает

ного потока.

Работа машины при нагрузке. При увеличении нагрузки син-
хронного генератора напряжение его изменяется. Графическая
зависимость изменения напряжения от величины нагрузки назы-
вается внешней характеристикой генератора (фиг. 280). Как видно
из этой характеристики, напряжение генератора зависит не только
от тока нагрузки, но и от коэффициента мощности, при котором
работает генератор, т. е. от рода нагрузки (соотношения между
активным и реактивным сопротивлениями потребителей). Чем больше
отставание тока по фазе от напряжения, тем ниже идёт кривая на-
пряжения. При ёмкостной нагрузке, когда ток опережает по фазе
напряжение, последнее может даже возрастать по сравнению с на-
пряжением при холостом ходе.
Отдаваемая генератором мощность при одних и тех же значе-
ниях тока зависит от коэффициента мощности нагрузки. Однако
проводники генератора рассчитываются на определённый ток, а
его изоляция и магнитная система на определённые напряжение
и магнитный поток независимо от соз <р нагрузки. По этой причи-
не номинальной мощностью генератора считается его кажущаяся
мощность, измеряемая в киловольтамперах (ква).

Работа на общую сеть. Синхронные генераторы могут работать
индивидуально или несколько генераторов параллельно на общую
сеть (фиг. 281).

В последнем случае напряжение и частота тока, вырабатывае-
мого генератором, не могут регулироваться, так как в сети, к кото-
рой подключён генератор, имеются уже определённые напряжение и

Фиг. 281. Параллельная работа нескольких синхронных генераторов
на общую сеть

частота, получаемые в результате работы других подключённых
к этой же сети генераторов. При работе синхронных генераторов на
общую сеть нагрузка (ток I и активная мощность), которую прини-
мает на себя генератор, зависит от вращающего момента первичного
двигателя. При необходимости увеличить нагрузку генератора сле-
дует увеличить вращающий момент первичного двигателя, т. е.
увеличить поступление в этот двигатель топлива, пара или воды.
При уменьшении вращающего момента этого двигателя умень-
шается и нагрузка генератора.

Изменение тока в обмотке возбуждения генератора при работе
его на общую сеть не оказывает влияния на величину напряжения
генератора. В этом случае меняется лишь реактивная мощность
генератора.

Включение генератора в общую сеть (включение на параллель-
ную работу). Включение синхронного генератора в сеть трёхфазного
тока, к которой подключены уже другие генераторы, связано с ря-
дом трудностей.

Для того чтобы такое включение происходило без больших толч-
ков тока, необходимо, чтобы в любое мгновение времени перемен-
310
пая э. д. с. генератора была равна и направлена против перемен-
ного напряжения сети. Из этого требования вытекают следующие
условия включения синхронного генератора в общую сеть (на
параллельную работу):

а) э. д. с. генератора должна быть равна напряжению сети;

б) частота генератора должна быть равна частоте сети;

в) э. д. с. генератора должна быть сдвинута по фазе на полперио-
да относительно напряжения сети;

г) фазы генератора должны быть соединены с одноимёнными
фазами сети.

Невыполнение хотя бы одного из этих условий влечёт за собой
возникновение между генераторами в момент включения весьма
больших токов, опасных для генераторов и включённой в их цепь
аппаратуры.

Выполнение указанных условий требует предварительной синх-
ронизации машины, которая осуществляется следующим образом.

Фиг. 282. Подключение синхронного генератора к сети требует предвари-
тельной его синхронизации. При этом э. д. с. подключаемого генератора
должна быть установлена равной напряжению сети и сдвинутой относи-
тельно него по фазе на полпериода, а частота генератора должна быть
равна частоте сети

Подключённый к сети генератор доводится путём регулирования
первичного двигателя примерно до синхронной скорости; при этом
частота подключаемого генератора становится приблизительно рав-
ной частоте сети (устанавливается по одинаковым показаниям
частотомеров, подключённых к генератору и сети, фиг. 282).
После этого, регулируя ток в обмотке возбуждения генератора
(с помощью регулировочного реостата), изменяют напряжение на
его зажимах так, чтобы оно стало равным напряжению сети (регу-
лируется по показаниям вольтметров, подключённых к генератору и
сети). Однако перед подключением генератора к сети необходимо
более точно отрегулировать частоту машины и в особенности фазу
её э. д. с. Б качестве указателей для такого точного регулирования
служат синхроноскопы. Простейший синхроноскоп представляет
собой три электрические лампы, включённые между Шинами сети
и одноимёнными в отношении последовательности фаз зажимами
генератора. При таком включении каждая лампа находится под
действием разности мгновенных напряжений генератора и сети.
Поэтому при неточном совпадении частоты машины и сети эта раз-
ность напряжений будет то уменьшаться до нуля, то повышаться до
двойного значения напряжения сети, в результате чего лампы будут
то гаснуть, то вновь загораться. Чем больше будет частота генера-
тора приближаться к частоте сети, тем медленнее будет происходить
зажигание и потухание ламп.

Генератор может быть подключён к сети в тот момент, когда все
три лампы погаснут; в этот момент напряжения и С;2 (см. фиг. 282)
будут очевидно равны по величине и сдвинуты по фазе на полпериода.

Для подключения к сети крупных машин используются более
сложные автоматически действующие синхроноскопы.

Фиг. 283. Синхронный генератор преобразует механическую мощность,
получаемую от первичного двигателя, в электрическую мощность,
передаваемую от обмотки статора к потребителям

После подключения к сети синхронное вращение машины под-
держивается уже автоматически — за счёт внутренних моментов,
возникающих в генераторе. При всяком случайном отклонении от
синхронного вращения в обмотках статора возникают токи, которые,
взаимодействуя с магнитным полем, восстанавливают синхронизм
(вращение ротора с той же скоростью, что и вращающееся маг-
нитное поле, созданное трёхфазным током, протекающим по об-
мотке статора).

Коэффициент полезного действия и коэффициент мощности.
При передаче энергии от вала ротора синхронного генератора в об-
мотку статора в различных элементах машины возникают потери.
Потери имеют место в обмотках статора и ротора (фиг. 283), в стали
их сердечников и в трущихся элементах (подшипники, вентиляторы
и пр.). К. п. д. синхронных машин находится в пределах 0,85 — 0.95,
т. е. имеет примерно те же значения, что и у асинхронных машин.
312
Коэффициент мощности синхронного генератора зависит от харак-
тера нагрузки и от величины тока, поступающего в обмотку
возбуждения.

В зависимости от величины этого тока могут иметь место три
режима работы генератора:

а) режим полного возбуждения, когда генератор отдаёт в сеть
только активный ток, т. е. активную мощность, и работает при
соз <?=1;

б) режим кедовозбуждения, когда генератор отдаёт в сеть не
только активный, но и реактивный ток, отстающий по фазе от на-
пряжения на четверть периода (т. е. работает при соз 9, меныпем
единицы);

в) режим перевозбуждения, когда генератор отдаёт в сеть наряду
с активным током также и реактивный, но опережающий по фазе
напряжение на четверть периода.

Следовательно, в режиме перевозбуждения машина работает
так же, как и конденсатор, отдавая в сеть опережающий реактив-
ный ток. В технике используют это обстоятельство, применяя син-
хронные машины в качестве вращающихся компенсаторов для
улучшения соз9 промышленных предприятий (см. § 45).

54. Синхронные двигатели

Принцип действия и устройство. Синхронная машина может
работать в качестве генератора и в качестве двигателя.

Фиг. 284. В обмотку ротора синхронного двигатели подаётся от возбу-
дителя постоянный ток, при взаимодействии этого тока с вращающимся
магнитным полем статора создаётся вращающий момент, приводящий дви-
гатель во вращение

Синхронный двигатель выполнен так же, как и синхронный
генератор. Обмотка его статора подключена к сети трёхфазного
переменного тока; в обмотку же ротора подаётся от постороннего
источника (возбудителя) постоянный ток (фиг. 284, о). Благодаря
взаимодействию вращающегося магнитного поля, созданного трёх-
фазной обмоткой статора, и тока, протекающего по обмотке рото-
ра, возникает вращающий момент, приводящий двигатель во
вращение.

Однако в синхронном двигателе, в отличие от асинхронного,
ротор будет разгоняться до скорости п.2=пл (фиг. 284,6), с которой
вращается магнитное поле (до синхронной скорости). Объясняется
это тем, что ток в ротор подаётся от постороннего источника, а
не индуктируется в нём магнитным полем статора и, следователь-
но, не зависит от скорости вращения двигателя.

Характерной особенностью синхронного двигателя является
постоянная скорость вращения его ротора (равная синхронной
скорости) независимо от величины нагрузки. Механическая харак-
теристика двигателя имеет абсолютно жёсткий характер (фиг. 285).

об/мин

Е=

Ммахс

Вращающий
момент

вращающееся
поле статора

Фиг. 286. Для пуска синхронного дви-
гателя в ротор его закладывается до-
полнительная пусковая короткозам-
кнутая обмотка, которая обеспечивает
пуск его как асинхронного двигателя

Фиг. 285. Механическая харак-
теристика синхронного двига-
теля имеет абсолютно жёсткий
характер

При увеличении нагрузки свыше максимального (так называемого
опрокидывающего) момента Ммакс двигатель выпадает из синхрон-
ного вращения и останавливается. Выпадение синхронного двига-
теля из синхронизма является нежелательным и не должно
допускаться.

Перегрузочная способность синхронного двигателя, т. е. отно-
шение максимального его момента к номинальному (расчётному)
составляет примерно 2 — 2,5; следовательно, оно имеет прибли-
зительно то же значение, что и в асинхронном двигателе.

Пуск в ход и регулирование скорости. Пуск в ход синхронного
двигателя осуществляют с помощью специальных пусковых
устройств, так как для подключения машины к трёхфазной сети
необходимо раскрутить её ротор до скорости, близкой к синхронной.

Наиболее распространён так называемый асинхронный пуск
синхронного двигателя, при котором он пускается в ход как асин-
хронный. Для этой цели в полюсные наконечники ротора синхрон-
ного двигателя закладывается дополнительная пусковая коротко-
замкнутая обмотка из медных или латунных стержней (фиг. 286).
311
Она подобна беличьей клетке асинхронной машины, но занимает
лишь часть окружности ротора. В некоторых двигателях специаль-
ная короткозамкнутая обмотка в ротор не закладывается, а роль её
выполняет сам массивный сердечник ротора и металлические
клинья, закрывающие пазы ротора.

Обмотка возбуждения во время пуска замыкается на активное
сопротивление, превышающее сопротивление самой обмотки при-
мерно в 10— 15 раз.

После этого обмотка статора подключается к сети трёхфазного
тока, и двигатель начинает разгоняться как асинхронный. При
достижении ротором примерно 90 — 95% синхронной скорости
обмотка возбуждения переключается на питание от возбудителя
и за счёт возникающего при этом вращающего момента ротор до-
стигает синхронной скорости (втягивается в синхронизм).

При пуске больших двигателей для уменьшения величины
пускового тока обмотку статора подключают к трёхфазной сети
через понижающий трансформатор или автотрансформатор.

Регулирование скорости вращения синхронного двигателя воз-
можно изменением частоты питающей сети.

Сравнение с асинхронным двигателем. Существенным преиму-
ществом синхронных двигателей перед асинхронными является то,
что они могут работать при соз ср — 1 и даже с опережающим током.
Современные синхронные двигатели обычно рассчитываются на рабо-
ту с созср=0,8 (при опережении тока), т. е. они наряду с потреблением
из сети активной энергии для производства механической работы
отдают в сеть реактивную энергию в целях компенсации сдвига
фаз, возникающего при работе других электрических установок.
Кроме того, синхронный двигатель менее чувствителен к колебаниям
напряжения сети, чем асинхронный.

С другой стороны, асинхронный двигатель (особенно коротко-
замкнутый) гораздо проще по своему устройству, чем синхронный,
и главное, не нуждается в источнике постоянного тока (воз-
будителе).

Условия пуска в ход асинхронного двигателя также зна-
чительно более благоприятны, чем синхронного, хотя бы и снаб-
жённого пусковой обмоткой для асинхронного пуска. Поэтому для
привода основной массы машин и станков малой и средней мощности
применяются асинхронные двигатели.

Синхронные двигатели применяются для сравнительно больших
мощностей, главным образом более 100 кет, для приведения в дви-
жение крупных станков, машин и двигатель-генераторных агрегатов,
служащих для преобразования переменного тока в постоянный.
При большой мощности усложнение в конструкции, наличие воз-
будителя и т. д. в значительной мере теряют своё значение, а пре-
имущества синхронного двигателя увеличиваются.

Синхронные двигатели применяют на некоторых электро-
возах переменного тока, в которых происходит преобразование
переменного тока, получаемого из контактной сети, в постоянный
или трёхфазный ток, служащий для питания тяговых'двигателей
(электровозы однофазно-постоянного и однсфазпо-трёхфазного
тока). Они используются в этих электровозах для вращения
преобразовательного агрегата.

Фиг. 287 Компенсационная обмот-
ка служит для повышения соз ?
двигателя. Она располагается рав-
номерно вдоль окружности стато-
ра и соединяется последовательно
с якорем так, чтобы ток в её про-
водниках был направлен противо-
положно току в противолежащих
проводниках якоря

55. Коллекторные двигатели переменного тока

Однофазные коллекторные двигатели переменного тока полу-
чили широкое распространение на электрическом подвижном составе
переменного тока, применяемом в ряде стран.

Принцип действия и устройство. Однофазный коллекторный
двигатель принципиально устроен и работает так же, как и двига-
тель постоянного тока. В нём
имеются главные полюсы с обмот-
ками возбуждения, создающие в
машине магнитный поток, якорь
с обмоткой, коллектор, дополни-
тельные полюсы и пр.

Однако наличие в двигателе
пульсирующего магнитного поля
вызывает необходимость некоторо-
го изменения схемы и конструк-
тивного выполнения по сравнению
с машиной постоянного тока.

Чтобы сделать коллекторный
двигатель пригодным для питания
переменным током, необходимо в
первую очередь приспособить его
магнитопровод к условиям про-
хождения переменного магнитного
потока. Для этой цели статор дви-
гателя выполняется не массивным,

как в машинах постоянного тока, а из изолированных стальных
листов для ослабления действия вихревых токов.

Для того чтобы коллекторный двигатель переменного тока имел
достаточно высокий коэффициент мощности (соз<р), необходимо по
возможности уменьшить индуктивное сопротивление его обмоток.
Для этой цели двигатель снабжают компенсационной обмоткой; эта
обмотка почти полностью уничтожает поток реакции якоря, который
индуктировал бы в проводниках якоря большую э. д. с. само-
индукции.

Компенсационная обмотка размещается равномерно вдоль
окружности статора (фиг. 287) и соединяется последовательно
с якорем машины так, чтобы ток в её проводниках был противополо-
жен по направлению току в противолежащих проводниках якоря.
Чтобы сделать компенсацию более совершенной, в коллекторных
двигателях переменного тока не устраивают явно выраженных
полюсов и выполняют статор в виде такого же стального кольца,
как статор асинхронной и синхронной машин (фиг. 288).
На фиг. 289, а изображена электрическая схема однофазного
коллекторного двигателя с последовательным возбуждением. 11ри
работе двигателя ток в обмотке его якоря и магнитный поток будут
изменяться по синусоидальным кривым (фиг. 289, б), несколько
сдвинутым друг относительно друга по фазе на небольшой угол «>

Фиг 288. Слатор коллекторного двигателя переменного тока выполняется
из отдельных стальных листов в виде спального кольца с пазами:
а — общий вид статора; б — расположение пазов в листах статора Для размещения
обмоток возбуждения, компенсационной и дополнительных полюсов

Фиг. 289. Электрическая схема однофазного коллекторного двигателя
переменного тока (а) и график изменения его вращающего момента (б)

вращающий момыт

вследствие явления гистерезиса в стали магнитопровода. При этом
вращающий момент, развиваемый двигателем и равный произведению
мгновенных значений тока якоря и магнитного потока, будет иметь
пульсирующий характер.

Несмотря на такой пульсирующий характер вращающего мо-
мента, двигатель благодаря сглаживающему действию инерции
якоря будет вращаться с равномерной скоростью и развивать неко-
торый средний вращающий момент.
Коллекторные двигатели переменного тока могут быть также
трёхфазными. У этих двигателей статор устроен так же, как и
у асинхронных двигателей; переменный ток, протекающий по об-
моткам статора, создает в машине вращающееся магнитное поле.
Ротор выполнен, в основном, как якорь в машинах постоянного
тока и имеет коллектор с несколькими щетками.

Существуют также и конструкции универсальных коллектор-
ных машин, пригодных для работы при постоянном и при пере-
менном токе. Обычно это машины малой мощности (несколько
десятков или сотен ватт); они применяются для приводов настоль-
ных вентиляторов, швейных машин, пылесосов, мелкого электро-
инструмента и пр.

Коммутация. Процесс коммутации в однофазных коллекторных
двигателях протекает в более тяжёлых условиях, чем в машинах
постоянного тока. В короткозамкнутых витках этих двигателей,
кроме э. д. с. самоиндукции (реактивной э. д. с.), возникает также
так называемая трансформаторная э. д. с.

Трансформаторная э. д. с. возникает вследствие того, что комму-
тируемые витки пронизываются пульсирующим магнитным потоком
(фиг. 290, а). При этом коммутируемый виток является как бы вто-
ричной обмоткой трансформатора, замкнутой накоротко щёткой.

Трансформаторная э. д. с. отстаёт по фазе от индуктирующего
её потока и от реактивной э. д. с. на четверть периода. Она не зави-
сит от скорости вращения двигателя и действует в коммутируемых
витках даже при неподвижном якоре (фиг. 290, б).

Возникновение в коммутируемых витках коллекторных машин
переменного тока двух э. д. с. — реактивной и трансформатор-
ной — увеличивает ток коммутации по сравнению с машинами
постоянного тока и существенно ухудшает условия коммутации.

Безыскровая работа (удовлетворительная коммутация) в кол-
лекторных двигателях обеспечивается различными способами.
Реактивная э. д. с. уничтожается, как и в машинах постоянного
тока, с помощью дополнительных полюсов. С помощью этих полю-
сов можно также индуктировать в коммутируемых витках компен-
сирующую э. д. с. (см. § 30), равную и противоположную трансфор-
маторной, т. е. компенсировать вредное действие трансформаторной
э. д. с. Для этой цели параллельно обмотке дополнительных полюсов
включают шунтирующее активное сопротивление (см. фиг. 289, а),
которое обеспечивает требуемый сдвиг по фазе тока в обмотке допол-
нительного полюса с тем, чтобы поток его обеспечивал одновремен-
ное уничтожение двух указанных э. д. с.

Однако уничтожить трансформаторную э. д. с. таким способом
можно только при одной какой-либо определённой скорости враще-
ния пср и определенной нагрузке двигателя. При изменении ско-
рости его вращения будет пропорционально изменяться величина
компенсирующей э. д. с.; трансформаторная же э. д. с. изменяться
не будет, вследствие чего в коммутируемых витках будет деиство-
вать'некоторая разность э. д. с., ухудшающая условия коммутации
318
(см. фиг. 290, б). Точно так же при изменении нагрузки машины (а
следовательно, и тока в обмотке якоря и обмотке дополнитель-
пых полюсов) будет пропорционально изменяться величина ком-
пенсирующей э. д. с.; магнитный же поток и трансформаторная
э. д. с. из-за насыщения магнитной цепи машины будут меняться
незначительно.

Зона беаискробой Компенсирую*
коммутации

Эдс

НгскомленсирО'
данная Эд с.

Транс/рорма*
/парная Эдс

Чмакс

Фиг. 290- В коммутируемых витках коллекторного двигателя пульсирующим
магнитным потоком индуктируется трансформаторная э. д. с. Она не зависит
от скорости вращения п двигателя и действует даже при неподвижном якоре

При пуске двигателя никакой компенсации трансформаторной
э. д. с. не будет происходить, так как при неподвижном якоре
компенсирующая э. д. с. будет равна нулю. Поэтому7 пуск и работа
при малых скоростях являются самыми тяжёлыми режимами для
коллекторных двигателей переменного тока.

Невозможность полностью уничтожить трансформаторную э. д. с.
заставляет принимать специальные меры для того, чтобы можно
было практически использовать коллекторные двигатели перемен-
ного тока.
Одним из главных мероприятий, обеспечивающих 'снижение
трансформаторной э. д. с., является уменьшение частоты питаю-
щего двигатель тока. При уменьшении частоты уменьшается также
и скорость пересечения магнитным потоком коммутируемых витков
(см. фиг. 290, о), и снижается величина трансформаторной э. д. с.

Фиг. 291. Для улучшения коммутации коллектор-
ных двигателей переменного тока в витки якоря
включают активные сопротивления и применяют
слоистые щётки

По этой причине за границей на многих электрических железных
дорогах применяется переменный ток пониженной частоты (16 2/з гц
к Германии, 25 гц в Америке и др.).

Благодаря применению пониженной частоты обеспечивается
возможность использования на этих дорогах электровозов и мо-
торных вагонов с коллекторными двигателями переменного тока.
320
Уменьшение величины трансформаторной э. д. с. достигается
также специальным конструктивным выполнением коллекторных
двигателей. Для этой цели уменьшают число витков, включённых
между двумя коллекторными пластинами. При этом для того, чтобы
получить обметку якоря с требуемым числом витков, приходится
соответствующим образом увеличивать число коллекторных пла-
стин. Уменьшают также и магнитный поток каждого полюса двига-
теля путём соответствующего увеличения числа полюсов машины
и числа щёток. В результате этих мероприятий характерным
для коллекторных двигателей переменного тока становится
наличие большего числа полюсов и щёток и большого коллектора.

Для ограничения тока коммутации в современных коллекторных
тяговых двигателях переменного тока между концами витков якоря
и коллекторными пластинами включают активные сопротивления
(фиг. 291, я), применяют щётки с повышенным сопротивлением и
слоистые щётки (фиг. 291, б), удлиняющие путь, по которому про-
ходит ток коммутации, что увеличивает общее сопротивление ком-
мутируемого контура.

Все эти меры позволяют уменьшить ток коммутации до вполне
приемлемых значений, вследствие чего в последние годы оказалось
возможным создать коллекторные двигатели переменного тока для
промышленной частоты 50 гц.

Следует, однако, отметить, что коллекторные двигатели пере-
менного тока по своим техническим качествам уступают двигателям
постоянного тока: они больше по размерам, имеют меньший к. п. д.
(особенно при пуске) и значительно менее надёжны в эксплуатации.

Регулирование скорости вращения и пуск в ход. Регулирование
скорости вращения коллекторных двигателей переменного тока
осуществляется изменением напряжения на их зажимах. Для этой
цели на электровозах переменного тока устанавливают трансфор-
матор с рядом выводов от вторичной обмотки (фиг. Ж)2, а). Под-
ключая тяговые двигатели к различным выводам трансформатора,
можно изменять подводимое к двигателям напряжение, а следова-
тельно, и скорость их вращения.

Ослабление магнитного потока применяется в некоторых двига-
телях лишь при пуске; такая мера позволяет уменьшить трансфор-
маторную э. д. с. в коммутируемых витках. Обычно тяговые двига-
тели однофазного тока включаются параллельно; это снижает
склонность колёсных пар к боксованию и повышает ходовые каче-
ства электровоза.

Возможность регулирования скорости двигателей в широких
пределах путём изменения приложенного к ним напряжения исклю-
чает необходимость применения последовательно-параллельных
переключений, как в электровозах постоянного тока.

Для электрической тяги применяют однофазные коллекторные
двигатели с последовательным возбуждением; они имеют такие же
характеристики, как и двигатели постоянного тока с последова-
тельным возбуждением.

21 Заказ 1216 321
На фиг. 292,6 показан ряд таких характеристик при различных
напряжениях, подводимых к двигателю.

Однофазные коллекторные двигатели могут работать и в гене-
раторном режиме.

При самовозбуждений однофазная коллекторная машина будет
вырабатывать постоянный ток; поэтому при таком способе пита-
ния обмоток возбуждения возможно лишь реостатное торможение
без отдачи энергии в сеть переменного тока.

Трансформатор

Обмотка
возбуждения

ЯкОРЬ
Компенсационная
обмотка

Фиг. 292. Пр^ципиальная схема электровоза с коллекторными двигателями
переменного тока и электромеханические характеристики двигателя
при различных напряжениях

Однако применение самовозбуждения в этих двигателях за-
труднительно из-за малого остаточного магнетизма в расслоенных
сердечниках якоря и статора, выполненных из листов электро-
технической стали. Поэтому практически при электрическом тор-
можении однофазных коллекторных двигателей применяют независи-
мое возбуждение переменным током от специального возбудителя.

При таком возбуждении машина генерирует однофазный пере-
менный ток и может быть использована как для реостатного,
так и для рекуперативного торможения.

При рекуперативном торможении обычно применяют специаль-
ные иногда весьма сложные схемы соединения двигателей, которые
позволяют обеспечить удовлетворительную коммутацию и доста-
точно высокое значение коэффициента мощности однофазных кол-
лекторных машин, работающих в генераторном режиме.
Контрольные вопросы

1. Что называется трансформатором и каков принцип его действия?

2. Когда применяется автотрансформатор и как он работает?

3. Как производится регулирование напряжения трансформатора?

4. Из каких частей состоит трёхфазный трансформатор и как соеди-
няются его обмотки?

5. Где возникают в трансформаторе потери энергии и как обеспечи-
вают их уменьшение?

6 Чем определяется коэффициент мощности трансформатора?

7. Как осуществляют охлаждение трансформатора?

8 Как устроен и работает асинхронный двигатель?

9- На какие типы подразделяются асинхронные двигатели? Охаракте-
ризуйте эти типы.

10. Как осуществляется пуск в ход асинхронных двигателей?

11. Как производится регулирование скорости вращения асинхрон-
ных двигателей?

12. Как достигается изменение направления вращения асинхронных
двигателей?

13- Как устроен и работает однофазный асинхронный двигатель?

14. Как устроен и работает синхронный генератор?

15. Как производится регулирование напряжения и частоты синхрон-
ного генератора?

16. Как работает синхронный генератор при увеличении нагрузки?

17. Как работает синхронный генератор на общую сеть?

18. От чего зависит коэффициент мощности синхронного генератора
и какие возможны режимы работы синхронного генератора?

19. Как устроен и работает синхронный двигатель?

20. Как осуществляется пуск в ход и регулирование скорости синхрон-
ного двигателя?

21. Какие преимущества синхронных двигателей перед асинхронными?

22. Как устроен и работает однофазный коллекторный двигатель?

23. Как происходит процесс коммутации в однофазных коллекторных
двигателях?

24. Как осуществляются регулирование скорости вращения и пуск
в ход однофазных коллекторных двигателей?
ГЛАВА IX

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

56. Назначение и типы электроизмерительных приборов

Электроизмерительные приборы служат для контроля режима
работы электрических установок, их испытания и учёта расходуе-
мой электрической энергии. В зависимости от назначения электро-
измерительные приборы подразделяются на амперметры (измери-
тели тока), вольтметры (измерители напряжения), ваттметры (из-
мерители мощности), омметры (измерители сопротивления), часто-
томеры (измерители частоты изменения переменного тока), счёт-
чики электрической энергии и др.

Основной частью каждого измерительного прибора является
измерительный механизм. При воздействии измеряемой электри-
ческой величины (тока, напряжения, мощности и пр.) на измери-
тельный механизм прибора установленная на его оси стрелка повора-
чивается на некоторый угол, по которому на шкале прибора опре-
деляют значение измеряемой величины.

Действие электроизмерительных приборов основано на раз-
личных проявлениях электрического тока (магнитном, тепловом,
электродинамическом и пр.), используя которые можно с помощью
различных измерительных механизмов вызвать перемещение стрел-
ки. В зависимости от принципа действия, положенного в основу
устройства электроизмерительных приборов, они подразделяются
на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические,
тепловые, индукционные и пр Каждая из этих систем имеет своё
условное обозначение.

На лицевой стороне каждого прибора проставляются соответ-
ствующие условные обозначения, характеризующие назначение при-
бора (амперметр, вольтметр и т. д.), его класс точности, род тока,
при котором он может применяться, систему прибора, нормальное
его положение при измерениях и испытательное напряжение, при
котором проверялась изоляция прибора.

57. Магнитоэлектрические приборы

Устройство прибора. Магнитоэлектрический прибор (фиг. 293,и)
выполнен в виде постоянного магнита, снабжённого полюсными
наконечниками, между которыми укреплён стальной сердечник.
В кольцеобразном воздушном зазоре, образованном полюсными
наконечниками и сердечником, помещена подвижная катушка,
намотанная на алюминиевом каркасе. Катушка укреплена на оси,
связанной со стрелкой и спиральными пружинами; через эти же
пружины осуществляется подвод тока к катушке.

Проходящий по катушке ток /, взаимодействуя с магнитным по-
лем постоянного магнита, создаёт вращающий момент, стремящийся
повернуть катушку и укрепленную на её оси стрелку на некоторый
угол (фиг. 293, б). Поворот стрелки будет продолжаться до тех
пор, пока вращающий момент, создаваемый током /, не уравнове-
сится противодействующим моментом, создаваемым пружинами.

Фиг. 293. Устройство магнитоэлектрического прибора

Сердечная

Катушка

Каркас
катушки

Полюсный
наконечник

Магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу
(см. фиг. 293, б), так как у них угол поворота стрелки пропорцио-
нален току /, протекающему по катушке. Объясняется это тем,
что в этих приборах магнитный поток неизменен (создаётся постоян-
ным магнитом), вследствие чего вращающий момент, вызывающий
поворот катушки, пропорционален току /.

Для устранения колебаний подвижной системы прибора при
переходе стрелки из одного положения в другое электроизмери-
тельные приборы снабжаются воздушными или электромагнитными
успокоителями.

Воздушный успокоитель выполнен в виде цилиндрической трубки
(фиг. 294), внутри которой перемещается поршень, связанный
с подвижной системой. При перемещении подвижной системы при-
бора воздух в трубке успокоителя воздействует тормозящим обра-
зом на поршень, вследствие чего колебания подвижной системы
быстро затухают.

Электромагнитный успокоитель выполнен в виде неподвижного
постоянного магнита, который при повороте подвижной системы
прибора индуктирует вихревые токи в металлическом (алюминиевом)
секторе, установленном на оси прибора.

Взаимодействие этих токов с магнитом создаёт, согласно закону
Ленца, силу, тормозящую подвижную систему и обеспечивающую
быстрое затухание колебаний стрелки.

В магнитоэлектрических приборах роль электромагнитного
успокоителя выполняет алюминиевый каркас катушки
(см. фиг 293, б). При повороте подвижной части прибора меняется
магнитный поток, пронизывающий каркас катушки. Благодаря
этому в каркасе индуктируются вихревые токи, взаимодействие

Фиг. 294. Устройство воздушного и электромагнитного
успокоителей

которых с магнитным полем магнита создаёт тормозной момент,
обеспечивающий быстрое успокоение подвижной части.

Для того чтобы любой электроизмерительный прибор обеспе-
чил требуемую точность измерений, необходимо, чтобы отклонение
подвижной системы прибора определялось только вращающим мо-
ментом, создаваемым катушкой, и противодействующим усилием
пружины. Для устранения влияния силы тяжести, создающей по-
грешности при измерениях, подвижную систему прибора (фиг. 295)
уравновешивают с помощью противовесов, представляющих собой
стержни с перемещающимися по ним грузиками. Для уменьшения
влияния трения оси приборов снабжаются тщательно отполирован-
ными стальными наконечниками, так называемыми кернами, кото-
рые вращаются в подпятниках; последние в некоторых приборах
выполняемся из агата, рубина и т. п.
Электроизмерительные приборы обычно снабжаются корректо-
рам _ приспособлением, позволяющим устанавливать стрелку
в нулевое положение. Корректор состоит из винта, выходящего
наружу корпуса, и поводка, при помощи которых можно смещать
на некоторое расстояние точку закрепления спиральной пружины,
создающей противодействующее усилие.

Фиг. 295. Устройство подвижной системы электроизмери-
тельного прибора

Использование прибора. Катушка магнитоэлектрического при-
бора может быть включена в электрическую цепь постоянного тока
последовательно или параллельно. В зависимости от этого прибор
может служить в качестве амперметра или вольтметра.

При последовательном включении катушки (фиг. 296,а) угол
отклонения подвижной системы прибора будет пропорционален
току /, протекающему по данной цепи, и прибор будет работать
в качестве амперметра.

При подключении катушки прибора параллельно к каким-
либо двум точкам, между которыми действует некоторое напряжение
постоянного тока (фиг. 296,6), по катушке будет протекать ток,
пропорциональный этому напряжению, и прибор будет работать
в качестве вольтметра, измеряющего напряжение между данными
точками.

Для уменьшения величины протекающего по катушке тока и
для компенсации влияния температуры на показания прибора
в вольтметрах последовательно с катушкой включают добавоч-
Ное сопротивление Рд • Величина этого сопротивления значи-
тельно больше сопротивления катушки, и оно выполняется из
материала (константан и пр.), электрическое сопротивление ко-
торого весьма мало зависит от температуры.

Из принципа действия магнитоэлектрического прибора вытекает,
что направление отклонения его стрелки зависит от направления
тока /, протекающего по катушке. Следовательно, при вклю-
чении этих приборов в цепь постоянного тока должна быть соблю-

Фиг. 296. При использовании прибора в качестве амперметра (а) катушка его
включается последовательно в цепь, где требуется измерить ток. При ис-
пользовании прибора в качестве вольтметра (б) катушка его подключается
к двум точкам, между которыми действует напряжение, подлежащее
измерению

дена правильная полярность, при которой стрелка отклоняется
в требуемую сторону. Для переменного тока магнитоэлектрические
приборы непригодны, так как при питании катушки переменным
током средняя величина создаваемого ею вращающего момента будет
равна нулю, и стрелка прибора будет стоять на нуле, испытывая
чуть заметные колебания.

Достоинством приборов магнитоэлектрической системы являются
равномерность шкалы, высокая точность и независимость показаний
от посторонних магнитных полей. К недостаткам их относятся
непригодность для измерения переменного тока, необходимость
соблюдения полярности при включении и чувствительность к пере-
грузкам (при перегрузке тонкая проволока катушки и спиральные
пружины, подводящие к катушке ток, могут сгореть).

Магнитоэлектрические приборы широко используют на электри-
ческом подвижном составе и тепловозах для измерения напряжения
в контактной сети, напряжения тепловозного генератора, напряже-
ния низковольтных цепей, тока в цепи тяговых двигателей и тока
в цепи аккумуляторной батареи.
58. Электромагнитные приборы

Устройство прибора. Приборы этой системы основаны на меха-
ническом взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой
(фиг. 297), со стальным сердечником, помещённым в поле этой
катушки. Сердечник установлен на оси, несущей стрелку.

При прохождении тока по катушке сердечник будет намаг-

ничиваться и втягиваться в катушку, поворачивая ось и стрелку

Повороту оси препятствует спи-
ральная пружина. Когда усилие,
создаваемое пружиной, уравно-
весит усилие, созданное катуш-
кой, подвижная система прибора
остановится, и стрелка зафикси-
рует на шкале определённую вели-
чину тока.

Сила, с которой катушка втя-
гивает в себя сердечник, а следова-
тельно, и величина угла поворота
стрелки пропорциональны квад-
рату тока, протекающего по ка-
тушке. Поэтому такой прибор имеет
неравномерную шкалу.

Для сглаживания этой нерав-
номерности сердечнику придаётся
особая лепесткообразная форма,
вследствие чего форма магнитного
поля и сила, создаваемая катуш-
кой, изменяются по мере втягива-

Фиг. 297. Устройство электромаг-
нитного прибора

ния сердечника.

Для устранения колебаний подвижной системы прибора при
переходе стрелки из одного положения в другое прибор снабжается
успокоителем.

Использование прибора. Электромагнитные приборы могут быть
использованы для измерения как постоянного, так и переменного
тока. При периодическом изменении переменного тока, протекаю-
щего через прибор, усилие, создаваемое его катушкой, не будет
изменяться по направлению, так как оно будет пропорционально
квадрату тока. Поэтому угол отклонения стрелки будет опре-
деляться некоторым средним усилием, зависящим от величины
протекающего тока. При включении электромагнитных приборов
в цепь переменного тока они измеряют эффективные значения
тока или напряжения.

Катушка прибора при измерениях может быть включена после-
довательно в электрическую цепь или параллельно к двум точкам,
между которыми действует некоторое напряжение. В первом случае
прибор будет работать в качестве амперметра, во втором в качестве
вольтметра.
Достоинствами приборов электромагнитной системы являются:
простота и надёжность конструкции, невысокая стоимость, большая
устойчивость к перегрузкам и пригодность для измерений в цепях
переменного и постоянного токов.

К недостаткам относятся: невысокая точность, малая чувстви-
тельность, неравномерность шкалы и зависимость показаний от
внешних магнитных полей и частоты переменного тока.

Электромагнитные приборы используются главным образом для
измерения тока и напряжения в промышленных установках пере-
менного тока.

59. Электродинамические приборы

Устройство прибора. Приборы электродинамической системы
основаны на механическом взаимодействии двух катушек, обтекае-
мых электрическим током.

Прибор (фиг. 298) состоит из двух катушек — неподвижной
и расположенной внутри неё подвижной. Подвижная катушка

Успокоитель

Фиг. 298 Устройство электродинамического прибора

связана с осью прибора, стрелкой и двумя спиральными пружинами,
которые служат для создания противодействующего момента и для
подвода тока к подвижной катушке. В приборе применяется воз-
душный успокоитель.

При протекании по катушкам токов и /2 возникают электро-
динамические усилия Г, которые стремятся повернуть подвижную
катушку относительно неподвижной на некоторый угол.

Поворот подвижной системы прибора будет происходить до
тех пор, пока усилие, созданное катушками, не уравновесится
противодействующим усилием, созданным спиральными пружинами.
330
Использование прибора. Величина усилия Г, созданного ка-
тушками электродинамического прибора, а следовательно, и угол
поворота стрелки пропорциональны произведению протекающих
по катушкам токов /х и /2- Поэтому
в зависимости от схемы включения
катушек прибор может быть ис-
пользован в качестве амперметра,
вольтметра и ваттметра.

При включении обеих катушек
прибора последовательно в цепь
измеряемого тока (фиг. 299, а)
прибор будет работать в качестве
амперметра, при подключении ка-
тушек к двум точкам (фиг. 299, б),
между которыми действует под-
лежащее измерению напряжение,
прибор будет работать в каче-
стве вольтметра. При подключении
же одной катушки последователь-
но, а другой параллельно потре-
бителю угол отклонения стрелки
будет пропорционален произведе-
нию тока I и напряжения I), т. е.
мощности Р = VI, и, следователь-
но, прибор будет работать в ка-
честве ваттметра (фиг, 299, в) и
измерять мощность, получаемую
потребителем.

Достоинствами электродинами-
ческих приборов являются при-
годность для измерения постоян-
ного и переменного тока, равно-
мерность шкалы у ваттметров и
относительно высокая точность по
сравнению с другими приборами,

предназначенными для измерений в цепях переменного тока.

К недостаткам относится сильное влияние внешних магнитных
полей на точность измерений, чувствительность к перегрузкам
и высокая стоимость.

Электродинамические приборы применяют обычно в качестве
точных лабораторных приборов, предназначенных для испытаний
электрических установок.

Фиг. 299. Электродинамический
прибор может быть использован
в качестве амперметра, вольтмет-
ра и ваттметра

60. Индукционные приборы

Устройство прибора. Индукционный прибор (фиг. 300) состоит
из двух неподвижных электромагнитов и подвижного алюминиевого
диска, укреплённого на одной осн со стрелкой.
При прохождении переменных токов 1у и /2 по катушкам

электромагнитов создаются два магнитных потока Фу и Ф2, сдви-
нутых друг относительно друга по фазе, которые пронизывают
диск. Эти потоки при своём изменении индуктируют в диске
вихревые токи 1в\ и /в2- В результате взаимодействия вихревых
токов с магнитными полями обоих электромагнитов (тока 1в! с
потоком Ф2 и тока 1в2 с

Фиг., 300. Устройство индукционного
прибора

потоком Фу} возникает вра-
щающий момент М, под
влиянием которого проис-
ходит поворот подвижной
части прибора. Противо-
действующий момент соз-
даётся спиральной пру-
жиной.

Среднее (за период) зна-
чение вращающего момен-
та М пропорционально
произведению эффективных
значений магнитных пото-
ков Фу и Ф> и синусу угла
сдвига фаз между этими
потоками. Чтобы получить
максимальное значение вра-
щающего момента, угол
сдвига фаз между потока-
ми путём включения до-

полнительных активных и

реактивных сопротивлений устанавливают равным 90°. При этом
условии средний вращающий момент будет пропорционален про-
изведению эффективных значений потоков Фу и Ф2, т. е. произве-
дению эффективных значений токов Д и /2, протекающих по ка-
тушкам электромагнитов. Этой величиной будет определяться так-

же и угол поворота стрелки.

Использование прибора. Индукционный прибор, так же как и
электродинамический, может быть использован в качестве ампер-
метра, вольтметра и ваттметра. Катушки его электромагнитов вклю-
чаются в этих случаях так же, как и катушки электродинамического
прибора (см. схемы фиг. 299).

Достоинствами индукционных приборов являются высокая устой-
чивость к перегрузкам, большой вращающий момент и малая чув-
ствительность к внешним магнитным полям. К недостаткам относятся
сравнительно невысокая точность и зависимость показаний от ча-
стоты переменного тока и температурных влияний.

Индукционные приборы используют главным образом в ка-
честве ваттметров и счётчиков электрической энергии в промышлен-
ных установках переменного тока.
61. Тепловые приборы

Фиг. 301. Устройство теплового прибора

Устройство прибора. Принцип действия теплового прибора осно-
ван на явлении удлинения металлической нити, нагреваемой про-
ходящим по ней током.

Основной частью прибора является тонкая токопроводящая пла-
тино-иридиевая пить (фиг. 301), натянутая между двумя зажимами,
предназначенными для включения прибора в электрическую цепь.

К нити прикреплена бронзовая проволока, второй конец кото-
рой закреплён на оси корректора. К середине проволоки прикреп-
лена шёлковая нить, перекинутая через ролик и оттягиваемая
плоской пружиной. Благода-
ря такому устройству токо-
проводящая нить прибора
всё время натянута

При протекании электри-
ческого тока по нити она
удлиняется, пружина отходит
влево и шелковая нить по-
ворачивает на некоторый угол
ролик. Вместе с ним пово-
рачивается и стрелка, сидя-
щая на одной оси с роликом.

Чем больший ток прохо-
дит через нить, тем больше
она нагревается и удлиняется,
а следовательно, тем на боль-
ший угол отклоняется стрелка.

Для предотвращения коле-
баний стрелки в приборе при-
менён магнитный успокоитель.

Использование прибора. Тепловые приборы можно применять
для измерений в цепях постоянного и переменного тока, так как
они оказывают одинаковое тепловое действие.

Достоинствами приборов тепловой системы являются воз-
можность измерения в цепях постоянного и переменного тока и
независимость показаний от внешних магнитных полей и от частоты

переменного тока.

К недостаткам относятся: малая чувствительность, неравномер-
ность шкалы и зависимость показаний от температурных влияний.

Тепловые приборы применяют главным образом в качестве
амперметров и вольтметров в радиотехнических устройствах и
электрических установках высокой частоты.

62. Частотомеры

Устройство прибора. Измерение частоты переменного тока
обычно производят частотомерами вибрационной системы. Прибор
этого типа выполнен в виде электромагнита (фиг. 302, а), в поле ко-
торого расположены стальной якорь и соединённый с ним стальной
брусок. Этот брусок укреплён на упругих пружинах и на нём
размещён ряд гибких стальных пластинок, подобранных таким
образом, что каждая следующая пластинка имеет частоту собствен-
ных колебаний на 0,5 гц больше, чем предыдущая. Свободные концы
пластинок введены в прорезь, имеющуюся на шкале прибора.

Катушка электромагнита присоединяется к сети переменного
тока, так же как и катушка вольтметра.

При протекании по катушке переменного тока электромагнит
создаёт магнитное .роле, пульсирующее с частотой изменения тока.
Находящийся в этом поле якорь также начнёт совершать колебатель-
ные движения и вызывать колебания связанных с ним пластинок.

Фиг. 302. Устройство вибрационного частотомера

Колебания пластинок обычно бывают настолько незначи-
тельными, что они не могут быть замечены глазом. Однако, если
частота собственных колебаний какой-либо пластинки совпадёт
с частотой изменения переменного тока, т. е. с частотой колебаний
якоря, то наступит явление механического резонанса, при котором
эта пластинка начнёт колебаться с весьма большой амплитудой.

Белый квадратик на её конце превращается при этом в белую
полоску (фиг. 302 б), против которой по шкале можно отсчитывать
измеряемую частоту. Значительно слабее колеблются две соседние
пластинки, колебания же всех остальных пластинок обычно совер-
шенно незаметны для глаза.

63. Измерение тока и напряжения

Измерение тока. Чтобы измерить ток в цепи, амперметр или
миллиамперметр включают в цепь последовательно с потребителем
электрической энергии (фиг. 303). При таком включении весь изме-
ряемый ток проходит через прибор.
Для того чтобы включение амперметра не оказывало влияния
на работу электрических установок и чтобы он не создавал больших
потерь энергии, амперметры выполняются с весьма малым внут-
ренним сопротивлением. Поэтому практически сопротивление его
можно считать равным нулю и пренебрегать вызываемым им па-
дением напряжения.

Амперметр можно включать в цепь только последовательно
с нагрузкой. Если амперметр подключить непосредственно к источ-
нику, то через катушку прибора пойдёт очень большой ток (сопро-
тивление амперметра мало) и она сгорит

Фиг. 303. Для измерения тока в цепи амперметр включается в эту
цепь последовательно

Для расширения пределов измерения амперметров, предназна-
ченных для работы в цепях постоянного тока, параллельно при-
бору включается небольшое сопротивление которое носит
название «шунт» (фиг. 304). При этом через прибор проходит толь-
ко часть 1а измеряемого тока /, обратно пропорциональная его
сопротивлению 7?д. Большая часть тока 1Ш проходит через шунт.

Зная сопротивление шунта, можно по величине тока Iл, от-
мечаемого прибором, определить величину измеряемого тока I
в цепи по формуле

где п —

/ = 1Д 13. = П!А<

— — коэффициент шунтирования.

Следовательно, для расширения предела измерения амперметра
в «раз параллельно прибору необходимо включить шунт с сопротив-
лением, в п — 1 раз меньшим сопротивления прибора.

Конструктивно шунты либо встраивают в корпус прибора
(шунты на токи до 25 — 50 а), либо устанавливают вне его и сое-
днняют с прибором с помощью соединительных проводов. Если
прибор предназначен для постоянной работы с шунтом, то шкала
его градуируется сразу в значениях измеряемого тока с учётом
коэффициента шунтирования и никаких расчётов для определения
тока производить не требуется.

Для того чтобы повышение температуры шунта при протека-
нии по нему тока не оказывало влияния на показания прибора,
шунты изготовляют из материалов с большим удельным сопротив-
лением и малым температурным коэффициентом (константан, ман-
ганин, никелин и пр.). Для уменьшения влияния температуры
на показания амперметра последовательно с катушкой прибора
в некоторых случаях включают добавочное сопротивление из
константана или другого подобного материала.

Фиг. 304. В цепях постоянного тока для измерения больших токов
амперметр включается в цепь с помощью шунта

Для расширения пределов измерения амперметров, предна-
значенных для работы в цепях переменного тока, применяют
измерительные трансформаторы тока.

Трансформатор тока имеет две обмотки — первичную и
вторичную (фиг. 305). Первичная обмотка трансформатора
включается последовательно в цепь измеряемого тока, ко вто-
ричной же обмотке подключают амперметр. При таком включе-
нии трансформатора тока величины токов Д и /2. протекающих
по его обмоткам, будут обратно пропорциональны числам витков
Ш]. и &’2 этих обмоток, т. е.

/2 «.'1 к

где к =— —коэффициент трансформации трансформатора.
Следовательно, подобрав соответствующим образом числа
витков и обмоток трансформатора, можно измерять боль-
шие токи пропуская через электроизмерительный прибор
малые токи /2. Величина тока /1 может быть при этом опреде-
лена путём умножения измеренной величины вторичного тока /2
’ 1
на величину — .

Амперметры, предназначенные для постоянной работы сов-
местно с трансформаторами тока, градуируются на заводе уже
с учетом отношения^-, вследствие чего значения измеряемого
тока могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Фиг. 305 В цепях переменного тока для измерения больших токов
амперметр включается в цепь через измерительный
трансформатор тока

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего
персонала электрическим током в случае повреждения изоляции
трансформатора один из зажимов вторичной обмотки и кожух
трансформатора заземляются

Следует отметить, что размыкание вторичной обмотки трансфор-
матора тока при включенной первичной обмотке недопустимо, так
как это вызовет значительный перегрев трансформатора и выход
его из строя Кроме того, в разомкнутой вторичной обмотке транс-
форматора может индуктироваться большая э д. с., опасная для
персонала, производящего измерения.

Измерение напряжения. Напряжение действующее между
какими-либо двумя точками электрической цепи, измеряется с по-
мощью вольтметра. При этом вольтметр присоединяют к этим точ-
кам. т. е. параллельно источнику электрической энергии или пот
ребителю (фиг. 306).
Для того чтобы включение вольтметра не оказывало влияния
па работу электрических установок и чтобы он не создавал больших
потерь энергии, вольтметры выполняются с весьма большим сопро-
тивлением. Поэтому практически можно пренебрегать протекаю-
щим по вольтметру током.

Фиг 306. Для измерения напряжения, действующего между
какими-либо двумя точками электрической цепи, вольтметр
подключается к этим точкам параллельно

Фиг. 307. В цепях постоянного тока для измерения больших напря-
жений вольтметр включается в цепь через добавочное сопротивление

Для расширения пределов измерения вольтметров, предназна-
ченных для работы в цепях постоянного тока, последовательно
с обмоткой прибора включают добавочное сопротивление
(фиг. 307). При этом на сам прибор приходится лишь часть
Уу измеряемого напряжения У, пропорциональная сопротивле-
нию прибора %у.

Зная величину добавочного сопротивления и сопротивления
вольтметра, можно по величине напряжения У у, фиксируемого
вольтметром, определить напряжение У, действующее в цепи,
по формуле

у = Д'- иУ = пУу

Величина п = — ~—- показывает, во сколько раз измеряв-
Ку

мое напряжение У больше напряжения У у, приходящегося на
прибор, т. е. во сколько раз увеличивается предел измерения
напряжения вольтметром при применении добавочного сопротив-
ления.

Фиг. ЗС8. В цепях переменного тока для измерения больших напряже-
ний вольтметр включается в цепь через измерительный трансформатор
напряжения

Для расширения предела измерения вольтметра в п раз необ-
ходимо включить добавочное сопротивление, в п — 1 раз большее
сопротивления прибора.

Добавочное сопротивление обычно встраивается в прибор и одно-
временно используется для уменьшения влияния температуры окру-
жающей среды ня показания прибора. Для этой цели добавочное со-
противление выполняется из материала, имеющего малый темпера-
турный коэффициент, и по величине значительно превышает сопро-
тивление катушки, вследствие чего общее сопротивление прибора
становится почти независимым от изменения температуры.
Для расширения пределов измерения вольтметров, предна-
значенных для работы в цепях переменного тока, применяют
измерительные трансформаторы напряжения. Этот трансформатор
(фиг. 308) имеет две обмотки: первичная обмотка подключается
параллельно к двум точкам, между которыми требуется измерить
напряжение V, а вторичная присоединяется к вольтметру.

При таком включении величины напряжений Ц и С'2 на первич-
ной и вторичной обмотках будут прямо пропорциональны числам
витков и и>2 обеих обмоток трансформатора, т. е

—1 = - К-
С2 “ •

Таким образом, подобрав соответствующим образом число
витков 1СЦ и ш2 обмоток трансформатора, можно измерять весьма
высокие напряжения, подавая на электроизмерительный прибор
напряжения небольшой величины.

Напряжение действующее в цени, может быть определено
путём умножения измеренной величины вторичного напряжения
4/2 на коэффициент трансформации к.

Вольтметры, предназначенные для постоянной работы с транс-
форматорами напряжения, градуируются на заводе уже с учётом
отношения --, вследствие чего значения измеряемого напряже-
ния могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего
персонала электрическим током в случае повреждения изоляции
трансформатора один конец его вторичной обмотки и стальной кожух
трансформатора должны быть заземлены.

64. Измерение мощности и электрической энергии

Измерение мощности. В цепях постоянного тока мощность изме-
ряют электродинамическим ваттметром,

Величина мощности может быть также подсчитана путём пере-
множения величин тока и напряжения, измеренных с помощью
амперметра и вольтметра.

В цепях переменного тока измерение мощности может быть осу-
ществлено электродинамическим или индукционным ваттметром.

Ваттметр имеет две катушки (фиг. 309): токовую, которая вклю-
чается в цепь последовательно, и катушку напряжения, которая
включается в цепь параллельно.

Ваттметр является прибором, требующим при включении
соблюдения правильной полярности, поэтому его генераторные
зажимы (зажимы, к которым присоединяют проводники, идущие
со стороны источника тока) обозначаются звёздочками.

Для расширения пределов измерения ваттметров их токовые
катушки могут включаться в цепь с помощью шунтов или измери-
ло
тельных трансформаторов тока, а катушки напряжения — через
добавочные сопротивления или измерительные трансформаторы
напряжения.

Фиг. 309. Ваттметр имеет две обмотки, одна из которых вклю-
чается в цепь последовательно, а другая параллельно

Фиг. 310. Мощность электрической установки трёхфазного тока
при равномерной нагрузке фаз можно измерить с помощью
одного однофазного ваттметра

Измерение мощности электрической установки трёхфазного
тока при равномерной нагрузке фаз может быть осуществлено
одним однофазным ваттметром (фиг. 310), токовая катушка которого
включается последовательно в один из линейных проводов, а ка-
шутка напряжения — параллельно одной из фаз потребителя
При этом мощность, потребляемую всеми тремя фазами электри-
ческой установки (например электродвигателя), получают путём*
умножения измеренной мощности на три.

При неравномерной нагрузке фаз мощность электрической
установки трёхфазного тока может быть измерена с помощью
двух однофазных ваттметров, включённых по схеме фиг. 311,
Токовые катушки ваттметров включают в две любые фазы
(провода) установки; к этим же фазам присоединяют генератор-
ные концы катушек напряжения Вторые концы катушек напря-
жения присоединяют к той фазе, в которую не включены токовые

Фиг. 311. Мощность электрической установки трёхфазного тока при
неравномерной нагрузке фаз можно измерить с помощью двух
однофазных ваттметров

катушки. При такой схеме включения ваттметров мощность, пот-
ребляемая установкой, будет равна алгебраической сумме показаний
двух ваттметров.

Если стрелка одного из ваттметров стремится переместиться
влево от нуля, то необходимо изменить направление тока в какой-
либо из катушек прибора и определить мощность установки, как
разность показаний обоих ваттметров.

Так как пользование двумя ваттметрами неудобно, то для из-
мерения мощности трёхфазной системы применяют один двухэле-
ментный ваттметр.

Как показывает само название, этот ваттметр состоит из двух
однофазных ваттметров (элементов), включаемых по схеме фиг. 311
и воздействующих на общую подвижную систему. Этот прибор
производит автоматически сложение или вычитание мощностей,
измеряемых его отдельными элементами.
Измерение электрической энергии. Для учёта электрической
энергии, получаемой потребителями или же отдаваемой источни-
ками тока, применяют счётчики электрической энергии. Счёт-
чики электрической энергии по принципу своего действия аналогич-
ны ваттметрам. Однако в отличие от ваттметров вместо спиральной
пружины, создающей противодействующий момент, в счётчиках
предусматривается устройство, подобное электромагнитному успо-
коителю, создающее тормозящее усилие, пропорциональное скорости
вращения подвижной системы. Поэтому при включении прибора
в электрическую цепь возникающее усилие будет вызывать не откло-
нение подвижной системы на некоторый угол, а вращение её с
определённей скоростью.

Фиг. 312. Электродинамический счётчик постоянного тока

Число оборотов подвижной системы прибора будет пропорцио-
нально произведению мощности электрического тока на время,
в течение которого он действует, т е. количеству электрической энер-
гии, проходящей через прибор.

Число оборотов счётчика фиксируется счётным механизмом.
Передаточное число этого механизма выбирают так, чтобы по
показаниям счётчика можно было отсчитывать не обороты, а непо-
средственно электрическую энергию в киловатт-часах.

Устройство счётчиков электрической энергии. В практике
наибольшее распространение получили электродинамические и
индукционные счётчики: первые применяют в цепях постоянного
тока, вторые — в цепях переменного тока. Электродинамический
счётчик (фиг. 312) состоит из неподвижней катушки, разделённой
на две равные части, и подвижной катушки, называемой яко-
рем. Якорь связан с осью, на которой укреплён алюминиевый
диск.

Конны отдельных секций якоря присоединяют к небольшому
коллектору, по которому скользят щётки из тонких серебряных
пластин. I [оследовательнос якорем включается добавочное сопротив-
ление и компенсационная катушка Последняя предназначена для
компенсации трения, возникающего в подвижной системе и в счёт-
ном механизме, которое могло бы исказить показания прибора.

Неподвижная катушка включается в цепь последовательно под-
вижная катушка, добавочное сопротивление и компенсационная
катушка параллельно.

Фиг. 313- Индукционный счётчик переменного тока

Электродинамический счётчик работает принципиально как
двигатель постоянного тока, якорь которого подключён параллель-
но, а обмотка возбуждения последовательно с потребителем
электроэнергии.

Тормозное усилие создаётся, как и в электромагнитном
успокоителе, в результате взаимодействия потока постоянного маг-
нита с вихревыми токами, возникающими в алюминиевом диске
при его вращении.

Таким образом, при протекании тока в цепи, к которой под-
ключены катушки счётчика, подвижная катушка придёт во вращение
и будет приводить в действие счётный механизм.

Для предотвращения самохода счётчика, т. е. вращения якоря
при отсутствии нагрузки (тока в неподвижной катушке) под дейст-
вием усилия, созданного компенсационной катушкой, па оси счёт-
344
чика укрепляется стальной тормозной крючок. Этот крючок при-
тягивается к магниту, благодаря чему предотвращается возмож-
ность вращения подвижной системы счётчика под действием одного
лишь усилия, созданного компенсационной катушкой

При работе же счётчика под нагрузкой тормозной крючок прак-
тически не влияет на его показания.

Индукционный счётчик (фиг. 313) по своей конструкции анало-
гичен индукционному ваттметру.

Тормозной момент создаётся так же, как в электродинамиче-
ском счётчике, благодаря воздействию вихревых токов, возникающих
в алюминиевом диске при его вращении в магнитном поле тормоз-
ного магнита. Компенсация момента трения осуществляется путём
создания небольшой иесимметрии в магнитной цепи одного из
электромагнитов с помощью стального винта. Для устранения
самохода счётчик снабжается тормозным крючком.

Счётчики электрической энергии включаются в электрическую
цепь постоянного и переменного тока так же, как и ваттметры

65. Измерение сопротивлений

Измерение методом амперметра и вольтметра. Величину сопро-
тивления какой-либо электрической установки или участка элек-
трической цепи можно определить с помощью амперметра и вольт-

Фиг. 314 Сопротивление электрической цепи можно определить с помощью
амперметра и вольтметра. В зависимости от величины сопротивлений
приборы включаются пс схеме а или по схеме б

метра, пользуясь законом Ома. При включении приборов по схеме
фиг. 314,4/ через амперметр проходит не только измеряемый ток
/х. но и ток /у. Поэтому определяемое сопротивление будет
равно

Ку

где — сопротивление вольтметра

При включении приборов по схеме фиг. 314, б вольтметр будет
показывать не только падение напряжения их на определяемом
сопротивлении, но и падение напряжения в обмотке амперметра
Поэтому

о п

ЛА,

может оыть осуществлено с

Фиг. 315. Для измерения
сопротивления электрической
цепи может быть применена
мостовая схема

где —сопротивление амперметра.

В тех случаях, когда сопротивления приборов неизвестны и,
следовательно, не могут быть учтены, нужно при измерении малых
сопротивлений пользоваться схемой фиг. 314, а, а при измерении
больших сопротивлений — схемой фиг. 314, б.

Измерение с помощью мостовых схем. Измерение сопротивлений
помощью различных мостовых схем.
Принципиальная схема моста для из-
мерения сопротивления показана на
фиг. 315.

хвостовая схема состоит из источ-
ника питания, чувствительного при-
бора (гальванометра) и четырёх со-
противлений: неизвестного сопротив-
ления /?А- и трёх известных сопро-
тивлений А^, /?2 и величины
которых могут при измерениях из-
меняться. Сопротивления
и А\ включаются в виде четырёх-
угольника и образуют так называе-
мые плечи моста. Прибор включается
в одну из диагоналей четырёхуголь-
ника, а источник питания в другую.

Величины сопротивлений /?2 и

7?3 можно подобрать такими, что при замыкании ключа К пока-
зания прибора будут равны нулю (в таком случае принято гово-
рить, что мост уравновешен). При этом величина неизвестного
сопротивления определяется по формуле

Мосты выполняются по различным схемам. В некоторых из них
отношение установлено постоянным, а равновесие моста дости-
гается только подбором сопротивления 7?3. В других, наоборот,
сопротивление /?3 постоянно, а равновесие достигается подбором
сопротивлений и

Измерение больших сопротивлений с помощью омметров. Для
измерения сопротивления изоляции пользуются специальными
приборами, называемыми омметрами или мегомметрами.
нормальное напряжение и, после

Фиг. 316. Схема простейшего омметра
при этом определена по показаниям

Простейший омметр (фиг. 316) состоит из небольшого генератора
постоянного тока, называемого индуктором, и магнитоэлектриче-
ского вольтметра, смонтированных в общем ящике. Якорь генератора
приводится во вращение от руки с помощью рукоятки, соединённой
с ним через редуктор.

При измерении сопротивления изоляции нажимают контроль-
ную кнопку и вращают рукоятку индуктора с такой скоростью,
чтобы вольтметр показывал
чего отпускают кнопку.
При этом последовательно
с вольтметром вводится со-
противление вследст-
вие чего он будет показы-
вать напряжение Пу, мень-
шее напряжения П на
величину падения напря-
жения Ьх в измеряемом
сопротивлении

Величина измеряемого
сопротивления может быть
вольтметра У и Ух Д° и после отпускания контрольной кнопки
по формуле

X
где —сопротивление вольтметра.

Ввиду того, что величины /?у и У постоянны, получим, что
каждому значению измеряемого сопротивления 7?х соответствует
вполне определённое напряжение регистрируемое вольтметром.

Обычно в омметрах шкала прибора сразу же на заводе градуи-
руется в омах.

Электротехнические правила и нормы СССР требуют, чтобы
испытание сопротивления изоляции производилось под рабочим
напряжением или во всяком случае под напряжением, нс меньшим
100 в. Поэтому индукторы изготовляют на напряжения от 120
до 2 000 в.

Недостатком приборов этого типа является зависимость на-
пряжения индуктора от скорости вращения рукоятки, в то время
как для получения точных результатов оно должно быть постоянным.
В некоторых омметрах применяется особая центробежная муфта,
обеспечивающая примерно постоянную скорость вращения якоря.

Более совершенным является омметр (или мегомметр) логомет-
рического типа, показания которого почти не зависят от напряжения
источника тока.

Этот омметр состоит из двух катушек и ьу2 (фиг. 317),
укреплённых на одной оси, жёстко связанных друг с другом под
прямым углом и помещённых в поле постоянного магнита. Спи-
ральных пружинок для создания противодействующего момента
нет, вследствие чего при отсутствии тока в катушках подвижная
система находится в состоянии безразличного равновесия и может
занимать любое положение.

Последовательно с одной катушкой включено добавочное со-
противление в цепь другой катушки включается измеряемое со-

Фиг. 317. Омметр логометрического
типа обеспечивает независимость по-
казаний прибора от величины нап-
ряжения источника тока

одинаковой степени зависеть от

противление Катушки с по-
следовательно соединёнными

сопротивлениями Рд и
образуют две параллельные
цепи, включённые на напряже-
ние и источника тока.

От взаимодействия проте-
кающих по катушкам токов
/1 и /2 с магнитным полем по-
стоянного магнита создаются,
так же как и в обычных маг-
нитоэлектрических приборах,
два противоположно направлен-
ных усилия Рх и Г2, под влия-
нием которых подвижная систе-
ма прибора и стрелка будут
занимать определённое поло-
жение. При изменении изме-
ряемого сопротивления из-
менится усилие Т7! и стрелка
переместится в новое поло-
жение.

Токи Л и /2, проходящие
по обеим катушкам, будут в
напряжения V источника тока,

поэтому при изменении напряжения (7 положение подвижной си-

стемы и стрелки прибора не изменится. Шкала такого омметра

градуируется непосредственно в омах или в мегомах.

66. Измерение неэлектрических величин электрическими
методами

Принципы измерения неэлектрических величин. В современной
технике широко применяются измерения неэлектрических величин
(температуры, уровня жидкости в сосудах, давлений, усилий и пр.)
электрическими методами.

В большинстве случаев электрические измерения неэлектриче-
ских величин сводятся к тому, что неэлектрическая величина (на-
пример температура, давление и пр.) преобразуется в зависимую
от неё электрическую величину (например сопротивление, ток,
напряжение, индуктивность, ёмкость и пр.), измеряя которую, полу-
чают возможность определить искомую неэлектрическую величину.

Устройство, осуществляющее преобразование неэлектрической
величины в электрическую, называется датчиком. В зависимости от
318
принципа действия датчики подразделяются на датчики сопротив-
ления, проволочные датчики, индуктивные датчики, ёмкостные
датчики и пр.

Электрические термометры. Рассмотрим принцип действия
электрического термометра, установленного на тепловозах для
контроля температуры воды, охлаждающей дизель.

Датчиком в электрическом термометре является эталонное со-
противление, выполненное из тонкой медной, никелевой или пла-
тиновой проволоки, а измерителем—электроизмерительный прибор
логометрического типа.

Датчик включается последовательно с одной из катушек лого-
метра (фиг. 318), шкала которого проградуирована непосредствен-
но в градусах температуры.

Фиг. 318. Схема электриче-
ского термометра с датчи-
ком сопротивления

Фиг. 319. Схема электриче-
ского манометра сдатчиком
с угольными дисками

Вторая катушка логометра включается последовательно
с добавочным сопротивлением Рд известной величины. При повы-
шении температуры охлаждающей воды, в которую помещён дат-
чик, сопротивление его возрастёт и уменьшится ток в катушке
логометра. 1 Три этом изменится усилие, создаваемое этой ка-
тушкой, и стрелка логометра переместится в новое положение
на шкале. Для повышения точности измерений в электрических
термометрах, установленных на тепловозах, катушка логометра
включается в более сложную мостовую схему.

Электрический манометр. Для измерения давления масла
в системе смазки дизеля на тепловозах устанавливают электриче-
ский манометр. Датчиком в манометрах такого типа является соп-
ротивление, состоящее из ряда угольных дисков, а измерителем —
прибор логометрнческого типа (фиг. 319), шкала которого градуи-
руется непосредственно в делениях для отсчёта давления. Действие
подобного электрического манометра основано на свойстве столбика
из угольных дисков сильно изменять свое сопротивление при измене-
нии приложенного к нему давления.

При возрастании давления в системе смазки дизеля увеличи-
вается и усилие Р, приложенное к датчику, что вызывает умень-

шение его сопротивления.
При этом изменяется ток
в катушке логометра и
положение стрелки на
шкале прибора.

Электрический уровне-
мер. Для измерения объёма
или уровня жидкости в
баках и резервуарах при-
меняются различного рода
электрические уровнемеры.

На фиг. 320 приведена
схема электрического уров-
немера с реостатным дат-
чиком. В баке с измеряе-
мой жидкостью помещён
поплавок, положение ко-
торого определяется объ-
ёмом или уровнем жид-

Фиг. 320. Схема электрического уровне- кости. Изменение положе-
мера с реостатным датчиком ния поплавка вызывает

изменение сопротивлений
и г2> включённых последовательно с катушками и
логометра. Изменение этих сопротивлений меняет отношение токов
в катушках логометра, что вызывает изменение показаний прибо-
ра. Шкала логометра градуируется в значениях объёма, зани-
маемого жидкостью, или в значениях уровня жидкости.

Электрические спидометры и тахометры. Для измерения ско-
рости движения локомотивов, автомобилей и пр. применяют при-
боры, называемые спидометрами; скорость вращения различных
машин (электродвигателей, дизелей и пр.) измеряют приборами,

называемыми тахометрами.

Наибольшее распространение в настоящее время получили
электрические тахометры и спидометры. В качестве датчиков
в этих приборах используют обычный электрический генератор
(чаще всего генератор постоянного тока), называемый тахогенера-
тором. Вал тахогенератора связывают каким-либо способом (не-
посредственно или же с помощью гибкого вала, ремённой передачи
и пр.) с осью колёсной пары локомотива или же с валом машины
(например дизеля), скорость вращения которой требуется
измерить.

Измерителем в электрических спидометрах и тахометрах слу-
жит обычный вольтметр, шкала которого проградуирована непо-
средственно в км!час или об/мин.

При возрастании скорости движения локомотива или скорости
вращения дизеля увеличивается напряжение тахогенератора, что
вызывает изменение положения стрелки вольтметра, служащего
измерителем скорости движения или скорости вращения.

Контрольные вопросы

1. Для чего служат измерительные приборы и на какие типы они под-
разделяются?

2. Как устроены магнитоэлектрические приборы?

3. Для чего применяют успокоители и как они устроены?

4. Какие преимущества и недостатки имеют приборы магнитоэлектри-
ческой системы и как они используются?

5 Как устроены электромагнитные приборы?

6. Какие преимущества и недостатки имеют приборы электромагнит-
ной системы и как они используются?

7 Как устроены электродинамические приборы?

8. Какие преимущества и недостатки имеют приборы электродинами-
ческой системы и как они используются?

9. Как устроены индукционные приборы?

10. Какие преимущества и недостатки имеют приборы индукционной
системы и как они используются?

II. Как устроены тепловые приборы?

12. Какие преимущества и недостатки имеют тепловые приборы и как
они используются?

13 Как устроены частотомеры?

14. Как измеряют ток и напряжение?

15 Как измеряют электрическую мощность?

16. Для чего служат счётчики электрической энергии и как они
устроены?

17 Какими методами измеряют сопротивления?

18 Как производится измерение электрическими методами неэлектри-
ческих величин?
ГЛАВА X

ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ ПРИБОРЫ. ПОЛУПРОВОДНИКИ

67. Прохождение электрического тока о пустоте (вакууме).
Электронная эмиссия

Фиг. 321. В пустоте электрический
ток создаётся потоком электронов,
беспрепятственно перемещающих-
ся от катода к аноду

ческого тока вакуум является

Прохождение электрического тока в пустоте. Как было указано
в § 6, пустота (вакуум) является лучшим изолятором, так как
в сильно разреженном пространстве практически отсутствуют элек-
троны и положительные ионы, которые могли бы поддерживать
прохождение электрического тока.

Однако если вводить в вакуум электроны извне от какого-
либо постороннего источника, то под действием сил электрического
поля (фиг. 321) они будут переме-
щаться от отрицательно заряжен-
ного электрода /\ (катода) к поло-
жительно заряженному электроду
А (аноду). Этот поток электро-
нов, летящих через разрежен-
ное пространство, и будет пред-
ставлять собой электрический ток
в вакууме.

Следует отметить, что для по-
лученного таким путём электри-
очень хорошим проводником, так

как при разрежениях, достигаемых современной вакуумной тех-
никой (10~7— 10~8 мм рт. ст.), летящие от катода к аноду элек-
троны весьма редко сталкиваются с атомами и молекулами газов,
имеющихся всё же в небольшом количестве в разреженном
пространст ве.

Электронная эмиссия. Для получения потока электронов, обес-
печивающих прохождение электрического тока через вакуум и
газы, в современных электронных и ионных приборах используют
явление электронной эмиссии.

Электронной эмиссией называют испускание электронов с поверх-
ности металла под действием температуры, световой энергии или
сил электрического поля.

Свободные электроны, находящиеся в металлическом провод-
нике, при обычных условиях не могут самостоятельно выйти из
его пределов.
Пока электрон находится внутри проводника, он со всех сторон
окружён атомами и положительными ионами; при этом электри-

ческие поля отдельных ионов практически уравновешиваются, и
электрон движется свободно. Когда же электрон подлетает к внеш-
ней поверхности проводника, силы

электрического поля положительных
ионов тянут его обратно; электрон за-
медляется и возвращается внутрь про-
водника.

Однако, чем больше скорость элект-
рона, тем труднее ионам затормозить
его у внешней поверхности проводника;
поэтому при большой скорости некото-
рые электроны будут вылетать из преде-
лов проводника.

Сообщить электронам энергию, необ-
ходимую для того, чтобы они могли

Фиг. 322. При нагреве про-
водника свободные электро-
ны могут покинуть его пре-
делы и вылететь в окружаю-
щую среду

ныл етать с поверхности металлических
проводников, можно различными спосо-
бами. В практике для этой цели обычно
пользуются высокой температурой, све-
товой энергией или электрическим по-
лем большой напряжённости.

При увеличении температуры движение электронов, как из-

вестно, сильно ускоряется, и они начинают покидать проводник и
вылетать в окружающую среду (фиг. 322).

Испускание электронов проводником в окружающую среду
под действием температуры носит название термоэлектронной эмис-

Фиг. 323. Лучи света, падая на метал-
лический проводник, вырывают с его
поверхности электроны

Фиг. 324 Под действием элект-
рического поля большой напря-
жённости электроны вырываются
с поверхности металлических
проводников

сии. Электроны испускает любой нагретый проводник — расплав-
ленный чугун, накалённая нить электрической лампы, угольные
стержни в прожекторе, электроды при электросварке и пр. Чем
выше температура, тем большее количество электронов вылетает
23 Заказ 1215 353
с поверхности проводника. Это явление широко используют в элек*
тронных лампах.

Испускание электронов с металлических тел может происходить
также и под влиянием лучей света, падающих на поверхность ме-
талла, которые несут в себе энергию, необходимую для выры-
вания электронов из атомов (фиг. 323). Это явление носит назва-
ние фотоэлектронной эмиссии; оно широко используется в фото-
элементах.

Наконец, электроны могут вырываться с поверхности металла
под влиянием сил электрического поля при достаточно большой
напряженности (фиг. 324). Это явление носит название автоэлектрон-
ной или электростатической эмиссии и используется в ртутных
выпрямителях.

68. Двухэлектродные электронные лампы

Принцип действия двух электродной лампы. Простейшая элек-
тронная лампа (диод) представляет собой стеклянный баллон,

в котором помещены два электрода — анод и катод (фиг. 325).
Катод выполнен в виде метал-

Анод

Баллон

ЦОКОЛЬ

Контактные
ножки

Злентрзны

условное
обозначение
диода

лической нити, нагреваемой
электрическим током.

Между анодом и катодом
создаётся определённая разность
потенциалов с помощью акку-
муляторной батареи (фиг. 326)
или каким-либо другим спо-
собом.

При нагревании катода воз-
никает явление термоэлектрон-
ной эмиссии, т. е. с поверхно-
сти его начинают вылетать в
окружающее пространство элект-
роны. Электроны, покидающие
поверхность катода, под дей-
ствием сил электрического поля

Фиг. 325. Двухэлектродная электрон- будут устремляться к поло-
ная лампа ।диод) жительно заряженному аноду,

и через электронную лампу по-
течёт электрический ток. Для того чтобы движущиеся электроны
не испытывали тормозящего действия со стороны атомов и молекул
воздуха, заполняющего баллон лампы, в баллоне создаётся большое
разрежение (вакуум).

Ток Л, проходящий от анода к катоду лампы, называется анод-
ным током в отличие от тока накала /к, проходящего по нити
катода.

Электроны, заполняющие пространство лампы вокруг катода,
образуют некоторый пространственный отрицательный заряд, кото?
рый нейтрализует действие положительного заряда анода; поэтому
не все электроны, вылетающие с катода, будут достигать анода,
а часть их, движущаяся с малыми скоростями, будет возвращаться
обратно на катод.

Чем больше напряжение I)д,действующее между анодом и катодом
(анодное напряжение), тем сильнее ускоряются электроны, выле-
тающие с катода, и тем большее число их достигает анода. Следова-
тельно, чем больше анодное напряжение 11А (фиг. 327, а и 6), тем
больше величина анодного тока. Однако увеличение анодного тока
может происходить только до определённого предела; оно ограни-
чивается эмиссионной способностью катода. При дальнейшем уве-

Фиг< 326. Схема включения двухэлектродной
электронной лампы

личении анодного напряжения наступает такой момент, когда все вы-
летевшие из катода электроны достигают анода и дальнейшее увели-
чение анодного напряжения уже не вызывает увеличения тока —
наступает явление насыщения лампы.

Графическая зависимость анодного тока от величины анодного
напряжения называется гольтамперной характеристикой электрон-
ной лампы (фиг. 327, <?).

Для дальнейшего увеличения тока, проходящего через лампу,
надо увеличить ток насыщения 1насУ т. е. увеличить эмиссионную спо-
собность катода. Этого можно достигнуть путём увеличения темпе-
ратуры нагрева катода. Поэтому катод изготовляют из тугоплавких
металлов (вольфрам, никель и др.).

Другим способом увеличения эмиссионной способности лампы
является покрытие катода особыми веществами, способными при
сравнительно невысокой температуре излучать большое количество
электронов. Этим достигается возможность получения больших
эмиссионных токов при относительно низких температурах катода,
23* 355
В некоторых типах электронных ламп применяются так называем
мые подогревные катоды (такие лампы называют лампами с кос-
венным накалом).

Фиг. 327. Чем больше напряжение, приложенное между анодом
и катодом лампы, тем больше проходящий через неё ток

В лампах с подогревным катодом ток накала проходит по
подогревателю, помещённому внутри узкого цилиндра, который
и является катодом.

Использование электронных ламп в качестве выпрямителей.
Электронные лампы могут быть использованы в качестве выпрями-
телей для преобразования переменного тока в постоянный. Приме-
нение этих ламп для выпрямления переменного тока основано на
том, что диод может пропускать ток только в одном направлении —
от анода к катоду (фиг. 328, а).

Если же подать на анод отрицательный потенциал по отношению
к катоду (т. е. поменять полярность напряжения, приложенного
между анодом и катодом), то силы электрического поля будут от-
талкивать электроны, вылетающие с катода, и они, пролетев неко-
торое расстояние, будут возвращаться обратно на катод (фиг. 328, б).
При этом ток через диод не будет проходить; в этом случае говорят,
что лампа «заперта».

Таким образом, электронная лампа обладает односторонней
проводимостью и выполняет роль своего рода электрического вен-
тиля (фиг. 329), пропускающего ток в одном направлении и запи-
рающего электрическую цепь при протекании тока в обратном на-
правлении. Этот вентиль действует наподобие клапана в трубо-
356
проводе, который пропускает поток жидкости или газа только в од-
ном направлении.

На фиг. 330, а показана схема простейшего выпрямителя.

Основным элементом выпрямителя является электронная лампа
(диод), которая подключена последовательно с нагрузкой ко вторич-
ной обмотке трансформатора. При подключении трансформатора к се-

а)

Фиг. 328. При подаче на анод отрицательного потенциала лампа не
пропускает электрический ток

ти переменного тока между анодом и катодом лампы будет действо-
вать переменное напряжение (фиг. 330, б). При этом в течение
первой половины каждого периода изменения переменного тока

клапан

Электрический вентиль

Фиг. 329. Электронная лампа работает
наподобие вентиля, она пропускает ток
только в одном направлении—от анода
к катоду

в первичной обмотке трансформатора напряжение на аноде лампы
будет положительным (этот полупериод называют положительным),
а в течение второй половины периода — отрицательным (этот пе-
риод называют отрицательным).

В течение положительных полупериодов электронная лампа,
как было указано выше, пропускает через себя электрический ток.
Ток этот будет протекать через потребитель и изменяться по закону
Ома пропорционально напряжению, т. е. по синусоиде (фиг. 330, в).
В течение отрицательных полупериодов электронная лампа пропус-
кать ток не будет, вследствие чего он не будет проходить и через пот*
ребитель.

Таким образом, электронная лампа выпрямляет ток, так как
через потребитель он будет проходить только в одном направлении
от точки А к точке Б. Однако ток этот проходит как бы толчками
(импульсами), повторяющимися периодически через определённые
промежутки времени.

Напряжение нр аноде лампы

9 I

Выпрямленный нм

\среднее мнение мот
Время |

Фиг. 330. Схема простейшего однопол у пер иод-
ного электронного выпрямителя

Рассмотренный выпрямитель носит название однополупериод-
ного, так как он пропускает ток через потребитель только в течение
одного полупериода.

Для уменьшения пульсации выпрямленного тока часто приме-
няют двухполупериодные выпрямители (фиг. 331, а).

В двухполупериодном выпрямителе вторичная обмотка транс-
форматора имеет три вывода. К двум крайним подключены элект-
ронные лампы Л1 и Л2- Потребитель включён между точкой
соединения катодов ламп и средним выводом вторичной обмотки
трансформатора.

Так как аноды обеих ламп подключены к противоположным
точкам вторичной обмотки трансформатора, напряжения на этих
анодах будут противоположны по знаку (фиг. 331, б).
В течение первого, третьего, пятого и т. д. полупериодов напря-

жение на аноде лампы Л! будет положительным, поэтому в течение

этих полупериодов работает лампа Лг Ток будет проходить через
одну половину вторичной обмотки трансформатора, лампу Л^
и потребитель к средней точке трансформатора в направлении,
указанном стрелкой В это время лампа Л2 не пропускает тока,
так как к ней приложено отрицательное напряжение.

В течение второго, четвёртого, шестого и т. д. полупериодов поло-
жительное напряжение будет приложено к лампе Л2. При этом ток г2
проходит через вторую половику вторичной обмотки трансформатора,
лампу Ла и потребитель в том же на-

правлении, что в течение первого, треть-
его, пятого и т. д. полу периодов. Лам-
па Л! в это время тока не пропускает.

Л' ЦАЛряюние на
аюЭих ламп

Фиг. 331. Схема двух полу пер иодного электронного выпрямителя

Таким образом, несмотря на то, что каждая лампа пропускает
ток только в течение одного полупериода (фиг. 331, в и а), че-
рез потребитель ток идёт в течение’ обоих нолупериодов в одном
направлении и среднее его значение приблизительно вдвое больше,
чем при однополунериодном выпрямлении.

Сравнивая между собой формы кривых выпрямленного тока
при одно- и двухполупериодном выпрямлении (фиг. 330, в и 331,3),
можно легко убедиться, что пульсации выпрямленного тока при
двухполупериодном выпрямлении меньше, чем при однополупе-
риодном.

Другая схема двухполупериодного выпрямления показана па
фиг. 332; она носит название мостовой схемы.

Мостовая схема состоит из четырёх вентилей (электронных
ламп или других выпрямителей) Л2, Л.А и подключённых
к сети переменного тока или ко вторичной обмотке трансформатора;
последний в этом случае может не иметь среднего вывода. В течение
одного полупериода ток проходит от одного из проводов сети пере-
менноготока через вентиль Л2, потребитель и вентиль Л4 ко второму
проводу сети (фиг. 332,а).

В течение второго полупериода ток проходит от второго провода
сети через вентиль потребитель и вентиль Л3 к первому проводу
(фиг. 332,6). В обоих случаях через потребитель ток проходит
в одном направлении.

В электротехнических и радиотехнических устройствах широко
применяют и схемы выпрямления трёхфазного тока. При этом пуль-
сация выпрямленного тока уменьшается ещё сильнее.

Фиг 332. Схема двухполупериодного выпрямителя при
мостовой схеме включения вентилей

Сглаживающие фильтры. Все схемы выпрямления дают выпрям-
ленный ток с различной степенью пульсации. Для того чтобы выпрям-
ленный ток был постоянным не только по направлению, но и по
величине, выпрямители приходится снабжать специальными сгла-
живающими фильтрами, включаемыми между выпрямителем и по-
требителем выпрямленного тока.

Основными элементами сглаживающего фильтра являются
катушка индуктивности Л и .конденсатор С (фиг. 333, а).

Всякий пульсирующий ток может быть представлен в виде
суммы постоянного и переменного тока. Следовательно, получен-
ный после выпрямления ток содержит в себе две составляющие:
постоянную и переменную (фиг. 333, б). Постоянная составляющая
полезна и обеспечивает нормальную работу потребителей выпрям-
ленного тока; переменная составляющая оказывает вредное влия-
ние на работу этих потребителей.

Назначение сглаживающего фильтра состоит в том, чтобы не
допустить прохождения к потребителю переменной составляющей
тока и пропускать туда только постоянную составляющую.

Катушка индуктивности/, (называемая иногда дросселем) вклю-
чается последовательно в цепь нагрузки (см. фиг. 333, а) и создаёт
для переменной составляющей выпрямленного тока значительное
индуктивное сопротивление; поэтому она будет сильно ослаблять
эту составляющую. Для постоянной же составляющей выпрямлен*
360
кого тока катушка индуктивности не будет оказывать почти ника-
кого сопротивления.

Конденсатор, наоборот, не пропускает через себя постоянную

„ Постоянная

выпрямленный составляющая

пульсирующий тон

Переменная
составляющая

время

Фиг. 333. Схема включения сглажи-
вающего фильтра

Ло фильтрации

Средняя величина тока/
Слабая Фильтрация \

составляющую выпрямленного тока и сравнительно легко пропус-
кает переменную составляющую.

Следовательно, постоянная составляющая выпрямленного тока
будет беспрепятственно проходить через фильтр к потребителю,
не ответвляясь в конденсатор.
Переменная же составляющая,
дойдя до катушки индуктивности,
пройдёт большей частью через
конденсатор, и в потребитель
попадёт лишь незначительная её
часть.

Таким образом, рассмотренный
фильтр отфильтровывает пере-
менную составляющую выпрям-
ленного тока, вследствие чего
ток, проходящий через потреби-
тель, оказывается заметно сгла-
женным (фиг. 334).

Чем больше индуктивность ка-
тушки, тем большее сопротивление

оказывает она прохождению переменной составляющей выпрямлен-
ного тока; чем больше ёмкость конденсатора, тем большая часть
этой составляющей ответвляется в конденсатор и тем лучше рабо-
тает фильтр.

При необходимости получить выпрямленный ток, практически
свободный от пульсации, применяют П-образный фильтр
(фиг. 333, в); в нём имеется второй конденсатор С2, который не допус-
кает в нагрузку часть переменной составляющей тока, про-
шедшую через катушку индуктивности.

4 Хорошая фильтрация

Фиг. 334. Принцип сглаживания
пульсирующего тока
69. Трёхэлектродные электронные лампы

Принцип действия трёхэлектродной лампы. Для регулирования
электрического тока, проходящего через электронную лампу»
она снабжается третьим электродом, называемым сеткой. Элек-
тронная лампа, снабжённая сеткой, получила название трёх-

Фиг. 335. Трёхэлектродная
электронная лампа (триод)

электродной лампы, или триода.
Сетка располагается между
анодом и катодом и выпол-
няется обычно в виде спирали
(фиг. 335). Между сеткой и ка-
тодом подаётся некоторое на-
пряжение, называемое сеточным;
остальные электроды вклю-
чаются так же, как и в двух-
электродной лампе (фиг. 336).

При отсутствии напряжения
на сетке (фиг. 337, а) лампа
работает как обычный диод.
При подаче напряжения между
сеткой и катодом внутри лампы
создаётся дополнительное элект-
рическое поле, которое воздей-

ствует на электроны, летящие
от катода к аноду. При этом в
зависимости от полярности этого

напряжения дополнительное электрическое поле сетки может уско-
рять движение электронов и увеличивать протекающий через лампу
ток, либо замедлять движение электронов и уменьшать величину
тока, проходящего через лампу. Если сетка заряжена положи-

Фнг. 336. Схема включения трехэлектродной
электронной лампы

тельно по отношению к катоду, то скорость электронов возрастает
и анодный ток увеличивается (фиг. 337, б). При отрицательном
потенциале на сетке (при подаче на неё отрицательного напряже-
ния) сетка задерживает летящие электроны и анодный ток умень-
шается.
При достаточно большом отрицательном потенциале на сетке
ни один электрон уже не может пролететь сквозь сету к аноду.
При этом анодный ток становится равным нулю, или, как говорят,
лампа оказывается запертой (фиг. 337, в).

Таким образом с помощью сетки можно управлять величиной
тока в анодной цепи лампы, поэтому сетку называют управляющей.

Зависимость анодного тока от величины и полярности сеточного
напряжения называют анодно-сеточной характеристикой триода
(фиг. 337, г). Эта характеристика позволяет судить о токе, который

Фиг. 337 Принцип действия сетки и анодно-сеточная характе-
ристика трёхэлектродной лампы

может пропустить лампа, и о величине положительного или отри-
цательного сеточного напряжения, необходимого для того, чтобы
лампа .отдавала требуемый ток, или была заперта.

Использование трёхзлектродной лампы в качестве усилителя.
Применение в электронных лампах сетки обеспечивает возможность
управления значительными токами при помощи небольших сеточных
напряжений. Это обстоятельство позволяет использовать триод
в качестве усилителя небольших токов или слабых электромаг-
нитных колебаний.

Сетка находится ближе к катоду, чем анод, поэтому изменение
напряжения на ней значительно сильнее влияет на величину анод-
ного тока, чем такое же изменение величины напряжения на аноде.
Сильное влияние сетки на вылетающие из катода электроны поз-
воляет с помощью небольшого приложенного к ней напряжения
получить значительное изменение анодного тока.

В зависимости от того, резко или плавно изменяется сеточное
напряжение, так же резко или плавно изменяется анодный ток.
Иными словами, изменение анодного тока является точной копией,
притом значительно увеличенной, изменения сеточного напряжения.
Следовательно, при пропускании анодного тока через какой-либо
потребитель на нем возникает напряжение, в точности повторяющее
изменение сеточного напряжения, но значительно большее его по
величине.

На фиг. 338 изображена схема электронного (лампового) уси-
лителя с использованием триода.

Сущность процесса усиления заключается в том, что сравни-
тельно небольшое напряжение иех, поданное на вход лампы (на
её управляющую сетку), будет вызывать изменение анодного тока,
а следовательно, и значительно более сильное изменение напря-

Фиг. 338 Схема простейшего лампового усилителя

жен и я ивых на выходе лампы (в данном случае на громкогово-
рителе, включённом в её анодную цепь).

Иными словами, слабые электрические сигналы, поступающие
на сетку лампы от антенны радиоустройства, какого-либо элек-
трического датчика или измерительного прибора, значительно
усиливаются и могут быть использованы для превращения в звуко-
вые и световые сигналы в радиоприёмниках и телевизорах или же
для управления различными устройствами в автоматике и телеме-
ханике.

Усилительная способность лампы или, вернее сказать, лампы
вместе с нагрузкой характеризуется коэффициентом усиления р.,
который представляет собой отношение выходного напряжения
(напряжения на аноде} к входному напряжению (на сетке), т. е.

р и •
' 9Х

Коэффициент усиления современных ламп достигает 1 500.

Следует отметить, что работа трёхэлектродной лампы принци-
пиально отличается от работы трансформатора, котирый также
позволяет увеличивать напряжение переменного тока. В электрон-
ной лампе усиливается не только напряжение, но и мощность, так
364
как мощность на зыходе (т. е. в анодной цепи) значительно больше
мощности, поступающей в сеточную цепь. Поэтому электронная
лампа представляет собой не только усилитель напряжения, но
главным образом усилитель мощности.

Усиление мощности в электронной лампе не противоречит
закону сохранения энергии, так как электрическая энергия по-
ступает в анодную цепь не из сеточной цепи, а от постороннего
источника анодного напряжения. Изменение напряжения на сетке
лишь управляет энергией, поступающей от этого источника в анод-
ную цепь.

Фиг 339. Схема простейшего лампового генератора высокочастотных
колебаний

Если усиление, создаваемое одной лампой, недостаточно, то
после неё устанавливают вторую, третью и т. д. Таким образом
получаются многокаскадные электронные усилители; напряжение,
получаемое на выходном сопротивлении первой лампы, подводится
к сетке второй лампы, снова усиливается и т. д.

Применение многокаскадных усил-ителей позволяет усиливать
в миллионы раз мощность слабых сигналов, таких, например, как
токи в сердце человека, сигналы, передаваемые от далёких радио-
станций, и пр.

Использование трёхэлектродной лампы в качестве генератора
высокочастотных колебаний. Триод может быть также использован
для создания высокочастотных колебаний. Ламповый генератор
(фиг. 339, я и б) в основном состоит из электронной лампы и колеба-
тельного контура; катушка индуктивности этого контура связана
индуктивной связью со второй катушкой, включённой между сеткой
и катодом. Эта катушка носит название катушки обратной связи.

При включении колебательного контура в анодную цепь лампы
в контур поступает ток, и благодаря полученному электрическому
импульсу в нём возникнут электромагнитные колебания (фиг. 339,в).

В течение каждого колебания ток в индуктивной катушке
колебательного контура будет изменять своё направление, поэтому
в катушке обратной связи будет индуктироваться, как во вторичной
обмотке трансформатора, переменное напряжение. Это напряжение
подаётся на сетку электронной лампы и будет периодически от-
крывать и запирать её анодную цепь.

Когда на сетку лампы подаётся положительный потенциал,
через лампу будет проходить ток, и в колебательный контур будет
подаваться определённая порция электрической энергии. При по-
даче на сетку отрицательного потенциала определённой величины
протекание тока по анодной цепи прекращается.

Чем выше частота колебаний, создаваемая колебательным кон-
туром, тем чаще появляется на сетке положительный потенциал
и тем чаще подаётся в контур электрическая энергия. Следова-
тельно, электронная лампа будет подавать в контур электриче-
скую энергию строго ритмично, в такт с колебанием в самом кон-
туре, вследствие чего эти колебания будут незатухающими.

70. Прохождение электрического тока в газах

Физическая сущность прохождения электрического тока в га-
зах. Газы (в том числе и воздух) при обычных условиях не проводят
электрический ток. Только под действием высокой температуры,
большой разности потенциалов, рентгеновских лучей и некоторых
других факторов молекулы и атомы газов ионизируются и газ
становится проводником электрического тока.

Ионизация газа отличается от ионизации жидкого проводника.
В жидкости молекула распадается на две заряженные части, а в газе
происходит отделение электронов от молекул и атомов; при этом
молекулы и атомы превращаются в положительно заряженные
ионы.

Если поместить ионизированный газ в электрическое поле,
например между двумя электродами (фиг. 340), то появив-
шиеся в результате ионизации электроны и положительные ионы под
действием сил электрического поля начинают перемещаться:
электроны — по направлению к положительно заряженному эле-
ктроду (аноду), положительные ионы — по направлению к отри-
цательно заряженному электроду (катоду).

Таким образом электрический ток в газах представляет собой
процесс упорядоченного движения электронов и положительных
ионов, причём потоки электронов и положительных ионов движутся
в газе навстречу друг другу.
Характер прохождения электрического тока через газы может
быть различен. Если поместить газ в электрическое поле с большой
напряжённостью» то в газе возникнет кратковременный искровой
разряд Примеров искровых разрядов можно привести очень много:
искра, образующаяся при разрыве электрической цепи, молния,
пробой рогового разрядника и т. д.

ф атомы; ® оюложитеръныо

Фиг. 340. В газах электрический ток создаётся направленным движением
электронов и положительных ионов; поток положительных ионов движется
к катоду, а потиК электронов к аноду

Существует и другой вид разряда в газах —так называемый
дуговой разряд. Этот разряд продолжается длительное время и
сопровождается ярким светом и большим выделением тепла.

Дуговой разряд. Для возникновения дугового разряда в
газ, заполняющий пространство между двумя электродами, соз-

дающими электрическое поле,
вводят извне свободные элект-
роны. Обычно эти электроны
получают от специальных за-
жигающих устройств или с
помощью нагреваемой током ме-
таллической нити, как в элект-
ронных лампах. В сварочных
аппаратах и в прожекторах за-
жигание дуги производят путём
соприкосновения между собой
электродов; при этом концы
электродов сильно нагреваются
и с поверхности их начинают
вылетать электроны. После это-

Фиг. 341. Схема возникновения
ударной ионизации

го концы электродов разводят.

Свободные электроны, вле-
тевшие с поверхности катода или

полученные с помощью зажигающих устройств (называемые пер'
вичными), устремляются к аноду.

При достаточно большом напряжении, приложенном к концам

электродов, скорость движения электронов становится настолько
большой, что, сталкиваясь на своём пути с нейтральными атомами
и молекулами газов, они расщепляют их на электроны и положи-
тельные ионы (фиг. 341). Этот процесс называется ударной иони-
зацией.
Появившиеся в результате ударной ионизации новые, так назы-
ваемые вторичные электроны, сейчас же начинают двигаться к ано-
ду и при своём движении расщепляют всё новые и новые атомы и
молекулы газа. Рассмотренный процесс ионизации газа носит лави-
нообразный характер подобно тому, как один камень, брошенный
с горы, захватывая на своём пути всё новые и новые камни, порож-
дает лавину. В результате газовый промежуток между двумя
электродами заполняется большим количеством электронов и по-
ложительных ионов. Эта смесь электронов и положительных ионов
носит название плазмы.

Электроны, ионы и нейтральные атомы непрерывно сталкиваются
между собой и обмениваются энергией; при этом некоторые атомы
под ударами электронов приходят в возбуждённое состояние и
испускают избыток своей энергии в виде светового излучения.
Однако электрические силы заставляют основную массу положи-
тельных ионов двигаться к катоду, а основную массу электронов —
к аноду

Положительные ионы, приближаясь к катоду на очень малое
расстояние, создают вблизи его поверхности весьма сильное элек-
трическое поле, под действием которого с поверхности катода
«вырывается» большое количество электронов (автоэлектронная
эмиссия). Испускание электронов с поверхности катода происходит
также и под действием термоэлектронной эмиссии, так как тяжё-
лые положительные ионы ударяются оконец катода и разогревают
его до температуры 2700 — 3100°. В результате авто- и термо-
электронной эмиссии в газовое пространство между электродами
поступают всё новые и новые первичные электроны, и процесс
ионизации газа между концами электродов поддерживается непре-
рывно.

Напряжение, которое необходимо приложить между электро-
дами для того, чтобы вызвать лавинную ионизацию газа, зависит
от свойств данного газа и давления, под которым он находится. При
большом давлении электронам и ионам труднее пробиваться сквозь
атомы и молекулы газа. Поэтому в ряде устойств (ртутные выпря-
мители, газосветные лампы и др.) дуговой разряд создают в газе,
находящемся под небольшим давлением.

При дуговом разряде между концами электронов образуется
яркое пламя. Наибольшей яр костью обладает раскалённый углублён-
ный конец (кратер) положительного электрода. Летящие к этому
концу электроны бомбардируют его и разогревают до температуры
3500 — 3900°.

На конце отрицательного электрода также образуется раска-
лённое пятно, однако значительно меньшее, чем кратер положи-
тельного электрода.

Свойство дуги создавать яркий свет используется в прожекто-
рах, киноаппаратуре и т. д. Благодаря большому выделению тепла
электрическая дуга применяется для целей электросварки и
в электрометаллургии.
71. Ионные приборы

Принцип действия ионных приборов. Выпрямители и другие
устройства, основанные на применении электронных ламп, могут
пропускать через себя сравнительно небольшие токи, так как коли-
чество электронов, проходящих через лампу, строго ограничено
эмиссионной способностью её кагода. Кроме того, тормозящее дей-
ствие электрического поля отрицательно заряженных электронов,
обусловливает сравнительно большое внутреннее сопротивление
электронных ламп, значительно снижающее их коэффициент полез-
ного действия.

Для выпрямления больших токов используют так называемые
ионные приборы. Из существующих ионных приборов наибольшее
распространение получили ртутные выпрямители; применяются так-
же игнитроны, тиратроны и газотроны.

В ионных приборах, в отличие от электронных ламп, внутреннее
пространство прибора заполнено газами или парами (ртутными
парами, неоном и пр.). Поэтому в таких приборах возникает дуго-
вой разряд и протекание тока обеспечивается уже не только эле-
ктронами, вылетающими с катода, но и вторичными электронами,
образующимися в результате ударной ионизации атомов газов или
паров, заполняющих пространство между электродами.

При возникновении дугового разряда резко уменьшается так-
же и внутреннее сопротивление прибора и падение напряжения
в нём, так как электрическое поле положительных ионов ослабляет
тормозящее действие поля отрицательно заряженных электро-
нов.

Обычно в ионных приборах внутреннее падение напряжения
составляет только 15 — 30 в. По этой причине коэффициент полез-
ного действия этих приборов весьма высок, особенно при большой
величине выпрямленного напряжения. В мощных ртутных выпрями-
телях он достигает 95 —99%.

Процесс выпрямления в ртутном выпрямителе. Простейший
ртутный выпрямитель представляет собой герметический стеклян-
ный баллон, в котором воздух откачан до давления 0,001 —
0,0001 мм рт. ст. В баллон впаяны два стальных или графитовых
анода 1 и 2 (фиг. 342), к которым подводится переменное напря-
жение от вторичной обмотки трансформатора. В нижнюю часть
баллона залита жидкая ртуть, служащая катодом выпрямителя;
благодаря испарению ртути баллон оказывается заполненным её
парами.

Потребитель включается между ртутным катодом и средней точкой
вторичной обмотки трансформатора; при этом катод служит поло-
жительным полюсом цепи выпрямленного тока, а средняя точка
трансформатора её отрицательным полюсом.

При изменении напряжения во вторичной обмотке трансфор-
матора будут, изменяться и потенциалы присоединённых к этой
обмотке анодов.
Катодное пятно образуется в начале пуска выпрямителя с по-
мощью вспомогательной электрической дуги или искры. возни-
кающей при подаче напряжения на дополнительный электрод,
называемый анодом зажигания. Этот процесс носит название
зажигания выпрямителя.

В дальнейшем при работе выпрямителя катодное пятно непре-
рывно поддерживается потоком положительных ионов, движущихся
от анодов к катоду, которые создают вблизи катода условия, обес-
печивающие возникновение термо- , .

электронной и автоэлектронной ту

эмиссий (см. § 67). 1[

Фиг. 343. Схема включения трёханод-

ного ртутного выпрямителя

ртутного выпрямителя

Фиг. 344. Схема стеклянного

Таким образом при работе ртутного выпрямителя непрерывно
возникают на катоде и в пространстве между электродами свобод-
ные электроны и положительные ионы, необходимые для поддержа-
ния постоянного дугового разряда между катодом и анодами.

Катодное пятно, образующееся в выпрямителе, а с ним и дуга
могут поддерживаться только при наличии нагрузки в цепи вы-
прямителя, причём ток нагрузки должен быть не менее 2—3 а.
Выключение тока даже на очень незначительное время приводит
к прекращению работы выпрямителя. Для возобновления работы
необходимо будет в этом случае повторить процесс зажигания.

Для предотвращения погасания дуги выпрямителя при малых
нагрузках он снабжается дополнительными анодами — так на-
зываемыми анодами возбуждения, которые питаются от вспомо
гательного трансформатора. Между этими анодами и ртутным
катодом возникает дуга возбуждения, горящая независимо от на-
грузки и поддерживающая выпрямитель всё время в работоспо-
собном состоянии.

Устройство ртутных выпрямителей. По своей конструкции ртут-
ные выпрямители подразделяются на стеклянные и металлические.
Последние бывают многоанодными и одноанодными.

Стеклянные ртутные выпрямители (фиг. 344) монтируются
в стеклянной колбе; они применяются главным образом для вы-
прямления сравнительно небольших токов.

Ртутные выпрямители большой мощности, в частности выпрями-
тели, обеспечивающие питание постоянным током электрических

Главный
трансформатор

тентромагншг*

Потребитель

Охлаждающая

ВакуумньИ
насос

Главный
анод—

Защитный
экран—"'

Откачка
воздуха

Корпус

Охлаждающая
бода

Ртутный
катод

Фиг. 345- Схема металлического многоанодного
ртутного выпрямителя

железных дорог, монтируются в металлическом корпусе и носят
название металлических ртутных выпрямителей.

Эти выпрямители (фиг. 345) снабжаются системой принудитель-
ного водяного охлаждения, а также вакуумными насосами для от-
качки воздуха, проникающего внутрь корпуса сквозь неплотности
в его сварных швах.

Регулирование выпрямленного напряжения. Регулирование вы-
прямленного напряжения в ртутных выпрямителях может быть
осуществлено, как и в электронных лампах, с помощью сетки
(фиг. 346). Однако в отличие от электронной лампы сетка ртутного
выпрямителя не может непрерывно регулировать ток, она может
лишь задерживать возникновение дугового разряда в выпрямите-
372
Фиг. 346. Схема ртутного выпря-
мителя с сетками

ле. Если же такой разряд уже начался, то сетка теряет способность
управления током выпрямителя, так как положительные ионы,
заполняющие баллон выпрямителя, нейтрализуют электрическое
поле сетки и дают возможность электронам свободно проходить
сквозь неё.

Для регулирования напря-
жения ртутного выпрямителя
необходимо подавать на сетку
отрицательный потенциал и сни-
мать его с сетки через некоторый
промежуток времени Л/ после
подачи на анод положительного
потенциала. Увеличивая этот
промежуток времени, можно за-
держать начало зажигания дуги
на каждом аноде и уменьшить
среднее значение Иср выпрям-
ленного напряжения.

Па фиг. 347 показаны графики изменения выпрямленного на-
когда сетка не задерживает возник-
новения дугового разряда в вып-
рямителе (фиг. 347, а), при неболь-
шой задержке △/ начала зажига-
ния дуги (фиг. 347, б) и при боль-
шой задержке (фиг. 347, в). Из
этих графиков видно, что с уве-
личением Ы уменьшается заштри-
хованная площадь внутри кривой
выпрямленного напряжения и по-
нижается величина 1)ср.

Такой способ регулирования
напряжения, подаваемого на тяго-
вые двигатели, принят на электро-
возах переменного тока с ртутными
выпрямителями, которые в настоя-
щее время эксплуатируются в неко-
торых странах (Франция, Герма-
ния, Америка и др.).

Применение в ртутных выпря-
мителях сеток позволяет не только
регулировать напряжение выпря-

мителя, но и запереть его или превратить в инвертор, т. е. преоб-
разователь постоянного тока в переменный.

На электрических железных дорогах этим свойством пользуют-
ся для передачи избытка энергии, получаемой при электрическом
рекуперативном торможении поездов, из контактной сети в сеть
трёхфазного тока, питающую подстанцию.

пряжения для трех случаев:

Фиг. 347. Графики изменения
выпрямленного напряжения
при сеточном регулировании
ртутного выпрямителя
Игнитрон. Игнитрон (фиг. 348) является разновидностью одно-
анодного ртутного выпрямителя. Для зажигания дуги в игнитроне
применён специальный зажигатель, выполненный из полупровод-

Фиг. 348. Принципиальная схема
игнитрона

никового материала» не смачи-
ваемого ртутью (карборунда).

При пропускании тока че-
рез зажигатель в тонком слое
между карборундом и ртутью
образуется сильное электриче-
ское поле, достаточное для об-
разования на зажигателе неболь-
шой дуги.

Регулируя момент подачи
напряжения на зажигатель, мо-
жно задерживать начало горения
дуги в игнитроне, так же как

это делает сетка, и изменять та-
ким путём величину выпрямлен-
ного напряжения.

Игнитроны используются на
некоторых электровозах пере-

менного тока (у нас и за границей) для преобразования этого тока
в постоянный, который затем подаётся к тяговым двигателям.

72. Прохождение тока в полупроводниках

Кроме проводников и изоляторов, в природе существуют вещест-
ва, занимающие по своим электрическим свойствам промежуточное
положение. Эти вещества называются полупроводниками. К числу
их относятся элементы: селен, кремний, германий, теллур, многие
окислы, сернистые и кремнистые соединения, карборунд и пр.

По своему строению полупроводники стоят гораздо ближе к изо-
ляторам, чем к металлам. Все электроны в них связаны с атомами и
удерживаются на своих орбитах.

Однако некоторые электроны связаны слабо, поэтому такие
электроны при тепловом движении частиц тела отрываются от ато-
мов и становятся свободными.

В некоторых полупроводниках, как и в металлах, электриче-
ский ток создаётся движением свободных электронов. Такие полу-
проводники называются электронными — это кремний и германий
в чистом виде либо с примесью сурьмы, мышьяка или висмута.

В других полупроводниках ток проходит благодаря тому, что
связанные с отдельными атомами электроны кочуют от одних ато-
мов к другим — к таким атомам, у которых есть для электронов сво-
бодные места, получившие в технической литературе назва-
ние «дырок». Такие полупроводники называются дырочными; к ним
относятся селеп, закись меди и ряд других.
Наличие в полупроводнике некоторого количества свободных
электронов, оторвавшихся от атомов вследствие теплового движе-
ния, делает их похожими на металлы.

Однако между металлами и полупроводниками имеется глубокое
различие.

Как бы сильно ни был охлаждён металл, в нём всегда останутся
свободные электроны.

шяк
невозможно создать
поток электронов

Свободные электроны

Положительные
ионы

Атомы С'дыркани *

Нейтральный
атомы

Фиг, 349. Электрическое сопротивление проводников весьма мало,
полупроводников велико, а изоляторов огромно

В полупроводниках же при низких температурах энергия тепло-
вого движения частиц становится недостаточной для того, чтобы
отрывать даже слабо связанные электроны. Поэтому при охлажде-
нии полупроводники резко уменьшают способность проводить ток.

Возникновение свободных электронов в полупроводниках может
происходить не только под влиянием теплового движения его частиц,
но также и при воздействии лучей света; в этом случае энергия,
которую несёт с собой луч света, обеспечивает отрыв слабо связан-
ных электронов от своих атомов.

Электропроводность полупроводников при обычных условиях
в миллионы раз меньше электропроводности металлов, но в мил-
лионы раз больше электропроводности изоляторов (фиг. 349). Од-
нако если охладить полупроводник до низкой температуры, то он ста-
новится хорошим изолятором, а если сильно нагреть или освещать
его, он будет таким же хорошим проводником, как и металл.

В прошлом электротехника не использовала таких веществ, так
как считалось, что электротехнический материал должен или хорошо
проводить ток, или же быть хорошим изолятором.

Современная же электротехника широко применяет полупро-
водники для выпрямления переменного тока (твердые выпрямите-
ли), для изготовления фотоэлементов и пр. В последнее время от-
крылись большие перспективы замены электронных ламп полупро-
водниковыми приборами и применения их для непосредственного
преобразования тепловой энергии в электрическую.

73. Полупроводниковые выпрямители. Фотоэлементы

Полупроводниковые выпрямители. Полупроводниковый выпря-
митель состоит из двух электродов, полупроводника и проводника,
разделённых весьма тонким (толщиной около 0,00001 лш), так назы-
ваемым запирающим слоем (фиг. 350).

Фиг. 350. Схема действия полупроводникового выпрямителя

Такое устройство имеет одностороннюю проводимость и вы-
полняет роль вентиля. Оно свободно пропускает электрический
ток в одном направлении, когда электрод-проводник соединён
с отрицательным полюсом электрической цепи, а электрод-пол у-
пр< вэдник—с положительным полюсом, и практически прекра-
щает протекание тока при изменении полярности подаваемого на
электроды напряжения. Указанное свойство полупроводниковых
выпрямителей объясняется тем, что в проводнике находится зна-
чительно больше свободных электронов, чем в полупроводнике.,
При подаче на выпрямитель напряжения прямой полярности
(плюс — полупроводник, минус — проводник) электроны из про-
водника под'действием электрического поля свободно проходят
через запирающий слой в полупроводник (фиг. 350, а), обеспечи-
вая протекание электрического тока 1прям. При подаче обратной
полярности прохождение электронов сквозь запирающий слой из
376
в миллионы раз меньше электропроводности металлов, но в мил-
лионы раз больше электропроводности изоляторов (фиг. 349). Од-
нако если охладить полупроводник до низкой температуры, то он ста-
новится хорошим изолятором, а если сильно нагреть или освещать
его, он будет таким же хорошим проводником, как и металл.

73. Полупроводниковые выпрямители. Фотоэлементы

Фиг. 350. Схема действия полупроводникового выпрямителя

Такое устройство имеет одностороннюю проводимость и вы-
полняет роль вентиля. Оно свободно пропускает электрический
ток в одном направлении, когда электрод-проводник соединён
с отрицательным полюсом электрической цепи, а электрод-пол у-
пр< вэдник—с положительным полюсом, и практически прекра-
щает протекание тока при изменении полярности подаваемого на
электроды напряжения. Указанное свойство полупроводниковых
выпрямителей объясняется тем, что в проводнике находится зна-
чительно больше свободных электронов, чем в полупроводнике.,
При подаче на выпрямитель напряжения прямой полярности
(плюс — полупроводник, минус — проводник) электроны из про-
водника под'действием электрического поля свободно проходят
через запирающий слой в полупроводник (фиг. 350, а), обеспечи-
вая протекание электрического тока 1прям. При подаче обратной
полярности прохождение электронов сквозь запирающий слой из
376
полупроводника в проводник (фиг. 350, б) происходит со значи-
тельно меньшей интенсивностью, и протекающий обратный ток
10бр будет весьма мал.

В настоящее время наибольшее распространение получили два
вида полупроводниковых выпрямителей — селеновые и медноза-
кисные (купроксные).

На фиг. 351,а изображена конструктивная схема селенового вы-
прямителя. Один из электродов его выполнен в виде металлического
диска (стального или алюминиевого), на который нанесён тонкий
слой селена. Второй электрод представляет собой металлический
слой сплава олова, кадмия и висмута, нанесённого на селен путём

Фиг. 351. Устройство селенового выпрямителя

распиливания; на этот слой металла накладывается контактная ла-
тунная шайба.

После соответствующего формования выпрямителя электриче-
ским током между селеном и металлическим слоем образуется тон-
чайший запирающий слой.

Несколько таких вентилей включаются последовательно и монти-
руются на общих болтах, образуя селеновый столб (фиг. 351, б). Се-
леновые столбы могут включаться непосредственно в цепь постоян-
ного или переменного тока или же из них могут быть смонтиро-
ваны выпрямители, работающие по схеме двухполупериодного
выпрямления с трансформатором или по мостовой схеме.

В последнее время для выпрямления переменного тока начали
применять новые типы полупроводниковых выпрямителей, выпол-
ненных из германия, кремния и некоторых редких металлов. Эти
выпрямители могут пропускать через себя большие токи и рабо-
тают со сравнительно высоким к. п. д. Поэтому сейчас ведутся
работы по использованию их на электрическом подвижном составе
вместо ртутных выпрямителей и игнитронов.

Фотоэлементы. Полупроводники широко применяются для пре-
образования световой энергии в электрическую; устройства такого
рода называют фотоэлементами. Полупроводниковый фотоэлемент
принципиально выполнен так же, как и полупроводниковый вып-
рямитель (см. фиг. 350). В качестве полупроводников в них ис-
пользуются селен, а также серносвинцовые, серносеребряные и
серноталлиевые соединения. В полупроводниковых фотоэлементах
свет, падая на полупроводник (фиг. 352, а}, сообщает ему энергию,

Фиг. 352- Принцип действия полупро-
водниковых фотоэлементов (а) и фото-
элементов с внешним фотоэффектом (б)

достаточную для вырывания
электронов из атомных орбит
и превращения их в свободные
электроны. При этом элект-
роны, образующиеся в полу-
проводнике, проходят сквозь
запирающий слой в проводник
в направлении,обратном про-
теканию тока при работе по-
лупроводникового элемента в
качестве выпрямителя. Фото-
элементы этого типа могут
создавать электрический ток
без постороннего источника
электроэнергии; с увеличе-
нием интенсивности освеще-
ния полупроводника возра-
стает и величина протекаю-
щего через чего тока.

При включении полупро-
водникового фотоэлемента в
электрическую цепь он ведёт
себя как сопротивление, вели-
чина которого изменяется в
зависимости от интенсивности
освещения.

Наряду с полупроводниковыми фотоэлементами, называемыми
также фотоэлементами с внутренним фотоэффектом, в практике
используются также фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

Действие этих фотоэлементов основано на использовании явле-
ния фотоэлектронной эмиссии. Фотоэлемент выполнен в виде стеклян-
ного баллона (фиг. 352,6) с двумя электродами — анодом и катодом,
включёнными в электрическую цепь. Катод покрыт светочувстви-
тельным слоем (металлом цезием или сплавом цезия с сурьмой).

Свет, падая на светочувствительный слой фотоэлемента, выби-
вает из него электроны, которые устремляются к аноду; при этом
по электрической цепи, в которую включён фотоэлемент, начинает
проходить электрический ток.
Ток, создаваемый фотоэлементами, очень мал, поэтому при ис*
пользовании его для практических целей он подвергается усилению
с помощью электронных ламп.

Контрольные вопросы

1. Как проходит электрический ток в пустоте?

2. В чём состоит явление электронной эмиссии?

3. Как устроена и работает двухэлектродная электронная лампа?

4. Как используют электронные лампы в качестве выпрямителей?

5 Для чего служат сглаживающие фильтры и каков их принцип
действия?

б. Как устроена и работает трёхэлектродная электронная лампа?

7. Как используют трёхэлектродные лампы в качестве усилителей и
генераторов высокочастотных колебаний?

8. Как проходит электрический ток в газах?

9. Как происходит дуговой разряд?

10- На каком принципе работают ионные приборы?

11 Как происходит процесс выпрямления в ртутном выпрямителе?

12. Как осуществляют зажигание и возбуждение ртутных выпрями-
телей?

13- Как устроены стеклянные и металлические ртутные выпрямители?

14 Как осуществляется регулирование выпрямленного напряжения?

15 Что представляет собой игнитрон?

16. Что представляют собой полупроводники?

17 Как проходит электрический ток в полупроводниках?

18. Как устроены полупроводниковые выпрямители?

19. Что представляют собой фотоэлементы и как они устроены?
ГЛАВА XI

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
И ИХ ЗАЩИТА

74. Системы управления электрическими двигателями

Основными процессами работы электродвигателей, подлежащими
управлению, являются пуск, остановка, изменение направления
вращения, регулирование скорости, электрическое торможение,
защита двигателей от перегрузок и повреждений, сигнализация их
состояния и осуществление определённой последовательности опе-
раций.

В зависимости от способа воздействия на электрические цепи
управляемого двигателя системы управления электродвигателями
подразделяются на систему непосредственного, или ручного, управ-
ления и систему косвенного, или дистанционного, управления.

При системе непосредственного управления все переключения
в цепях электрических двигателей производятся аппаратами, при-
водимыми в действие непосредственно рукой управляющего лица.
Простейшим примером непосредственного управления электриче-
ским двигателем является подключение его к сети с помощью выклю-
чателя с ручным приводом (фиг. 353,а).

Обычно наиболее простые операции по управлению электриче-
скими двигателями (включение в сеть, остановка, изменение напра-
вления вращения, переключение со звезды на треугольник) осущест-
вляются рубильниками и переключателями. При необходимости вы-
полнения большого числа рабочих операций (постепенное выведе-
ние пускового сопротивления, регулирование скорости вращения
и пр.) используют специальные аппараты для переключения элек-
трических цепей двигателя, называемые контроллерами (от англий-
ского слова «контрол»—управление).

В настоящее время система непосредственного управления при-
меняется только для электродвигателей небольшой мощности и при
небольшой частоте их включения.

При системе косвенного управления электрические аппараты,
выполняющие переключения в цепях электрических двигате-
лей, отделяются от аппаратов управления; связь аппаратов
управления с переключающими аппаратами осуществляется пос-
редством вспомогательной электрической цепи, называемой цепью
управления.
Простейшим примером косвенного управления является подклю-
чение двигателя к сети с помощью выключателя с электромагнит-
ным приводом (фиг 353,6).

При нажатии кнопки, включённой в цепь управления, ток
проходит по обмотке электромагнита, якорь которого притягивается
к сердечнику и включает связанный с ним выключатель. Последний
осуществляет подключение электрического двигателя к сети.

Фиг. 353. При непосредственном управлении все переключения в цепях
электрических двигателей осуществляются аппаратами с ручным приводом
при косвенном управлении, аппараты, осуществляющие переключения
электрических цепей двигателей, приводятся в действие с помощью
вспомогательной электрической цепи управления

На современных электровозах, тепловозах и моторных вагонах
применяется исключительно система косвенного управления, так
как она значительно упрощает управление этими локомотивами.
Такая система позволяет совершенно изолировать машиниста от
соприкосновения с высоковольтным оборудованием, даёт возмож-
ность легко осуществлять управление двигателями на расстоянии
(дистанционное управление) и упрощает размещение аппаратов
на локомотиве.

Кроме того, косвенная система управления позволяет легко
осуществить автоматический пуск двигателей (на моторных вагонах
и вагонах метрополитена) и управление несколькими электровозами,
тепловозами или моторными вагонами с одного поста (из одной
кабины машиниста) при двойной и многократной тяге. Управление
с одного поста двумя или несколькими локомотивами или мо-
торными вагонами называется «управлением по системе многих
единиц».

Аппараты, применяемые в системе косвенного управления,
подразделяются на следующие основные группы:

а) Исполнительные органы — аппараты, осуще-
ствляющие переключение электрических цепей электродвигателей.

Основными аппаратами этой группы являются контакторы—
дистанционные выключатели, включение и выключение которых
производится путём электрического воздействия на их привод с
помощью низковольтной цепи управления; к исполнительным орга-
нам относятся также различные групповые переключающие аппа-
раты— групповые контакторы, реверсоры, тормозные переключате-
ли и пр.

б) Контролирующие органы — аппараты, реаги-
рующие на изменение заданного режима работы двигателя или при-
водимого им механизма.

Основными аппаратами этой группы являются различные реле—
аппараты, реагирующие на величину тока, напряжения, темпера-
туры, давления, времени между отдельными операциями и пр.
При изменении заданного режима работы электродвигателя или
приводимого им механизма эти реле вызывают включение или вы-
ключение соответствующих контакторов, осуществляющих требуе-
мые переключения в электрической цепи двигателя.

К этой же группе относятся аппараты защиты, реагирующие на
аварийные условия эксплуатации и производящие их ликвидацию
путём отключения двигателя от сеги;

в) Командные органы (органы управления) — аппа-
раты, предназначенные для выполнения переключений в цепях
управления в зависимости от воли управляющего лица.

Эти аппараты позволяют обслуживающему персоналу устанавли-
вать режим работы электродвигателя (осуществлять его включение
и выключение, изменять скорость и направление вращения и пр.).
К числу аппаратов этой группы относятся различные кнопки,
кнопочные выключатели, контроллеры управления (контроллеры ма-
шиниста) и пр.;

г) Органы сигнализации и взаимосвязи,
обеспечивающие требуемую последовательность работы аппаратуры
и предупреждающие неправильные операции.

К их числу относятся различные блокировочные реле и блоки-
ровочные устройства аппаратов, связывающие между собой элек-
трическим или механическим способом отдельные командные или
исполнительные органы.

В некоторых случаях в одном аппарате сочетаются различные
органы управления. Так, например, автоматический выключатель
электровоза выполняет функцию отключения двигателей от сети и
функцию контроля величины тока, протекающего по цепи дви-
гателей.
75. Управление двигателями с помощью контроллеров
и контакторов

Контроллер является основным аппаратом, посредством которо-
го машинист управляет движением электровоза. При непосредствен-
ной системе управления контроллер осуществляет требуемые пере-
ключения в цепях электрических двигателей. При косвенной системе
управления с помощью контроллера производят необходимые пере-
ключения цепей управления, которые вызывают срабатывание со-
ответствующих исполнительных аппаратов (контакторов, реверсо-
ра и пр.), воздействующих

Рукоятка )

Контактны
пальцы

Медные
сегменты

Фиг. 354. Устройство барабанного
контроллера

на главную цепь тяговых

двигателей.

По своей
контроллеры
ются на два

конструкции
п од раз деля-
типа: бара-

банные и кулачковые.

Барабанный контроллер.
Барабанный контроллер
состоит из барабана с мед-
ными сегментами и непо-
движной изоляционной
рейки (фиг. 354), на кото-
рой укреплены контакт-

ные

пальцы; к этим паль-

Факсатор

нам подводятся провода,
связывающие контроллер
с цепью управляемого им
двигателя. Медные сегмен-
ты изолированы от вала и
являются подвижными кон-
тактами. При повороте
вала они соединяют между
собой те или иные кон-
тактные пальцы, осуществ-
ляя требуемые переключе-
ния в цепи двигателя. Для
поворота вала служит ру-
коятка, насаженная на ко-

ней вала, выходящий из корпуса контроллера. Медные сегменты
сдвинуты друг относительно друга на определённый угол, и между
ними имеются необходимые электрические соединения; поэтому
каждому положению рукоятки контроллера соответствует опреде-
лённая схема соединения электрической цепи двигателя. Фиксация
вала контроллера в определённых положениях осуществляется не-
большим храповым механизмом, установленным на валу.

Простейшая схема управления двигателем с помощью барабан-
ного контроллера приведена на фиг. 377.
Недостатком барабанных контроллеров является повышенный
износ контактных пальцев и сегментов вследствие трения и оплав-
ления их электрической дугой, возникающей при размыкании
электрических цепей, присоединённых к контроллеру. Поэтому эти
контроллеры используют только для непосредственного управле-
ния двигателями небольшой мощности.

Кулачковые контроллеры. Кулачковый контроллер состоит
из вращающегося вала (фиг. 355) с кулачками специального профи-

ля и корпуса, в котором смонтировано несколько контактных эле-
ментов. Замыкание и размыкание контактных элементов происхо-

Фиг. 355- Устройство кулачкового
контроллера

дит в результате воздействия на
них кулачков при повороте вала
контроллера.

Каждый контактный элемент
(фиг. 356, п) имеет неподвижный
и подвижной контакты; послед-
ний установлен в держателе, ко-
торый шарнирно связан с рыча-
гом, снабжённым роликом. При
нажатии кулачка на ролик по-

движной контакт отходит от не-
подвижного; возвращение его в

первоначальное замкнутое со-
стояние происходит под действием включающей пружины, когда
ролик сойдёт с выступа кулачка.

Такие контакты называются нормально замкнутыми, или нор-
мально закрытыми. Аналогично устроены и нормально разомкнутые,
или нормально открытые, контакты; эти контакты при воздействии

кулачка на ролик замыкаются, а при сходе ролика с выступа ку-
лачка размыкаются отключающей пружиной.

При прохождении электрического тока через контакты они на-
греваются, что приводит к окислению их поверхности и повы-
шению переходного сопротивления в месте соприкосновения под-
вижного контакта с неподвижным. Увеличение переходного сопро-
тивления ведет, как было установлено в § 17, к ещё большему
повышению нагрева, в результате чего температура контакта мо-
жет достигнуть опасной величины. Кроме того, электрическая дуга,
появляющаяся при размыкании контактов, может привести к об-
горанию и разрушению их поверхности, которая становится непри-
годной для длительной передачи тока.

Чем быстрее раздвигаются контакты любого выключателя, тем
меньше энергии успевает выделиться в дуге; тем легче гаснет дуга и
тем меньше износ контактов. Поэтому для улучшения действия вы-
ключателей их снабжают сильной отключающей пружиной, обеспе-
чивающей резкое отключение контактов при размыкании выключав

теля.

Кроме того, в выключателях, разрывающих токи свыше 10—
15 а, место контакта, на котором образуется электрическая дуга,
обычно удаляется от места, через которое длительно проходит ток
после окончания процесса включения. В кулачковых контроллерах
и в контакторах это достигается взаимным перекатыванием кон-
тактов в процессе их включения и выключения, для чего их кон-
тактным поверхностям придаётся выпуклая форма.

Для того чтобы не допустить возрастания переходного сопротив-
ления контактов вследствие окисления их поверхности, контакты
в процессе включения и выключения должны иметь некоторое
скольжение друг по другу. В этом случае при включениях и выклю-
чениях будет постоянно осуществляться взаимная зачистка кон-
тактных поверхностей от окисной плёнки, нагара и загрязнений.

Совместный процесс перекатывания контак-
тов и их взаимного скольжения называется
притиранием. Он осуществляется благодаря
тому, что подвижной контакт монтируется на

Фиг. 356. Устройство контактного элемента кулачкового контроллера

контактном рычаге не жёстко, а посредством шарнирной связи,
и между держателем контакта и рычагом устанавливается так на-
зываемая притирающая пружина (фиг. 356,а). Последняя необходи-
ма также для смягчения ударов при включении контактов и для
преодоления возникающих между контактами электродинамиче-
ских усилий, которые могли бы привести к их взаимному отталки-
ванию и сильному обгоранию.

На фиг. 356, б показаны последовательные положения подвиж-
ного и неподвижного контактов при их размыкании. В рабочем по-
ложении / контакты соприкасаются между собой в точках Д; затем
подвижной контакт перекатывается по неподвижному и перед раз-
мыканием (положение 3) они соприкасаются между собой в точках Б.
Следовательно, точки Б, между которыми при размыкании кон-
тактов образуется дуга (положение 4), оказываются удалёнными

25 Заказ 1216 385
от точек Д, через которые проходит ток при включённом положе-
нии контактов.

Кулачковые и барабанные к'онтроллеры широко применяют
на электрическом подвижном составе и тепловозах. Однако в этих
локомотивах они управляют тяговыми двигателями не непосредст-
венно, а косвенным путём с помощью различных контакторов и дру-
гих переключающих аппаратов (реверсоров, групповых переключате-
лей, тормозных переключателей и пр.).

Обычно такие контроллеры называются контроллерами машини-
ста; они имеют несколько барабанов с сегментами или кулачковых
валов, каждый из которых приводится в движение своей рукояткой.
Отдельные барабаны или кулачковые валы связаны между собой
механическими блокировками, обеспечивающими правильную после-
довательность их поворота и предотвращающими действия, которые
могли бы привести к аварии. Например, главный барабан, обеспечи-
вающий пуск тяговых двигателей, не может быть повёрнут с нулевого
положения в рабочее, пока реверсивный барабан, предназначенный
для изменения направления движения, не установлен в положение
«Вперёд» или «Назад». В свою очередь реверсивный барабан не мо-
жет быть повёрнут из одного положения в другое, пока главный
барабан установлен в каком-либо рабочем положении и т. д.

Контакторы. На электрическом подвижном составе и теп-
ловозах все требуемые переключения в цепях тяговых двигателей
осуществляются контакторами или групповыми переключающими
аппаратами.

Контактор представляет собой управляемый на расстоянии вы-
ключатель, предназначенный для замыкания или размыкания под
нагрузкой электрических цепей.

Схематически устройство контактора показано на фиг. 357.
Контактная система контактора в основном подобна контактному
элементу кулачкового контроллера; при включении и выключении
она обеспечивает взаимное перекатывание подвижного и неподвиж-
ного контактов с некоторым скольжением.

Каждый контактор снабжён специальным приводом: электро-
магнитным или элекгролневматическим. В зависимости от типа при-
вода контакторы разделяются на электромагнитные и электропнев-
матические.

В электромагнитных контакторах (фиг. 357. а) привод выпол-
нен в виде электромагнита с подвижным якорем. При протекании
тока по катушке электромагнита якорь под действием магнитного
потока катушки притягивается к сердечнику (или втягивается
в катушку)'и, воздействуя на промежуточную рычажную систему,
замыкает подвижной контакт с неподвижным.

В электроппевматическом контакторе (фиг. 357,6) приводом слу-
жит цилиндр с поршнем, в который подаётся сжатый воздух. Под
действием сжатого воздуха поршень перемещается вверх и посред'
ством промежуточной рычажной системы воздействует на подвиж-
ной контакт, замыкая его с неподвижным. При выпуске воздуха из
386
цилиндра поршень под действием отключающей пружины переме-
щается вниз, размыкая контакты контактора.

Управление приводами электропневматических контакторов
осуществляется посредством электромагнитных вентилей. Вентиль
выполнен в виде электромагнита, подвижной сердечник которого
связан с системой клапанов. При подаче тока в катушку вентиля
его подвижной сердечник перемещает клапан, осуществляя впуск
воздуха в цилиндр привода контактора, вследствие чего
контактор включается. При выключении катушки вентиля сжатый
воздух выпускается из цилиндра привода, и контактор выключается.

д) X- -х—-V Г Ч

Дуымситель
пая на тушке

контакты

'Рычажная
система

• Электромагнитный
привод

Злектропнед;
готический
придай -----

Ятмоеъера

Злектромагнитный
вентиль

____Сжсипый

Фиг. 357. Устройство электромагнитного (а) и электропневматического (б)
контакторов

Для управления тяговыми двигателями электровозов, тепловозов
и моторных вагонов применяют преимущественно электропневма-
тические контакторы, способные создать достаточно большие уси-
лия для нажатия контактов. Электромагнитные контакторы исполь-
зуют главным образом для управления различными вспомогатель-
ными машинами и цепями, по которым протекают сравнительно
небольшие токи.

Контакторы могут выполняться с нормально разомкнутыми
(нормально открытыми) или нормально замкнутыми (нормально
закрытыми) контактами. Нормальным положением контактов счи-
тается положение их г ри отсутствии тока в катушке привода кон-
тактора.

Для ускорения гашения дуги, возникающей в момент размы-
кания контактов, контакторы и другие переключающие аппараты,
осуществляющие выключение электрических цепей под током,
снабжены дугогасительными катушками и дугогасительными ка-
мерами (фиг. 358, а).
Действие дугогасительной катушки основано на том, что элек-
трическая дуга, помещённая в магнитное поле (фиг. 358, а), ведет
себя так же, как и проводник с током, т. е. магнитное поле стремит-
ся вытолкнуть дугу из зоны своего действия. Использование магнит-
ного поля для гашения электрической дуги получило название
магнитного дутья.

В контакторах магнитный поток создаётся дугогасителыюй ка-
тушкой (фиг. 358,6), через
выключаемой цепи. Этот
поток посредством сталь-
ных полюсных наконечни-
ков, примыкающих к сер-
дечнику катушки, направ-

ит опта кт

Фиг. 358. Дугогасительное устройство контакторов;

а — принцип магнитного дутья; б — процесс дугогашения в контакторе

ляется в пространство между контактами и выдувает возникающую
электрическую дугу на специальные дугогасительные рога. Под
действием магнитного дутья и потоков нагретого воздуха внутри
дугогасительной камеры электрическая дуга перемещается к кон-
цам дугогасительных рогов, удлиняется и охлаждается, что приво-
дит к быстрому её гашению. Дугогасительная камера способствует
охлаждению и более интенсивному гашению электрической дуги и
препятствует её перебросу на близко расположенные металлические
части. Дугогасительные камеры выполняются обычно из асбо-
цемента, который обладает высокой теплостойкостью и изолирую-
щими свойствами. Дугогасительная катушка включена последо-
вательно с главными контактами контактора, поэтому при возра-
стании разрываемого тока увеличивается и интенсивность дугога-
шения.

Наряду с главными контактами, осуществляющими переключе-
ние цепей электрических двигателей, контакторы снабжаются так
называемыми блокировочными контактами. Эти контакты предназна-
чены для переключения цепей управления с целью обеспечения над-
лежащей последовательности срабатывания отдельных аппаратов,
сигнализации об их включении, выключении и пр. Блокировоч-
ные контакты связаны с рычажной системой, осуществляющей
388
включение главных контактов; как и главные контакты, они могут

быть нормально разомкнутыми или нормально замкнутыми,
На фиг. 359 приведены в качестве примера схемы, показываю-
щие использование блокировочных контактов для взаимной связи

между двумя контакторами, В схе-
ме фиг. 359, а нормально замк-
нутый блокировочный контакт кон-
тактора А включён последователь-
но с катушкой привода контакто-
ра Б. Поэтому контактор Б может
быть включён только при выклю-
ченном контакторе А и при вклю-
чении контактора Я автоматически
выключается. В схеме фиг. 359, б

нормально разомкнутый блокиро-
вочный контакт контактора А вклю-
чён последовательно с катушкой
контактора Б. Поэтому контактор Б
может быть включён только при
включённом контакторе А и при
выключении контактора А контак-
тор Б также выключается.

Групповые переключающие ап-
параты. При необходимости осу*

Фиг. 359. Схемы электрического
блокирования двух контакторов

ществить одновременное переключение большого числа электриче-
ских цепей (например при переключении двигателей с последова-

Фиг. 360. Устройство группового контактора

тельного соединения на параллельное или при изменении направ-
ления вращения двигателей) на электрическом подвижном составе
и тепловозах применяют групповые переключающие аппараты.
Эти аппараты могут выполняться в виде выключателей контактор-
ного типа, конструктивно объединённых в один аппарат и управляе-
мых общим кулачковым валом наподобие кулачкового контроллера.
В некоторых случаях они выполняются наподобие барабанного
контроллера, но не с ручным, а с электропневматическим приводом.

На фиг. 360 показана схема устройства группового контактора
моторного вагона, имеющего два фиксированных положения, соот-
ветствующих двум схемам соединения тяговых двигателей — после-

Фиг. 361. Устройство реверсора

довательному и параллельному. При подаче тока в катушку правого
электромагнитного вентиля сжатый воздух поступает в правую часть
цилиндра электропневматического привода и перемещает его порш-
ни влево, поворачивая кулачковый вал по часовой стрелке.
Поворот кулачкового вала вызывает включение и выключение соот-
ветствующих контактных элементов и переключение цепей тяго-
вых двигателей. При подаче тока в катушку левого электромагнит-
ного вентиля сжатый воздух поступает в левую часть цилиндра
привода и из правой части выходит в атмосферу. При этом поршни
перемещаются вправо, что приводит к возвращению контактных
элементов в первоначальное положение.
Нафиг. 361,а показана схема устройства реверсора При подаче
тока в катушку левого электромагнитного вентиля поршни привода
перемещаются вправо и барабан с сегментами поворачивается против
часовой стрелки. При этом благодаря перекрёстному соединению
длинных и коротких сегментов барабана контактный палец А будет
соединён с пальцем Г, а контактный палец Б с пальнем В. В ре-
зультате ток будет проходить по обмотке возбуждения в направ-
лении, указанном сплошной стрелкой, и двигатель будет вращаться
в направлении «Назад».

При подаче тока в катушку правого электромагнитного вентиля
поршни привода перемещаются влево и барабан поворачивается
по часовой стрелке. В этом случае длинные сегменты соединят
палец А с пальцем В, а палец Б с пальцем Г. В результате ток
по обмотке возбуждения потечёт в обратном направлении, и двига-
тель изменит направление вращения.

Схематически переключение, выполняемое реверсором, пока-
зано на фиг. 361, б.

На электрическом подвижном составе применяют и более слож-
ные групповые переключающие аппараты. Так, например, па
электровозах ВЛ22М установлен групповой переключатель па
три положения, имеющий два пневматических цилиндра и четыре
электромагнитных вентиля. На электровозах ВЛ 19, работающих
на двух напряжениях, установлен групповой переключатель на
четыре положения.

Кроме главных контактов, осуществляющих требуемые перек-
лючения в цепях электрических двигателей, групповые переклю-
чающие аппараты обычно снабжаются вспомогательными (блоки-
ровочными) контактами, предназначенными для включения соот-
ветствующих переключений в цепи управления.

76. Реле и регуляторы

Типы реле. Реле называется автоматически действующий ап-
парат, который при своём срабатывании производит различные пе-
реключения в управляемых им электрических цепях, Типы при-
меняемых реле весьма разнообразны. Они различаются по принципу
действия, назначению и устройству. Реле широко применяют для
защиты и для автоматического управления электрическими двига-
телями.

В зависимости от назначения реле подразделяются на следую-
щие типы:

а) реле управления — осуществляют автоматическое управле:
кие работой электродвигателей (пуск, торможение и пр.);

б) реле защиты — защищают электродвигатели или приводи-
мые ими механизмы от перегрузок и аварий;

в) блокировочные и сигнальные реле — осуществляют тре-
буемые блокировки электрических цепей и сигнализируют о
включении или выключении различных аппаратов и цепей.
Реле могут работать под действием различных физических фак-
торов — электрической энергии, тепла, механического воздействия
и пр В зависимости от физического фактора, на который реагирует
реле, они подразделяются на токовые, напряжения, мощности,
времени, тепловые и пр. В соответствии с характером изменения
этой величины реле могут быть максимальными и минимальными.
Максимальные реле действуют при повышении тока, напряжения
или другой величины свыше определённого предела; минимальные
реле срабатывают при уменьшении этих величин ниже опреде-
лённого предела. Обычно реле имеют регулировочные устройства,
позволяющие изменять величину тока, напряжения, мощности
и пр., при котором срабатывает реле; эта величина носит название
уставки реле.

По характеру своего действия реле подразделяются на реле
мгновенного действия и реле с выдержкой времени. Реле мгновен-
ного действия срабатывают немедленно после достижения
током, напряжением или другим физическим фактором заданной
величины. В реле с выдержкой времени между моментом достиже-
ния этим фактором заданного значения и моментом срабатывания
проходит некоторое время, называемое выдержкой времени.

В схемах управления электрическими двигателями реле обыч-
но воздействуют на вспомогательные цепи катушек приводов кон-
такторов; однако при малых токах, т. е. при малых мощностях двига-
телей, они могут непосредственно производить переключения их
цепей.

Обычно реле с выдержкой времени имеют регулировочные уст-
ройства, позволяющие изменять выдержку времени в определён-
ных пределах.

Реле могут иметь несколько нормально замкнутых и нормально
разомкнутых контактов.

Устройство реле. В основу работы большинства реле поло-
жены принципы, используемые в электроизмерительных приборах.
В соответствии с этим реле подразделяются на электромагнитные,
индукционные, тепловые и пр.

В схемах управления электрическими двигателями наибольшее
распространение получили электромагнитные и тепловые реле.
Индукционные реле используются главным образом в схемах защи-
ты систем энергоснабжения.

На фиг. 362 изображена схема устройства электромагнитного
реле. Оно состоит из катушки, насаженной на стальной сердечник,
и якоря, который может втягиваться в сердечник (фиг. 362, а) или
же поворачиваться вокруг неподвижной оси (фиг. 362,6). К якорю
реле прикреплены на изолирующих колодках подвижные кон-
такты. В зависимости от положения якоря они могут касаться
верхних или нижних неподвижных контактов. При отсутствии тока
в катушке реле якорь под действием собственного веса или пружины
находится в отпавшем положении. При этом подвижные контак-
ты замыкают нижние неподвижные контакты. При возрастании
392
тока в кагушке свыше определённого предела сила, с которой
электромагнит притягивает якорь, преодолеет действие его веса
или противодействующее усилие пружины, якорь реле при-
тянется к сердечнику и подвижные контакты замкнут верхние не-
подвижные контакты. При этом реле произведёт требуемые переклю-
чения в присоединённых к нем)? электрических цепях. Регулируя
натяжение противодействующей пружины, можно изменять вели-
чину тока срабатывания реле.

После того как исчезла причина, заставившая сработать реле
(чрезмерно большой ток или напряжение и пр.), подвижные контак-
ты реле автоматически возвращаются в первоначальное положение.
Такие реле называются самовосстанавливающимися, или реле с са-
мовозвратом. Однако существуют реле, в которых специальная за-

Фиг. 362. Устройство электромагнитного реле;
а —с втягивающимся якорем; б —с поворотным якорем

щёлка препятствует возвращению его подвижных контактов в перво-
начальное положение; такие реле называются принудительно вос-
станавливаемыми. Эти реле снабжаются дополнительной кнопкой
или дистанционным электромагнитным приводом, которые позволяют
отвести защёлку и возвратить реле и его контакты в первоначаль-
ное положение после того, как будут устранены ненормальные
условия работы, вызвавшие срабатывание реле.

Для уменьшения искрения при размыкании контактов реле и
регуляторов параллельно контактам иногда включают конденсаторы.

Как было отмечено в § 24, при размыкании контактов,
включённых в цепь с индуктивностью, например в цепь какой-либо
катушки, возникающая в этой цепи э. д. с. самоиндукции
(фиг. 363) создаёт между контактами большое перенапряжение,
которое в обычных условиях приводит к искрению».

При включении конденсатора параллельно контактам искрение
не сможет возникнуть, так как размыкание контактов не вызывает
резкого изменения тока и появления больших перенапряжений.
В момент размыкания контактов ток продолжает проходить через
конденсатор, и последний начинает заряжаться; величина тока
при этом постепенно уменьшается.

После окончания-зарядки конденсатора дальнейшее протекание
тока по его цепи прекратится.

При повторном замыкании контактов конденсатор разрядится
на замкнутую цепь; запасённая же в нём электрическая энергия
превратится в тепловую.

Таким образом, конденсатор, заряжаясь и разряжаясь, значи-
тельно улучшает работу контактов электрических аппаратов, пре-
дохраняя их от искрения.

Фиг. 363. В момент размыкания контактов ток
продолжает проходить через конденсатор; поэтому
в цепи не возникает большой э. д. с. самоиндук-
ции, которая могла бы вызывать искрение контактов

Схемы включения реле. В зависимости от назначения реле ка-
тушки их могут включаться в цепь различным образом.

В токовых реле (фиг. 364,а) катушка включается последователь-
но в цепь двигателя или генератора; при этом реле может срабаты-
вать при превышении током допустимой величины (реле максималь-
ного тока) или при уменьшении его ниже определённого предела
(реле минимального тока). Реле максимального тока широко ис-
пользуют на электровозах, тепловозах и моторных вагонах для за-
щиты тяговых двигателей и тепловозного генератора от перегрузок
и короткого замыкания.

Реле минимального тока используется на моторных вагонах в
качестве реле ускорения. При уменьшении тока в цепи тяговых
двигателей ниже определённой величины это реле срабатывает и
автоматически выводит из этой цепи ступени пускового сопро-
тивления.

В реле напряжения (фиг. 364,6) катушка реле подключена па-
раллельно в цепь двигателя, генератора или к двум точкам электри-
ческой цепи, между которыми действует некоторое напряжение I).
При увеличении напряжения свыше допустимой величины (реле
максимального напряжения) или при уменьшении его ниже опреде-
лённого предела (реле минимального напряжения) реле срабаты-
вает и переключает свои контакты.

Реле напряжения широко используют на электроподвижном со-
ставе и тепловозах для защиты тяговых двигателей и тепловозного
генератора от ненормального изменения напряжения и в качестве
реле управления, которые автоматически переключают цепи тяго-
вых двигателей или цепи возбуждения тепловозного генератора
в процессе разгона поезда.

Они применяются также для защиты электровозов и тепловозов
от боксования.

При боксовании колёсной пары резко возрастает скорость
вращения якоря связанного с ней тягового двигателя, а следова-
тельно, и его э. д. с. 11ри этом срабатывает подключённое к
данному двигателю или группе двигателей реле боксования, кото-

Фиг. 364. Схемы включения электромагнитных реле
различных типов:

а— токового; 6—напряжения; в—времени

рое сигнализирует машинисту о начавшемся боксовании, обеспечи-
вает подачу песка под колёсные пары локомотива или же отключает
в электровозах двигатели от сети, а в тепловозах уменьшает напря-
жение главного генератора.

В схемах управления двигателями часто используются электро-
магнитные реле времени. Реле времени представляет собой обычное
реле напряжения, но имеющее, кроме основной катушки, коротко-
замкнутый толстый медный виток (фиг. 364,в). При отключении ка-
тушки реле от сети и уменьшении её магнитного потока
в короткозамкнутом витке, вследствие явления взаимоиндукции,
будут индуктироваться вихревые токи, препятствующие уменьше-
нию магнитного потока реле. В результате этого якорь будет
отпадать от сердечника не мгновенно гюсле прекращения протека-
ния тока по его катушке, а с некоторой выдержкой времени поряд-
ка 0,3—5 сек.

Для обеспечения совместной работы генератора с аккумуля-
торной батареец на электроподвижном составе и тепловозах при-
Фиг. 365. Схема включения реле обрат
ного тока

меняют реле обратного тока. Реле этого типа имеет две катушки:
последовательную и параллельную (фиг. 365). Когда ток проте-
кает из генератора в батарею (в процессе её заряда), направле-
ние магнитных потоков Фгаг) и Фпос, создаваемых обеими обмот-
ками, совпадает и реле держит свои контакты в притянутом со-
стоянии, обеспечивая питание батареи от генератора.

Когда напряжение генератора становится меньше напряжения
батареи, ток в цепи изменяет своё направление. При этом поток
ФПос, создаваемый последо-
вательной обмоткой реле,
будет направлен против по-
тока параллельной обмот-
ки; общее усилие, создавае-
мое обмотками, уменьшит-
ся, и реле под действием
пружины разомкнёт кон-
такты и отсоединит (непос-
редственно или через про-
межуточный контактор) ба-
тарею от генератора. Бла-
годаря этому будет предот-

вращена вредная разрядка батареи на генератор. Реле с парал-
лельной и последовательной обмотками используют также для ог-
раничения тока тепловозного генератора, для переключения дви-
гателей на тепловозах с последовательного соединения на парал-
лельное и для ослабления их потока возбуждения.

Регуляторы напряжения. Для автоматического регулирования
напряжения генератора, питающего вспомогательные цепи электро-
возов, тепловозов и моторных вагонов, применяют регуляторы
напряжения. Наибольшее распространение для регулирования
генераторов постоянного тока получили вибрационные регуляторы
напряжения.

Вибрационный регулятор напряжения (фиг. 366. а) выполнен
в виде электромагнита с подвижным якорем, оттягиваемым пру-
жиной. На якоре укреплён подвижной контакт, который может
касаться одного из двух неподвижных контактов / или 2. Обмотка
электромагнита включается параллельно якорю генератора, а к
контактам подключены сопротивления и которые могут вклю-
чаться в цепь обмотки возбуждения генератора. При возрастании
напряжения генератора выше установленной величины усилие
электромагнита преодолеет противодействующее усилие пружины
и подвижной контакт замкнётся с неподвижным контактом /. При
этом параллельно обмотке возбуждения генератора будет включено
сопротивление что вызовет уменьшение тока возбуждения и на-
пряжения генератора.

При уменьшении напряжения генератора ниже установленного
предела пружина преодолеет усилие электромагнита, и подвижной
контакт замкнётся с неподвижным контактом 2. При этом замыкает-
396
ся накоротко сопротивление /?2, включённое в цепь обмотки воз-
буждения генератора, что вызовет увеличение тока возбуждения и
напряжения генератора.

Практически подвижной контакт всё время вибрирует между
контактами 1 и 2, замыкаясь попеременно с одним из них. В резуль-
тате этого в цепи обмотки возбуждения автоматически устанавли-
вается такая величина тока,
при которой напряжение ге-
нератора поддерживается в
установленных пределах. Виб-
рация контактов происходит
с большой частотой, вследст-
вие чего напряжение генера-
тора практически не изме-
няется.

Для регулирования нап-
ряжения генераторов, уста-
навливаемых в пассажирских
вагонах и на некоторых элект-
ровозах, используют также и
угольный регулятор напряже-
ния. Этот регулятор напря-
жения (фиг. 366, б) выполнен
в виде электромагнита, якорь
которого под действием пру-
жины может сжимать столб,
состоящий из уг< льных шайб.
В регуляторе, показанном на
фиг. 366. б, столб из уголь-
ных шайб сжимается сверху
диском штока, связанного с
якорем электромагнита.

Столб из угольных шайб представляет собой переменное сопро-
тивление, величина которого зависит от приложенного давления.

Обмотка электромагнита включается параллельно якорю генера-
тора, а угольный столб — последовательно с обмоткой возбуждения.

При возрастании напряжения генератора свыше установлен-
ной величины увеличивается усилие, создаваемое электромагнитом,
и уменьшается давление на угольный столб. Это приводит к возра-
станию его сопротивления, а следовательно, и к уменьшению тока
возбуждения и напряжения генератора. При уменьшении напря-
жения генератора ниже установленной величины уменьшается уси-
лие электромагнита и возрастает давление на угольный столб.
Это ведёт к уменьшению его сопротивления и увеличению тока воз-
буждения и напряжения генератора.

В результате регулятор будет автоматически поддерживать та-
кую величину тока возбуждения генератора, при которой напряже-
ние его имеет установленное значение. .

Фаг. 366. Схемы включения регуляторов
напряжения:

а—вибрационного; б —угольного
Регуляторы давления и температуры. Наряду с регуляторами
напряжения на электроподвижном составе применяют регуляторы
давления и регуляторы температуры. Регулятор давления представ-
ляет собой электрический выключатель, связанный с пневматиче-
ским цилиндром. При уменьшении давления в главных резервуарах
локомотива или моторного вагона ниже определённого предела сра-
батывают контакты регулятора, обеспечивая посредством соот-
ветствующих контакторов или других пусковых устройств включе-
ние электродвигателя мотор-комп рессора.

При возрастании давления свыше установленной величины ре-
гулятор давления обеспечивает отключение двигателя мотор-комп-г
рессора от сети.

Фиг. 367- Принцип действия регулятора температуры с биметаллической
пластиной

Регуляторы температуры устанавливают на моторвагонном под-
вижном составе. Регулятор представляет собой чувствительный
элемент, который в зависимости от температуры в пассажирском
помещении моторного или прицепного вагона воздействует на
контактное устройство. Последнее автоматически включает или
выключает контакторы, подводящие ток к электрическим печам
отопления.

В качестве чувствительных элементов в таких регуляторах
обычно используют патрон с легкокипящей жидкостью или биме-
таллическую пластину.

В регуляторах, снабжённых патроном с легкокипящей жидко-
стью, повышение температуры вызывает увеличение давления паров
внутри патрона. При этом патрон удлиняется и обеспечивает пере-
ключение контактов регулятора.

В регуляторах с биметаллической пластиной чувствительным
элементом является пластина (фиг. 367, а), составленная из двух
металлов или сплавов, которые при нагревании удлиняются раз-
личным образом. Один из концов этой пластины закреплён, а
второй связан с контактным устройством.

При повышении температуры среды, в которой помещена биме-
таллическая пластина, свободный конец её выгибается в сторону
металла с меньшим коэффициентом температурного удлинения
(фиг. 367, б), обеспечивая переключение контактов регулятора.
77. Защита электрических двигателей от перегрузок, коротких
замыканий и перенапряжений

Защита от перегрузок и коротких
замыканий

Для защиты электрических двигателем от перегрузок и коротких
замыканий применяют плавкие предохранители, электромагнитные
реле и тепловые реле. Все эти аппараты обеспечивают автоматиче-
ское отключение двигателей от сети при увеличении тока свыше до-
пустимого предела. Поэтому эти устройства иногда называют ап-
паратами максимальной защиты.

Плавкие предохранители. Простейшим аппаратом для макси-
мальной защиты электрических цепей является плавкий предохра-
нитель.

Основной деталью плавкого предохранителя является плавкая
вставка — короткий кусок проволоки или пластинка из легкоплав-

кого металла. При возрастании
нагрузки свыше величины, на
которую рассчитана плавкая
вставка предохранителя, она
перегорает и разрывает цепь
защищаемого объекта. При по-
стоянном токе плавкие предо-
хранители включают в оба про-
вода, при трёхфазном — во все
три фазы.

Предохранители в зависимо-
сти от назначения имеют разное
конструктивное оформление и
изготовляются на различные ра-
бочие токи. Значение номиналь-

Фиг. 368 Плавкий предохранитель
пробочного типа

ного тока, на которое рассчитан
предохранитель, обычно укд*
зывдется на нём. Такой ток

предохранитель может выдерживать в течение длительного вре-
мени.

На фиг. 368 изображён плавкий предохранитель пробочного
типа, устанавливаемый в осветительных сетях жилых и производ-
ственных зданий.

В этом предохранителе плавкая вставка помещается внутри
фарфсфовой пробки, ввёртываемой в основание, к которому подве-
дены провода от защищаемой цепи.

На фиг. 369 изображён плавкий предохранитель стреляющего
типа, устанавливаемый во вспомогательных высоковольтных цепях
электровозов. Предохранитель выполнен в виде толстостенной фиб-
ровой втулки, открытой с одного конца, внутри которой расположе-
на плавкая вставка, часть её имеет уменьшенное поперечное сече-
ние и называется мостиком. При перегорании мостика плавкой
вставки газы, выделяемые фиброй при нагревании, и пары металла
с большой силой выбрасываются сквозь открытый конец фибровой
трубки, увлекая остатки плавкой вставки и обеспечивая быстрое га-
шение образующейся электрической дуги. Кроме стреляющих пре-
дохранителей, в электрических локомотивах применяют герметиче-
ские предохранители, в которых плавкая вставка находится в замк-
нутом пространстве. При перегорании вставки в таком предохрани-
теле значительно повышается давление, что способствует быстрому
гашению возникающей дуги.

В низковольтных цепях электровозов, тепловозов и моторных
вагонов применяют трубчатые предохранители с засыпкой из мра-
морной или меловой крошки (фиг. 370).

Колпачок—1 п1|1'

Мостик

Фибровая
трубка
Плавкая
вставка

Контакт

Засыпка

Плавкая
вставка

фибровая
•поубка

Фиг. 370. Трубчатый предохрани-
тель с засыпкой, устанавливае-
мый в низковольтных цепях элект-

ровозов и тепловозов

Контакт

Фиг. 369 Плавкий предохрани-
тель стреляющего типа, устанав-
ливаемый во вспомогательных вы-
соковольтных цепях электровозов

Быстрое гашение дуги, возникающей в этих предохранителях
при перегорании плавкой вставки, происходит в результате повыше-
ния давления газов, выделяемых фиброй и засыпкой, и быстрого
охлаждения дуги при соприкосновении с зерном засыпки.

Недостатком плавких предохранителей является зависимость
времени сгорания плавкой вставки от величины протекающего по
ней тока; чем больше ток, протекающий через плавкую вставку,
тем скорее она перегорает. При большом токе (свыше 500% номи-
нального) плавкая вставка перегорает почти мгновенно. Однако ма-
лые перегрузки (порядка 25%) плавкие предохранители выдержи-
вают неопределённо длительное время, так как величина тока,
расплавляющего плавкую вставку, зависит от ряда трудно учиты-
400
ваемых условий (температура помещения, условия теплоотдачи,
изменение сечения плавкой вставки вследствие коррозии и пр.).

Следовательно, плавкие предохранители не могут защищать
двигатель от небольших перегрузок, которые тем не менее при
длительном действии способны вывести двигатель из строя.

Поэтому защита двигателей от перегрузок осуществляется в на-
стоящее время главным образом электромагнитными или тепловы-
ми реле, а на долю плавких предохранителей остаётся лишь функ-
ция защиты от короткого замыкания.

Максимальные токовые и тепловые реле. На фиг. 371 изобра-
жена схема защиты двигателя от перегрузок с помощью максималь-
ного токового реле. Катушка реле включается последовательно в
цепь якоря двигателя; контакты реле включаются в цепь катушки
привода контактора или автоматического выключателя, посредст-
вом которых двигатель присоединяется к сети. При возрастании

Фиг. 371. Схема защиты двигателя с помощью
электромагнитного реле максимального тока

тока двигателя свыше допустимого предела реле срабатывает и раз-
мыкает цепь питания катушки привода автоматического выключа-
теля или контактора; при этом двигатель отключается от сети.

На электровозах защита тяговых двигателей от короткого замы-
кания осуществляется с помощью быстродействующих выключа-
телей. Этот аппарат представляет собой мощный электрический вы-
ключатель с электромагнитным приводом, в который встроены
электромагнитные реле максимального тока. При чрезмерном уве-
личении тока эти реле срабатывают, обеспечивая быстрое отклю-
чение тяговых двигателей от контактной сети. Такие же быстро-
действующие выключатели применяют на тяговых подстанциях для
защиты ртутных выпрямителей.

Для защиты цепей вспомогательных машин на моторных ваго-
нах применяют тепловые реле. Принцип действия теплового реле
основан на нагревании биметаллической пластины, которая, изги-
баясь, вызывает срабатывание контактов реле.

Биметаллическая пластина расположена внутри нагревательно-
го элемента (фиг. 372), по которому протекает ток двигателя. При
увеличении тока свыше определённого предела конец биметалличе-
ской пластины перемещается кверху и освобождает защёлку, кото-
26 Заказ 1216 4Щ
рая под действием пружины поворачивается, размыкая контакты,
включённые в цепь управления двигателем. Это вызывает выключе-
ние контактора, отсоединяющего двигатель от сети. Нагревательный
элемент и биметаллическая пластина обладают некоторой теплоём-
костью, поэтому срабатывание теплового реле происходит не сразу
после достижения током недопустимо большого значения, а с не-
которой выдержкой времени. При этом чем меньше перегрузка,
гем больше выдержка времени.

Фиг. 372. Схема защиты электродвигателя с помощью теплового реле

Кратковременные толчки тока при пуске двигателя не вызовут
срабатывания теплового реле. Но если повышенный ток будет про-
текать несколько секунд, то биметаллическая пластина прогреется
и реле отключит двигатель.

Таким образом тепловое реле весьма хорошо подходит для защиты
от перегрузок электрических двигателей, температура которых до-
стигает предельно допустимого значения тем быстрее, чем больше
вгличина перегрузки.

После размыкания контакты теплового реле замыкаются при
помощи специальной кнопки, выведенной наружу крышки реле.
Восстановление контактов возможно через 15—90 сек. после их раз-
мыкания, так как это время необходимо для остывания нагреватель-
ного элемента и биметаллической пластинки.

Защита от чрезмерного повышения
и понижения напряжения

Реле максимального и минимального напряжения. Защита
двигателей от чрезмерного повышения напряжения, которое
может иметь место при работе их как в двигательном так и в ге-
нераторном режиме (при реостатном или рекуперативном тор-
можении), осуществляется реле максимального напряжения. Это
реле воздействует на автоматический выключатель или соответст-
вующие контакторы, которые отсоединяют двигатель от сети.
Электрические двигатели необходимо отключать от сети не толь-
ко при чрезмерном повышении напряжения, по и при сильном его
уменьшении. Недопустимость работы двигателя при пониженном
напряжении объясняется тем, что в этом случае значительно умень-
шается скорость вращения двигателя и возрастает потребляемый

им ток.

Если же к зажимам такого замедлившегося или полностью оста-
новившегося двигателя будет снова подано нормальное напря-
жение, то возникнет недопустимый бросок тока и сильный ме-
ханический толчок. Резкие толчки тока и механического усилия

могут привести к повреждению двигателя и приводимого им ме-
ханизма, а неожиданная подача напряжения после его исчезно-

а)

пения может представлять опасность
для обслуживающего персонала.

Защита двигателя от недопусти-
мого понижения напряжения осу-
ществляется реле минимального
напряжения. На электрическом по-

л/ Рабочий тон
V ЗЗигателей

Разря&ик

Избыточные заряЗы

Фиг. 373. Общий вид и схема включения рогового разрядника

движпом составе оно обычно воздействует на сигнальные устрой-
ства, сигнализирующие машинисту о ненормальных условиях экс-
плуатации тяговых двигателей. В стационарных установках и
на некоторых электровозах за границей срабатывание реле мини-
мального напряжения вызывает отключение двигателей от сети.

Разрядники. Особую опасность представляют для тяговых
двигателей и другого электрического оборудования электровозов
и моторных вагонов перенапряжения, возникающие в контактной
сети при грозовых разрядах (атмосферные перенапряжения) и при
быстрых аварийных отключениях нагрузки па тяговых подстанциях
/коммутационные перенапряжения).

Для защиты от таких перенапряжений на электрическом по-
движном составе применяют различного рода разрядники. Раз-
рядник представляет собой самое слабое звено в изоляции электри-
ческой цепи и должен пробиваться ещё до того, как напряжение
достигнет величины, опасной для машин, приборов и аппаратов,
включённых в эту цепь. Он служит своего рода предохранительным
клапаном, который дает возможность легко стечь в землю избыточ-
ным электрическим зарядам, по преграждает этот путь для рабоче-
го тока электрической цепи.

Простейшим разрядником является роговой разрядник
(фиг. 373, а). При появлении перенапряжения воздух, находящийся
между рогами разрядника, пробивается и между ними возникает
электрическая дуга. Через эту дугу избыточные электрические
заряды стекают в землю, а включённая в цепь двигателей катушка
индуктивности (фиг. 373, б) не позволяет волне перенапряжения
пройти к электрическим двигателям.

В настоящее время на электровозах и моторных вагонах приме-
няют более усовершенствованные разрядники — алюминиевые,
тиритовые и вилитовые.

Искровой
промежуток

Ялюминйёвый
разрядник иэоыторные

Плёнка окиси
алюминия

'Ялюминиевые
электроды

’Л'щелочнои
электролит

Фиг. 374. Схема включения алюминиевого разрядника

Рабочий
ток
двигателя ^ОПрОти§лемие

Алюминиевый разрядник состоит из ряда последовательно
включённых стеклянных банок (элементов) с щелочным электроли-
том, в каждой из которых находятся по два алюминиевых электро-
да, покрытых плёнкой окиси алюминия (фиг. 374). Действие алю-
миниевого разрядника основано на вентильном свойстве плёнки оки-
си алюминия, образующейся при электролизе на алюминиевых элек-
тродах.

Когда приложенное к разряднику напряжение не превышает
определённой величины, эта плёнка обладает высоким сопротивле-
нием и пропускает незначительный ток. Если же напряжение до-
стигнет некоторого критического значения (порядка 350 в на одну
банку), плёнка пробивается, и избыточные электрические заряды
отводятся в землю. После того, как напряжение снова понизится
ниже критического значения, пробитое место под влиянием электро-
лиза, возникающего в банках разрядника, быстро затянется плён-
кой окиси алюминия и сопротивление разрядника вновь возрастёт.

Обычно элементы алюминиевого разрядника подключаются к
токоприёмнику электровоза или моторного вагона через дуговой
разрядник (искровой промежуток), шунтированный большим со-
противлением.

Если напряжение ниже критического, сопротивление ограничи-
вает ток, протекающий по элементам разрядника; при появлении
перенапряжения искровой промежуток пробивается, и волна перена-
пряжения поступает к элементам алюминиевого разрядника.

Тиритовый и вилитовый разрядники представляют собой набор
тиритовых или вилитовых дисков, включённых последовательно

с дуговым разрядником, который
снабжён устройством для маг-
нитного дугогашения (фиг. 375).

Тирит является полупровод-
никовым материалом, изготов-
ленным из смеси карборунда,
глины и графита. В обожжён-
ном виде этот материал назы-
вается вилитом. Тирит и вилит
при высоком напряжении обла-
дают малым сопротивлением и

.Искройай
промежуток

Фиг. 375. Схема включения тирито-
вого и вилитового разрядников

Дугогасигель^
пая катушка

Тиритсвые
диски

при перенапряжениях легко пропускают через себя в землю избы-
точные электрические заряды. Однако при малых напряжениях
сопротивление тирита и вилита резко возрастает; поэтому после
ликвидации перенапряжения возникшая в дуговом разряднике
дута быстро гасится, и рабочий ток не сможет проходить в землю.

Контрольные вопросы

I. Какие существуют системы управления электрическими двигате-
лями и чем они характеризуются?

2. Какие аппараты входят в систему косвенного управления?

3. Каково назначение и устройство контроллеров?

4. Для чего применяются и как устроены контакторы?

5. Для чего служат групповые переключающие аппараты и как они
устроены?

6. Каково назначение реле и как они подразделяются?

7. Как устроены и работают реле?

8. Для чего служат регуляторы напряжения и как они устроены?

9. Для чего применяют регуляторы давления и температуры и как
они устроены?

10. Для чего служат плавкие предохранители и каковы их недостатки?

И. Как осуществляется защита тяговых двигателей от перегрузок с
помощью максимальных токовых и тепловых реле?

12- Как осуществляется защита тяговых двигателей от чрезмерного
повышения и понижения напряжения?

13. Как осуществляется защита тяговых двигателей и электрического
оборудования ог перенапряжений, возникающих в контактной сети при
грозовых разрядах?
ГЛАВА XII

ЧТЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ

78. Назначение электрических схем и их выполнение

Электрической схемой называется условное изображение со-
единений между электрическими машинами, аппаратами, приборами
и токоведущими частями электрических установок. При этом отдель-
ные элементы электрической установки обозначаются условными
знаками.

Умение читать электрические схемы весьма важно для эксплуа-
тации и монтажа электрических установок. При эксплуатации уста-
новок схемы дают возможность, не осматривая в натуре всех агре-
гатов, приборов и соединительных проводников (кабелей, шин, ли-
ний), наглядно представить, от каких агрегатов и через какие сое-
динительные элементы, машины и приборы электрическая энергия
подаётся к потребителям. Выполнение оперативных переключений
тех или иных машин и аппаратов немыслимо без знания электриче-
ской схемы установки, так как ошибочное включение или отключе-
ние отдельных машин и аппаратов, как правило, ведёт к авариям,
а иногда и к человеческим жертвам. Так, например, подача напряже-
ния на замкнутый накоротко элемент электрической установки при-
водит к короткому замыканию, что может вызвать серьёзное повреж-
дение оборудования и возникновение пожара. Схемы помогают также
быстро и правильно осуществить можаж электрических уста-
новок, так как они наглядно показывают, какие элементы дан-
ной установки и каким образом должны быть соединены между собой.

Наличие электрических схем облегчает ремонт электрических
установок. Во многих случаях незнание электрической схемы
или неумение её прочесть делает невозможным проведение ремоша
электрического оборудования. Отличное же знание схемы позволяет
обеспечить безаварийную работу установки и сократить сроки про-
филактических осмотров и ремонтов оборудования и его монтажа.

В зависимости ог назначения электрические схемы электропо-
движного состава и тепловозов подразделяются па принципиальные,
принципиально-монтажные и монтажные.

На принципиальные схемы наносят основные элементы оборудо-
вания (генераторы, тяговые двигатели, вспомогательные машины,
контакторы и пр,). Эти схемы составляются так, чтобы читающий
схему получил ясное представление о том, по каким электрическим
4Мб
цепям и через какие элементы оборудования протекает электриче-
ский ток от источника к потребителям. Поэтому на таких схемах не
показывают второстепенных элементов (переходных клемм, проме-
жуточных проводов и пр.), которые могут затруднить понимание
схемы и сделать её ненаглядной.

Элементы оборудования на принципиальной схеме располагаются
только в порядке их электрических соединений без учёта действи-
тельного размещения оборудования на локомотиве или моторном
вагоне, причём в целях упрощения схемы и достижения большей
наглядности все соединительные провода изображаются по возмож-
ности прямыми линиями, имеющими кратчайшую длину.

На принципиально-монтажных схемах изображаются все эле-
менты оборудования, в том числе переходные клеммы и клеммо-
вые коробки, и указывается маркировка (нумерация) проводов,
кабелей и клемм. Расположение оборудования на принци-
пиально-монтажной схеме не соответствует его действительному
размещению на локомотиве или моторном вагоне.

На монтажных схемах изображаются все элементы оборудования
в соответствии с их действительным взаимным расположением на
локомотиве или моторном вагоне. На такой схеме, помимо обозна-
чения кабелей и проводов, указывается их марка и сечение.

79. Условные обозначения основных элементов
электрических схем

Для облегчения понимания электрических схем электровозов,
тепловозов и моторных вагонов построение этих схем производится
на основании следующих принципов.

1. Электрическая схема локомотива и моторного вагона разби-
вается на несколько самостоятельных цепей.

К числу этих цепей относятся:

а) Силовая цепь, или цепь главного тока тяговых двигателей.
В эту цепь входят тяговые двигатели, тепловозные генераторы, пус-
ковые сопротивления, аппараты, осуществляющие переключения
тяговых двигателей и сопротивлений, и защитная аппаратура.

Для облегчения чтения схемы силовая цепь обычно вычерчи-
вается жирными линиями;

б) Цепь вспомогательных машин и отопления, в которую входят
вспомогательные машины, мотор-вентиляторы, мотор-комп рессо-
ры, электрические печи отопления и приборы, управляющие вклю-
чением этих машин, печей и пр.;

в) Цепь управления, в которую входят контроллер машиниста,
катушки электромагнитных и электропневматических приводов
контакторов и других аппаратов, их блокировочные контакты, низ-
ковольтные контакты защитных реле, кнопочные выключатели и пр.;

г) Цепь освещения и сигнализации, включающая в себя сигналь-
ные и осветительные лампы и кнопочные выключатели, относя-
щиеся к их цепям.
2. Отдельные элементы, аппаратов размещаются - в различных
местах схемы (вне зависимости от их действительного расположе-
ния и механической связи друг с другом), определяемых исключи-
тельно удобством ее чтения и последовательностью действия отдель-
ных цепей. Гак, например, два контакта, тесно сидящие на якоре од-
ного реле, в электрической схеме могут оказаться в разных местах
большого листа бумаги. Чтобы избежать путаницы при чтении та-
ких схем, все элементы одного и того же аппарата получают одина-
ковые буквенные или цифровые обозначения.

3. Все элементы аппаратов, входящих в схему, изображаются
в положении, которое они занимают при отсутствии тока в соответ-
ствующих катушках (контакторов, реле и пр.) и при отсутствии
механического воздействия извне (кнопки, выключатели и пр.).

Это положение называется нормальным, в соответствии с чем
все контакты аппаратов разделяются на нормально закрытые, или
нормально замкнутые (г. е. замкнутые при отсутствии тока в ка-
тушке привода аппарата и отсутствии внешнего механического
воздействия), и нормально открытые, или нормально разомкнутые
(т. е. разомкнутые при отсутствии тока в катушке привода аппарата
и отсутствии внешнего механического воздействия). Для аппаратов
с двумя катушками, воздействующими на контакты в противополож-
ных направлениях, нормальное положение указывается на схемах.

4 Простота и наглядность схем электрических установок дости-
гается тем, что каждый элемент их оборудования обозначается
особым присвоенным ему условным графическим обозначением.

Условное графическое изображение элементов электрической
установки выражает наиболее характерные особенности данного эле-
мента. Так, например, в качестве условного обозначения вращаю-
щихся электрических машин (генераторов и двигателей) принята
окружность, так как характерной особенностью этих машин яв-
ляется наличие цилиндрического ротора или якоря; для выключа-
телей и контакторов характерным является наличие замыкающихся
контактов; эта особенность и положена в основу графического
обозначения указанных аппаратов.

Ниже приводятся основные 1рафические обозначения элементов
оборудования, принятые на электрических схемах и, в частности,
на схемах электроподвпжпого состава и тепловозов.

У'71. Якорь тягового двигателя постоянного тока или

главного генератора тепловоза

Якорь вспомогательной машины постоянного тока

Номер, проставленный внутри условного обозначения, указывает при-
надлежность его к тому или иному двигателю; если условное обозначение
относится к генератору, то внутри его проставляется буква если к вспо-
могательной машине — проставляется буква В (возбудитель), ВГ (вспомо-
гательный генератор) и пр., или же возле условного обозначения делается
надпись «Мотор-компрессор», «Мотор-вентилятор» и пр.
Обмотка параллельного возбуждения тягового
двигателя, генератора или вспомогательной машины
постоянного тока

Обмотка последовательного возбуждения тягового
двигателя, генератора или вспомогательной машины
постоянного тока

Номер или надпись около обмотки указывает её принадлежность к той
или иной машине

Трёхфазный асинхронный двигатель с коротко*
замкнутым ротором

Трёхфазный асинхронный двигатель с фазовым
ротором

Трёхфазный синхронный генератор или двигатель

Однофазный трансформатор

Однофазный трансформатор с выводами

Однофазный автотрансформатор

Трёхфазный трансформатор с соединением обмоток
в звезду

Трёхфазный трансформатор с соединением одной
из обмоток в звезду, а другой ь треугольник

Ртутный выпрямитель без управляющей сетки

Ртутный выпрямитель с управляющей сеткой

Игнитрон без управляющей сетки
Контактный элемент (кулачковый контактор) груп-
пового переключающего аппарат с дугогашением
(например группового переключателя электровозов
ВЛ22М, ВЛ19 и др.)

Контактный элемент (кулачковый контактор)
группового переключающего аппарата без дугогашения
(например группового переключателя электровозов
Н8, ВЛ23, моторных вагонов С^, реверсора электрово-
зов Н8 и ВЛ23 и пр.) во включённом положении

То же з выключенном положении

Контактный элемент группового переключающего
аппарата со скользящими контактами (например
реверсора и тормозного переключателя электровозов
В Л 22м, ВЛ 19 и др.)

Контакты контроллера машиниста кулачкового
типа

Контакты контроллера машиниста барабанного
типа

Нож огключателя моторов; буквенно-пифровое
обозначение указывает, какую группу двигателей
отключает данный нож

Кнопочный выключатель; назначение выключателя
указывается надписью на схеме

Пакетный выключатель или переключатель

Выключатель или разъединитель ножевого типа
однополюсный

Выключатель или разъединитель ножевого типа
двухполюсный

Выключатель или разъединитель ножевого типа
трёхполюсный

Переключатель ножевого типа трёхполюсный

Катушка привода электромагнитного или электро-
пневматического контактора или реле. Принадлежность
катушки к тому или иному аппарату указывается
сокращённым обозначением этого аппарата — номером
или буквенным обозначением контактора или другого
аппарата

Катушка реле, включённая в силовую цепь. Бук-
венное обозначение указывает, какое назначение имеет
данное реле (реле перегрузки, реле заземления и пр.)
и к какой группе двигателей оно относится

Нагревательный элемент теплового реле

Блокировочный контакт контактора или другого
аппарата, разомкнутый в нормальном положении ап-
парата. Блокировочные контакты этого типа или,
кратко, блокировки называются прямыми или нор-
мально разомкнутыми, поскольку они при срабаты-
вании аппарата под действием привода замыкаются

Блокировочный контакт, замкнутый в нормальном
положении аппарата. Блокировки этого типа назы-
ваются обратными или нормально замкнутыми, по-
скольку они при срабатывании аппарата размыкаются

Для контакторов нормальным положением аппарата считается разомк-
нутое положение, для групповых переключающих аппаратов — принятое
условное положение, например, для реверсора—положение «Вперёд», для
тормозною переключателя — положение тягового режима, для группового
переключателя электровоза — положение последовательного соедипе-
н ия и т. д.

Иногда в буквенное обозначение вводится дополнительное обозначение,
указывающее действие блокировки и дополняющее графическое обозначе-
ние контактов. Например, для блокировок группового электровозного
переключателя (сокращённое обозначение КСИ) применяют обозначения: С—
для позиции последовательного (сериесного) соединения, СП — для позиции
последовательно-параллельного (сериес-параллельного) соединения и И —
для позиции параллельного соединения двигателей. Например;

НСП-С —блокировка группового переключателя замкну-

-'ОШ - тая только при последовательном соединении двига-

телей;

кСП —блокировка, замкнутая ври последовательном

_. и последовательно-параллельном соединениях;

— блокировка, замкнутая только при параллель-
Лном соединении двигателей.

Для блокировок тормозного переключателя применяются обозначения:
/'/(-Д? — блокировка, замыкающаяся в моторном и ТК-Т— блокировка,
замыкающаяся в тормозном положении переключателя. Блокировки ревер-
сора обозначаются «Вп» или «Вперёд» и «Наз» или «Назад»

Нормально разомкнутая блокировка реле

РЛМ Нормально замкнутая блокировка реле

О—О о -

Нормальным для самовосстанавливающпхся реле считается положение
при невозбуждённой катушке. Для реле с механизмом восстаг овления
нормальным считается рабочее положение, т. е. положение после юсста-
новления (возврата).

Буквенное и цифровое обозначения указывают, к какому реле относится
данная блокировка (реле пониженного напряжения, реле перегрузки
группы двигателей 1—2 и пр.)
Разрядник искровой (роговой)

Разрядник вентильный (тиритовый, вилитовый
и пр.)

Разрядник алюминиевый

Гальванический элемент или аккумулятор

Аккумуляторная батарея

Электрическая лампа освещения

Индикаторная, или сигнальная, лампа

Штепсельная розетка

Плавкий предохранитель; цифровое обозначение
указывает номинальный ток предохранителя

Амперметр

Вольтметр

Ваттметр
ж

Ра

Счётчик ампер-часов

Счётчик ватт-часов (счётчик электрической энер-
гии)

Фазометр

Частотомер

Омметр

Шунт амперметра

Штепсель междулокомотивного или междувагон-
ного соединения

Электрические провода, пересекающиеся без элек-
трического (металлического) соединения

Провода, пересекающиеся и электрически соеди-
нённые между собой

Ответвляющиеся провода

Заземление (соединение провода с землёй)

Земля

При чтении схем управления существенную роль играют обозна-
чения проводов управления. Принято все провода, не разделённые
каким-либо элементом аппарата (катушкой, контактами, предохра-
нителем), обозначать общим номером. Провода, выходящие в меж-
дулокомотивные (междувагонные) соединения, посредством которых
осуществляется параллельное соединение цепей управления несколь-
ких локомотивов или моторных вагонов, обычно обозначают циф-
рами, а внутренние провода схемы данного локомотива (моторного
или прицепного вагона), не выходящие в между локомотивные (меж-
414
дувагонные) соединения,— цифрами с буквенными индексами или
буквами с цифровыми индексами. Провода одной цепи, проходя-
щие от поездного провода через ряд блокировочных контактов,
обычно имеют цифровые обозначения поездного провода с разными
буквенными индексами в алфавитном порядке.

Фиг. 376. Обозначения проводов в схемах управления

Так, например, на схеме фиг. 376 от контакта контроллера
машиниста идёт поездной провод /; этот провод выведен в между-
электровозные (междувагонные) соединения. За блокировками
аппаратов провода имеют то же цифровое обозначение, но с бук-
венными индексами: 1А, 1Б, 1В и /Г.

80. Правила чтения схем электрического подвижного
состава и тепловозов

Электрические схемы электроподвижного состава и тепловозов
весьма сложны и имеют большое количество различных цепей и
контактов. Часть этих контактов в определённые моменты времени
замкнута, а часть разомкнута; поэтому включаемые ими цепи
в некоторых случаях находятся под током, в других случаях—обес-
точены.

Чтобы понять работу схемы, необходимо знать, какое положение
занимают в каждый данный момент контакты, осуществляющие пере-
ключение отдельных её цепей.

Схемы с контроллерами. В схемах, в которых переключения
электрических цепей осуществляются контроллером (например в
цепях управления электроподвижного состава), последовательность
замыкания отдельных контактов определяется развёрткой кон-
троллера.

Пользуясь развёрткой, можно легко проследить по схеме
прохождение тока от источника к соответствующим потребителям
и установить, в какие из них в данный момент времени подаётся
электрическая энергия.

На фиг. 377, а изображена в качестве примера схема управления
двигателем с последовательным возбуждением с помощью барабан-
ного контроллера.

Для наглядного изображения схемы соединений, создаваемых
контроллером, мысленно разрезают его барабан по образующей и
развёртывают его в плоскость. При этом сегменты контроллера изо-
бражаются в виде чёрных прямоугольников, а контактные пальцы—
белыми или чёрными кружочками. Контроллер в рассматриваемом
примере имеет семь фиксированных позиций: нулевую 0, три лови-
цни /, 7/ и III, соответствующие вращению двигателя в направле-
нии «Вперёд» и три позиции, соответствующие вращению двигателя
в направлении «-Назад». В нулевом положении ни один из пальцев
7 кон]роллера не замыкается с сегментами а—ж, вследствие
чего двигатель отключён от сети.

Фиг. 377. Схема управления двигателем постоянного тока
с помощью барабанного контроллера

На первой позиции контроллера пальцы / и 2 замыкаются сег-
ментами а и б, а пальцы 3 и 4 — сегментами в и г. Благодаря этому
плюс сети (контактный провод) соединяется со щёткой А двигателя,
а щётка Б—с обмоткой возбуждения ОБ. С противоположным кон-
цом обмотки возбуждения постоянно соединён один из концов пус-
кового сопротивления, второй конец которого связан с минусом
сети (землёй).

При этом образуется следующая цепь электрического тока:
плюс сети, контакт 2 контроллера, сегменты а и б контроллера,
416
контакт 7, щётка /4 двигателя, щётка Б, контакт 3 контроллера,
сегменты в и ?, контакт 4, обмотка возбуждения ОБ, секции 7?х и Т?2
пускового сопротивления, земля (минус сети).

Таким образом, при установке контроллера на первую позицию
двигатель присоединяется к сети и в цепь его будет включено пол-
ностью всё пусковое сопротивление (см. развёртку схемы при поло-
жении / «Вперёд», фиг. 377,6). На второй позиции контроллера
пальцы 5 и 6 замыкаются сегментами д и е. При этом замыкается
накоротко секция пускового сопротивления. 11рохождение тока
по цепи на этой позиции показано на фиг. 377,6.

На третьей позиции контроллера сегменты е и ж замыкают
контакты б и 7, что приводит к замыканию накоротко второй сек-
ции /?2 пускового сопротивления. Позиции I, /7 и III контроллера
будут таким образом соответствовать трём скоростям вращения

Фиг. 378. Схема управления катушками приводов
контакторов с помощью кулачкового контроллера
двигателя: минимальной при пусковом сопротивлении, равном
/? = 7?! 4- средней при 7? = Т?2 и максимальной при 7? = 0.
Эти позиции могут быть также использованы в качестве промежу-
точных положений при пуске двигателя.

На первой позиции «Назад» контроллера пальцы 2 и 3 замыкаются
сегментами б и в, а пальцы 7 и 4 — сегментами а и г. Благодаря
этому плюс сети соединяется уже не со щёткой Л, а со щёткой Б
двигателя, а щётка А двигателя—с обмоткой возбуждения ОБ (см.
развёртку схемы, фиг. 377,6). В остальном схема включения дви-
гателя остаётся аналогичной схеме при первой позиции «Вперёд».
В результате изменения направления тока в якоре двигателя (вслед-
ствие переключения проводов, подходящих к щёткам А и Б) изме-
няется и направление его вращения. При переходе на позиции И
я 777, «Назад» происходит постепенное замыкание секций /?х и 7?..
пускового сопротивления, аналогично как на позициях 77 и 7/7
«Вперёд», сопровождаемое увеличением скорости вращения двигателя.

Количество пальцев и сегментов контроллера может быть зна-
чительно большим, чем в указанном примере, и они могут обеспе-
чивать составление весьма сложных схем. Получение требуемых
схем достигается подбором соответствующей конфигурации сегмен-
тов и расположением их на барабане контроллера.

27 Заказ 121', 417
На электроподвижном составе часто применяют "кулачковые
контроллеры. Последовательность включения управляемых ими
электрических цепей также определяется развёрткой контроллера.
В этом случае развёртка указывает, на какой позиции кулачки кон-
троллера замыкают те или иные его контакты.

На фиг. 378 показана в качестве примера схема управления
с помощью кулачкового контроллера цепями катушек приводов
отдельных контакторов.

При постановке контроллера на первую позицию кулачки а и б
замыкают контакты 1 и 2, и на катушки приводов контакторов А
и Б подаётся напряжение; это вызывает срабатывание указанных кон-
такторов. На второй позиции контроллера кулачок г замыкает кон-
такт 4 и ток поступает в катушку привода контактора Г; на третьей
позиции кулачок д замыкает контакт 5 и ток поступает в катушку
контактора Д и т. д. Развёртка данного контроллера обеспечивает
включение контактора А на всех восьми позициях. Контактор Б
включён на позициях 1—4, контактор В — на позициях 5—8,
контактор Г — на позициях 2—4 и 6—8, контактор Д — на пози-
циях 3—4 и 7—8.

Схемы с контакторами. В схемах, в которых переключения
электрических цепей осуществляются контакторами (например в
силовых цепях электрического подвижного состава и тепловозов),
последовательность их включения определяется таблицей замыканий
(контроллерной диаграммой), которая прилагается к схеме.

На фиг. 379 показана в качестве примера схема контакторного
управления двигателем постоянного тока.

Приложенная к схеме таблица замыкания контакторов указы-
вает, на какой позиции контроллера управления включён тот или
иной контактор.

На нулевой позиции контроллера все контакторы отключены,
и двигатель не присоединён к контактной сети. На первой позиции
замыкается контактор /, присоединяющий двигатель к сети. При
этом ток проходит от контактного провода, через контактор /, сек-
ции /?2 и /?3 пускового сопротивления, щётки А и Б якоря
двигателя, контакт В реверсора (при установке реверсора в поло-
жение «Вперёд»), обмотку возбуждения ОВ двигателя (от начала а
к концу б), второй контакт В реверсора в землю.

На второй позиции включается контактор 2, замыкающий нако-
ротко секцию 7?! пускового сопротивления, вследствие чего величина
пускового сопротивления уменьшается. На третьей позиции включа-
ется контактор 3, замыкающий накоротко секцию пускового соп-
ротивления. Наконец, на четвёртой позиции включается контактор 4,
замыкающий секцию /?3 пускового сопротивления. При этом всё
пусковое сопротивление будет выключено. При установке реверсора
в положение «Назад» включаются его контакты //, и ток по обмотке
возбуждения ОВ проходит от конца б к началу а. В остальном цепь
тока на первой позиции в положении реверсора «Назад» не будет
отличаться от цепи первой позиции в положении реверсора «Вперёд»,
41$
Схемы элекфовозоЕ, тепловозов и моторных вагонов значи-
тельно сложнее рассмотренных, так эти локомотивы имеют не-

помощью

сколько тяговых двигателей и гораздо большее количество комби-
наций включения двига!елей и секций пускового сопротивления.
Рассмотрим в качестве примера более сложную схему электри-
ческого локомотива с двумя двигателями (фиг. 380).

Из таблицы замыкания видно, что на последовательном соеди-
нении двигателей включены контакторы /, 3 и 6. Ток протекает от
пантографа через контактор /, верхнюю группу пусковых
сопротивлений контактор 3, нижнюю группу пусковых сопро-
тивлений и далее через двигатель 1, контактор 6 и двигатель 2
в землю. На последующих позициях постепенно замыкаются кон-

такторы 8, 9, 10, 11, 12 и 13, выводящие из цепи двигателей
отдельные ступени пускового сопротивления.

На последней позиции последовательного соединения включены
контакторы 8—13, и ток протекает мимо пусковых сопротивлений.
Для подготовки к переходу на параллельное соединение на этой
ступени включается также контактор 2.

На первой переходной позиции предварительно в цепь двига-
телей вводятся пусковые сопротивления выключением контакто-
ров —13 и з. После выключения этих контакторов ток протекает
через контактор 2, нижнюю группу сопротивлений и далее по-
следовательно через двигатели 1 и 2, т. е. в цепь двигателей вводится
420
группа сопротивлений /?2. Другая группа сопротивлений /?х
присоединена контактором 1 к сети, но второй её конец остаётся
свободным. Эта группа сопротивлений подготовлена для присо-
единения к ней двигателя 2.

На второй переходной позиции включается контактор 7, кото-
рый присоединяет двигатель 1 непосредственно к земле, а двига-
тель 2 замыкает накоротко. На третьей переходной позиции выклю-
чается контактор 6, па четвёртой включается контактор 5, который
присоединяет двигатель 2 к сети последовательно с группой сопро-
тивлений Наконец, на первой позиции параллельного соедине-
ния включается контактор 4, создающий уравнительное соедине-
ние, выравнивающее напряжение на двигателях и их нагрузку, если
сопрс/гивления групп и /?2 не равны. При этом ток будет проте-
кать по двутм ветвям:

1-я ветвь — от пантографа через контактор Д верхнюю группу
сопротивлений /?х, контактор 5, двигатель 2 в землю;

2-я ветвь — от пантографа через контактор 2, нижнюю груп-
пу сопротивлений, двигатель 7, контактор 7 в землю.

В сложных электрических схемах широко используются раз-
ного рода электрические блокировки, обеспечивающие требуемую
последовательность включения отдельных аппаратов и предотвра-
щающие возможность неправильных действий обслуживающею
персонала. Для примера на фиг. 381,а показан участок цепи уп-
равления, обеспечивающий требуемую последовательность вклю-
чения контакторов 4, 5, 6 и 7 в схеме фиг. 380 с целью перевода
двигателей 1 и 2 с последовательного на параллельное соедине-
ние, в случае, когда эти контакторы являются индивидуаль
ными.

На схеме условно обозначены: последняя позиция последователь*
ного соединения — Пос и первая позиция параллельного соеди-
нения — Пар.

На позиции Пос замкнута цепь катушки контактора 6, который
соединяет двигатели последовательно. При переводе рукоятки на
позицию Пар напряжение подастся на провод 2 и возбуждается
катушка контактора 7. Однако для включения этого контактора
необходимо предварительное отключение контактора 8, так как
в цепь питания катушки контактора 7 введена блокировка контак-
тора 8, замыкающаяся только после отключения этого контактора.
При включении контакгера 7 размыкается его блокировка в цени
катушки контактора 6 и последний выключается. После выклю-
чения контактора 6 его блокировкой замыкается цепь катушки
контактора 5 от провода 2, а после включения контактора 5 его
блокировка замыкает цепь катушки контактора 4, который завер-
шает переход двигателей I и 2 (см. фиг. 380) с последовательного
соединения на параллельное.

На фиг. 381,6 показан участок цепи управления, обеспечиваю-
щий необходимую последовательность переключения двигателей
7 и 2 в схеме фиг. 380 с последовательного соединения на параллель-
ное при объединении контакторов 5, 6 и 7 в общий аппарат —
групповой переключатель.

На позициях последовательного соединения с первой до послед-
ней Пос по проводу 5 через блокировку группового переключателя
КСП'С (замкнутую на позициях последовательного соединения)
получает питание катушка контактора 3. На последней позиции

Контроллер управление
,1ио Сас +

Фиг. 381. Упрощённая схема участка цепи управления, обеспечивающая
требуемую последовательность включения контакторов, которые осущест-
вляют переключение двигателей по схеме фиг. 380 с последовательного на
параллельное соединение, а) при использовании для этой цел]] индивиду-
альных контакторов; б) при использовании группового переключателя

последовательного соединения Пос по проводу 4 через блокировку 3
возбуждается катушка контактора 2.

При переводе рукоятки контроллера на первую позицию па-
раллельного соединения Пар питание катушки 3 прекращается,
и этот контактор выключается. Выключение контактора 3 не вызы-
вает выключения контактора 2, так как после перевода руко-
422
ятки контроллера на позицию Пар катушка 2 получает питание
от провода 3 через нормально замкнутую блокировку контактора 3.

На позиции Пар получают питание от провода 1 катушки ГП
привода группового переключателя. При этом групповой переклю-
чатель переводится в положение параллельного соединения, при
котором включаются его контакторы 5, б и 7. После этого блоки-
ровкой КСП-П (замкнутой на позициях параллельного положения
группового переключателя) замыкается цепь катушки контактора 4,
включением которого завершается переход двигателей 1 и 2 с
последовательного соединения па параллельное (см. фиг. 380).

Контрольные вопросы

1. Что называется электрической схемой?

2 Как подразделяются электрические схемы? Охарактеризуйте их.

3. На основании каких принципов построены электрические схемы?

4. Какие аппараты входят в силовую цепь?

5. Какие аппараты входят в цепь вспомогательных машин и отоп-
ления?

6 Какие аппараты входят в цепь управления?

7. Какие аппараты входят в цепь освещения и сигнализации?

8. Прочтите схему управления двигателем с последовательным воз-
буждением, приведённую на фиг. 377.

9. Прочтите схему контакторного управления двигателем постоянного
тока, приведённую на фиг. 379.

10. Прочтите схемы, приведённые на фиг. 380 и 381.
ГЛАВА ХШ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛАХ

81. Магнитные и проводниковые материалы

Магнитные материалы. Для изготовления отдельных частей
магнитной системы электрических машин применяются следующие
материалы: листовая электротехническая сталь различных сортов,
стальное литьё, конструкционные стали и иногда чугун.

Применяемые в технике магнитные материалы в большинстве
своём представляют сплавы железа с различными добавками. Чистое
железо не может быть применено для изготовления деталей электри-
ческих машин и аппаратов, проводящих магнитный поток, так как
оно обладает малым удельным электрическим сопротивлением;
поэтому при работе железных деталей в переменном маг-
нитном поле в них возникали бы большие потери мощности от
вихревых токов.

Для улучшения магнитных свойств сталей в неё добавляют крем-
ний; таким путём получают различные электротехнические стали.
При добавлении кремния резко уменьшаются потери на гистерезис
и увеличивается удельное электрическое сопротивление стали, т. е.
снижаются и потери на вихревые токи.

Электротехническую сталь изготовляют в виде листов путём
горячей или холодной прокатки слитков, выплавляемых в марте-
новских и . электрических печах; толщина листов составляет
0,1—0,5 мм.

Электротехническая сталь разделяется на ряд марок: ЭИ,
Э12, Э21, Э31 и др. Отдельные марки отличаются друг от друга
содержанием кремния (имеются слаболегированные стали с содер-
жанием кремния 0,8—1,8%, среднелегированные, повышеннолеги-
рованные и высоколегированные с содержанием кремния до 4,8%),
магнитной проницаемоегью и величиной удельных потерь при пере-
магничивании. Из листовой электротехнической стали изготовляют
сердечники якорей, роторов и статоров электрических машин,
сердечники трансформаторов, магнитопроводы различных контак-
торов, реле и регуляторов. В этих деталях для уменьшения потерь
от вихревых токов отдельные листы изолируются друг от друга
бумагой, эмалевым лаком, жидким стеклом или окисной плёнкой,
424
получаемой естественным или искусственным путём на поверх-
ности листов.

Для изготовления остовов электрических машин постоянного
тока применяют стальное литьё с содержанием углерода до 1%.
Изготовленные из такой стали изделия подвергаются медленному
отжигу. Сварные детали электрических машин изготовляют из
конструкционной углеродистой или слаболегированной стали. Из
листов этой же стали выполняют главные полюса машин постоян-
ного тока.

Ответственные детали электрических машин — валы якорей
и роторов, стяжные шпильки, пружины и пр. —изготовляют из
стали с повышенными механическими свойствами. Такими свой-
ствами обладают легированные стали, содержащие в своём составе
хром, никель, вольфрам и молибден.

Проводниковые материалы. К проводниковым материалам,
применяемым в электромашиностроении, относятся медь, алюминий,
некоторые сплавы (латунь, фосфористая бронза, манганин, кон-
стантан, нихром, фехраль и др.).

Медь и латунь применяют для изготовления проводов и различ-
ных токопроводящих деталей электрических машин и аппаратов.
Медные провода и шины получают прокаткой и протяжкой; при
этом медь приобретает высокую механическую прочность и твердость.
Такая твёрдотянутая медь используется для изготовления коллектор-
ных пластин, голых проводов, распределительных шин и пр. При
термической обработке твёрдотянутой меди (отжиге при температуре
330—350°С) получают мягкую медь, обладающую большой гиб-
костью и способностью сильно вытягиваться; электропроводность
её также увеличивается. Мягкая медь используется для изго-
товления изолированных проводов, кабелей и пр.

Алюминий используют для изготовления проводов, подшипни-
ковых щитов и некоторых конструктивных деталей электрических
машин и аппаратов. Так же, как и медь, он при протяжке и других
видах холодной обработки получается довольно твёрдым, а после
отжига становится мягким. Удельный вес алюминия— около 2,6
примерно в 3,5 раза меньше меди (уд. вес 8,9).

Для увеличения прочности и улучшения механических свойств
к алюминию иногда прибавляют медь, магний, марганец и крем-
ний. Таким путем получают различные алюминиевые сплавы—
силумин, альдрей, дуралюминий и пр.

Сопротивления, реостаты, электронагревательные приборы и пр.
изготовляют из константана, манганина, нихрома или фехраля.

Константан и манганин представляют собой сплавы меди (70—
80%), никеля (2—4%) и марганца (2—12%); они обладают высо-
ким удельным сопротивлением (около 0,45 ом ммЧм) и малым
температурным коэффициентом.

Нихром—сплав никеля (55—78%) с хромом (15—23%) — имеет
удельное сопротивление в пределах 1—1,2 ом мм* 1м. Фехраль-
сплав железа с алюминием (3—6,5%) и хромом (12—27%); удель-
ное сопротивление его составляет 1,2—1,5 о,ч мм2!м.

Электроугольные изделия (щётки для электрических машин).
Щётки, применяемые для электрических машин, подразделяются на
четыре основные группы: угольно-графитные, графитные, электрогра-
фитированные и металло-графитные.

Угольно-графитные щётки (обозначение Т и У Г) изготовляют из
материалов, богатых углеродом (нсфтекокс, кокс, антрацит и др.).
Эти материалы превращают в порошки, добавляют к ним связующие
материалы и из полученной таким образом массы прессуют щётки
различных размеров.

Для улучшения электрических и механических свойств щёток
их подвергают обжигу. Угольно-графитные щётки допускают
сравнительно небольшую плотность тока (6—8 п/слг), их приме-
няют в коллекторных машинах постоянного и переменного тока
напряжением НО—220 в.

Графитные щётки (обозначение Г) изготовляют из натурального
графита; просеянный графитный порошок прессуется под большим
давлением (до 3000 кг! см2) со связующими материалами или без
них и полученные изделия обжигаются. Такие щётки применяют
для коллекторных машин постоянного тока напряжением НО в.

Электрографитированные щётки (обозначение ЭГ) изготовляют
из различных углеродистых материалов (сажа, нефтекокс, кокс,
антрацит), которые превращаются в искусственный графит при
нагреве в электрической печи при температуре 2000—3000°С. Такая
термическая обработка повышает электрическую и тепловую проч-
ность угля и понижает коэффициент трения, что способствует
уменьшению износа коллекторов электрических машин. Электро-
графитированные щётки обладают хорошими коммутирующими свой-
ствами (повышенным сопротивлением), значительной меха-
нической прочностью и способностью выдерживать большие
перегрузки. Поэтому их применяют для коллекторных машин
постоянного и переменного тока, работающих в тяжёлых условиях,
в частности для тяговых двигателей и вспомогательных машин
элекгроподвижпого состава и тепловозов. Плотность тока для этих
щёток допускают 9—11 а!см2.

Металло-графитные щётки изготовляют из смеси графита и
медного порошка (медно-графитные щётки — обозначение МГ);
для некоторых марок щёток добавляют в небольшом количестве
цинковый, оловянный или свинцовый порошок (бронзово-графит-
ные щётки — обозначение БГ). Отличительной особенностью метал-
ло-графитных щёток является высокая допустимая плотность тока
(до 20 а! см2) и малое сопротивление. Их применяют в низ-
ковольтных машинах постоянного тока, в асинхронных дви-
гателях и синхронных машинах.

Удельные давления на щётки всех марок допускаются в пределах
150—250 г/см2; только для марок ЭГ8 и ЭГ14 оно может быть под-
нято до 400 г/см2.
82. Основные свойства и классификация электроизоляционных
материалов

В электрических машинах и аппаратах токоведущие части
надёжно изолируются одна от Другой и от окружающих деталей.
Так, папример, проводники обмотки якоря должны быть изолиро-
ваны друг от друга и от сердечника якоря; витки обмоток возбужде-
ния должны быть изолированы один от другого, а также от полюсов
и остова машины и т. д. Для изоляции токоведущих деталей, между
ними и соседними деталями прокладываются материалы, практи-
чески не проводящие электрического тока. Такие материалы назы-
ваются изоляционными.

Свойства электроизоляционных материалов. В современном
электромашиностроении применяется большое количество разно-
образных изоляционных материалов. Все они отличаются друг
от друга своими электрическими, механическими и химическими
свойствами. Важнейшими электрическими характеристиками элек-
троизоляционных материалов является удельное электрическое соп-
ротивление (объёмное и поверхностное), диэлектрическая прони-
цаемость, величина диэлектрических потерь и электрическая
прочность. Однако для практических целей большое значение име-
ют и другие свойства этих материалов: механическая прочность,
гибкость и эластичность, нагревостойкость, морозостойкость, гиг-
роскопичность, химическая стойкость, технологические особен-
ности и т. и.

Каждый электроизоляционный материал определённой тол-
щины является изолятором только до некоторого предельного
напряжения, называемого пробивным. При повышении напряже-
ния выше этого предела наступает пробой изоляции, т. е. между
изолированными деталями проскакивает электрическая искра,
пробивающая изоляционный материал. Максимальное напряже-
ние в вольтах, которое может выдержать единица толщины (санти-
метр или миллиметр) материала, называется его пробивной напря-
жённостью, которая характеризует электрическую прочность данно-
го материала. Величина напряжения, при котором происходит
пробой изоляции, зависит не только от рода изоляционного мате-
риала, но и от характера поверхности проводников, между кото-
рыми он проложен. При наличии острых углов и выступов про-
бивное напряжение уменьшается тем больше, чем острее угол.

Изоляционные материалы при изменении окружающих условий:
влажности, температуры и пр. изменяют свои изоляционные свой-
ства Влага, пропитывая изоляционные материалы, понижает
их изоляционные свойства. Некоторые материалы легко отсыревают
даже от соприкосновения с воздухом, поглощая находящуюся
в нём влагу. Такие материалы называются гигроскопичными. После
просушки отсыревшие материалы вновь восстанавливают свои изо-
ляционные качества.

При механическом разрушении материала (разрыве, пробое,
растрескивании, изломе) происходит полная или частичная потеря
его изоляционных свойств. При повышении температуры мно-
гие из этих материалов начинают обугливаться и становятся
проводниками. Все материалы от длительного воздействия повы-
шенных температур задолго до обугливания становятся хрупкими,
легко разрушаются и теряют свои изолирующие свойства. Этот
процесс называется тепловым старением. Способность электроизо-
ляционных материалов выдерживать без вреда для них воздействие
повышенной температуры, а также резкие смены температуры,
называется на гревостой костью.

Классификация электроизоляционных материалов по нагрево-
стойкости. Все электроизоляционные материалы в зависимости
от нагревостойкости подразделяются на семь классов, которые
имеют следующие предельно допускаемые температуры:

Класс V....... 90°С

» А.......Ю5°С

» ЛВ ....... . 12СГС

» В......130эС

» ВС .... . . 155°С

» СВ......180°С

» С.............более 180°С

К классу У относятся непропитанные и не погруженные в жидкий
диэлектрик волокнистые изоляционные материалы из хлопка,
бумаги, шёлка или целлюлозы, а также некоторые искусственные
органические смолы (полистирол, полиэтилен, полихлорвинил
и др.) с температурой размягчения не ниже 90-—100°С.

К классу А относятся волокнистые электроизоляционные мате-
риалы из хлопка, бумаги, шёлка или целлюлозы (хлопчатобумаж-
ная пряжа и ткань, бумага, картон и пр.), пропитанные или погру-
женные в жидкий диэлектрик, изоляция эмалированных обмоточ-
ных проводов, синтетические (полиамидные) гибкие изолирующие
плёнки, а также дерево и древесные пластические материалы (фибра,
пластмассы с органическим наполнителем и пр.). Пропитывающими
составами для изоляции класса А являются трансформаторное масло,
масляные лаки, битумные составы с температурой размягчения не
ниже 105°С и другие вещества такой же нагревостойкости.

К классу АВ относится изоляция эмальпроводов на основе
некоторых органических смол (поливинилацеталевых, полиэфирных
и др.), например, обмоточные провода с изоляцией типа винифлекс.
К этому классу относятся также некоторые синтетические гиб-
кие изолирующие плёнки (триацетатная и т. п.) и другие синте-
тические материалы соответствующей нагревостойкости.

К классу В относятся электроизоляционные материалы, изготов-
ленные на основе неорганических диэлектриков (слюда, асбест,
волокнистое стекло, стеклянная пряжа) с применением для их
связывания и пропитки органических лаков и смол повышенной
нагревостойкости, а также изоляция из фторпласта 3 и пластмассы
с неорганическим наполнителем.
К классу ВС относятся электроизоляционные материалы, изго-
товленные на основе неорганических диэлектриков (слюда, асбест,
стекловолокно и пр.) с применением для их связывания и пропитки
лаков и смол, содержащих кремнийорганические соединения.

К классу СВ относятся неорганические электроизоляционные
материалы (слюда, асбест, стекловолокно) с применением для их
связывания и пропитки исключительно кремнийоргапических лаков
и смол, а также изоляция из фторпласта 4.

К классу С относятся изделия из слюды, стекловолокна, фар-
фора, стекла, кварца и других неорганических материалов без
применения органических связующих веществ. Нагревостойкость
материалов класса С не используется полностью в современном
машиностроении, поэтому предельная температура для этого класса
не устанавливается.

Приведённые выше предельные температуры нагрева для от-
дельных классов изоляции не могут быть полностью использо-
ваны в практике, так как в условиях эксплуатации электрических
машин и аппаратов не представляется возможным установить
точный контроль температуры изоляции наиболее нагретых де-
талей. Поэтому существующие стандарты на электрические ма-
шины устанавливают более низкие пределы допускаемых темпера-
тур отдельных деталей машин в зависимости от конструкций этих
деталей и расположения их в машине.

83. Волокнистые электроизоляционные материалы

1\ числу волокнистых электроизоляционных материалов отно-
сятся главным образом материалы растительного происхождения
(дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр.), шёлк и некоторые
синтетические текстильные материалы, получаемые путём хими-
ческой переработки различных веществ (искусственный шёлк,
искусственные волокна типа капрон, нейлон и пр.). Органические
волокнистые изоляционные материалы отличаются невысокой на-
гревостойкостью (в непропитаином состоянии относятся к изоляции
класса V, в пропитанном — класса А). В последнее время в элек-
тромашиностроении получили распространение волокнистые мате-
риалы неорганического происхождения, изготовленные на основе
асбестового и стеклянного волокна.

Бумага и картон. Бумага и картон — листовые материалы
коротковолокнистого строения, состоящие из целлюлозы.
Целлюлоза (клетчатка) — органическое вещество с очень сложным
строением молекулы; она весьма распространена в природе, образуя
стенки клеток растений. Чистую целлюлозу представляет собой
вата или фильтровальная бумага. Бумагу изготовляют из измель-
чённого хлопчатобумажного тряпья и волокон хвойной древе-
сины, которые подвергаются специальной химической обработке.
Все сорта бумаги обладают хорошими изоляционными свойствами;
однако в электромашиностроении применяются только следующие
специальные сорта: кабельная (толщина 0,08—0,17 мм), телефон-
ная (0,05 мм), конденсаторная (7—30 мк), оклеенная (0,033 мм),
пропиточная (0,12 мм), намоточная (0,05—0,07 мм) и микалентная
(20 мк).

Указанные сорта бумаги используют для изоляции обмоточ-
ных проводов и кабелей различного типа, для изготовления конден-
саторов, для оклейки листов электротехнической стали, а также
для изготовления микаленты (см. ниже) и различных слоистых
пластических материалов (листового и фасонного гстинакса, баке-
литовых трубок и пр.).

Все сорта бумаги обладают значительной гигроскопичностью;
поэтому в большинстве случаев их подвергают специальной обра-
ботке.

Картон изготовляют из того же сырья, что и бумагу, но он имеет
значительно большую толщину. В электромашиностроении при-
меняют следующие сорта картона: электрокартон, фибра и лите-
роид.

Электрокартон имеет толщину от 0,2 до 3 мм и обладает высо-
кими изоляционными свойствами. Диэлектрическая прочность его
достигает 25 кв на 1 мм толщины. Он очень эластичен, что позволяет
изгибать его под нужными углами. Применяется для изготовления
прокладок, корпусов катушек, шайб, пазовой изоляции электриче-
ских машин и пр.

Фибра — картон, обработанный слабыми кислотами; обладает
большой твёрдостью, прочностью и способностью подвергаться
обработке на металлорежущих станках (сверлильном, токарном,
фрезерном и пр.). Изготовляется в виде листов различной толщины
или в виде стержней и трубок. Имеет хорошие изоляционные свой-
ства, но повышенную гигроскопичность.

Литероид — тонкая фибра, обладающая большой гибкостью и
прочностью. Изготовляется в виде листов толщиной до 5 мм. Исполь-
зуется для изготовления пазовых прокладок в электрических
машинах.

Текстильные материалы. Электроизоляционные текстильные
материалы изготовляют главным образом из растительных воло-
кон, представляющих собой в основном целлюлозу (хлопок, реже
лен, пенька, джут). Иногда применяют шёлк, из которого получают
весьма тонкую и одновременно механически прочную изоляцию.

Из различных видов искусственных волокон наибольшее рас-
пространение получил искусственный шёлк (вискозный и ацетат-
ный), вырабатываемый путём химической переработки целлюлозы.
Полученные из целлюлозы искусственные вещества (эфиры целлюло-
зы) обладают хорошей растворимостью, что даёт возможность
изготовлять из них тонкие нити путём продавливания этих веществ
через отверстия малого диаметра.

’ По внешнему виду вискозный и ацетатный шелка напоминают
натуральный, но изготовленная из них пряжа имеет ту же толщину,
что и хлопчатобумажная. По электрическим свойствам вискозный
430
шёлк примерно соответствует хлопчатобумажной изоляции, аце-
татный же шёлк превосходит натуральный.

В последнее время начали применяться новые типы синтетиче-
ских волокон, как например, капрон и нейлон (изготовляемые на
основе искусственных полиамидных смол), стирофлексовое волокно
(получаемое из искусственной смолы полистирола) и пр. Капрон
и нейлон механически весьма прочны, вегигроскопичны и нагрево-
стойки; стирофлексовое волокно имеет весьма высокие электроизо-
лирующие свойства, негигроскопично, но мало нагревостойко.

Новые виды искусственных волокон находят применение в раз-
личных отраслях электроизоляционной техники (для изготовления
обмоточных проводов, лакотканей и пр.).

В электромашиностроении применяют различные виды тек-
стильных изделий; нити, пряжа, ткани, ленты и пр. Из хлопчато-
бумажных тканей находят широкое применение шифон (толщина
0,15 л/л/), батист (0,12 лш), перкаль, бязь (0,40 мм), карманная
парусинка и др. Из шёлковых тканей используют флорентин
(0,08 мм), фуляр (0,07 мм), эксцельсиор и др.

Главное преимущество тканей — очень высокая механическая
прочность, позволяющая применять их для крепления токопро-
водящих и изоляционных деталей, а также в качестве основы для
изготовления других изоляционных материалов (лакотканей, тек-
столита и пр.).

При изоляции обмоток электрических машин и при ремонтных
работах широко используют тканые (с кромками) хлопчатобу-
мажные ленты: тафтяная (толщина 0,18—0,20 мм), киперная
с диагональным (киперным—«ёлочкой») переплетением нитей (0,30—
0,35 мм) и батистовая (0,10—0,12 мм). Пряжу (нити, скрученные
из отдельных волокон) применяют для изоляции проводов и шну-
ров путём обмотки и оплётки.

В электроизоляционной технике используют в большей степени
механические свойства непропитанных тканей и лент, чем их элек-
трические свойства. Объясняется это тем, что в естественном виде,
без специальной обработки, ткани не могут служить изоляторами,
так как между их нитями остаются воздушные промежутки (поры),
легко поглощающие влагу. Чтобы закрыть эти воздушные проме-
жутки и повысить электрическую прочность и теплостойкость тка-
ней, их подвергают пропитке лаком. Такие пропитанные ткани
получили название лакотканей.

В зависимости от исходной ткани и типа применяемого лака раз-
личают лакоткани жёлтые (хлопчатобумажная и шёлковая ткани,
пропитанные масляным лаком) и чёрные (хлопчатобумажная
ткань, пропитанная масляно-битумным лаком).

Неорганические волокнистые материалы. Основным преимуще-
ством неорганических волокнистых материалов перед органическими
является значительно более высокая нагревостойкость. В настоящее
время в изоляционной технике применяют два вида волокнистых
неорганических волокон — асбест и стеклянное волокно.
Асбест является естественным минеральным материалом, имею-
щим волокнистое строение. Асбестовое волокно может обрабаты-
ваться методами текстильной и бумажной технологии: из него
изготовляют ткани, ленты, бумагу и картон. В некоторых случаях
в асбестовую пряжу для повышения прочности добавляют хлоп-
чатобумажные волокна. Изделия, изготовленные из асбеста, отли-
чаются высокой теплостойкостью (до 600°С), но по сравнению
с текстильными и бумажными материалами из органических веществ
они более грубы, жёстки и имеют большую толщину. Асбестовые из-
делия гигроскопичны и обладают невысокими изоляционными свой-
ствами. Поэтому в изоляционной технике асбест применяется как
вспомогательный теплостойкий материал и требует дополнительной
обработки лаками или битумами.

Стеклянное волокно изготовляют путём пропускания рас-
плавленной стеклянной массы сквозь отверстия малого диаметра.
В толстом слое стекло является хрупким и ломким материалом.
Однако весьма тонкие волокна (диаметром 3—7 мк) имеют настолько
большую гибкость, что могут обрабатываться приёмами текстильной
технологии. Из стеклянных нитей, скрученных из отдельных волокон,
ткут стеклянные ткани, ленты и шланги. Эти же нити используют
для изоляции обмоточных проводов. Ткани и ленты из стеклян-
ного волокна, применяемые в изоляционной технике, имеют обычно
толщину 0,07—0,28 мм. При пропитке стеклянной ткани лаками
(кремнийорганическими и др.) получают различные стеклолакоткани.
В электромашиностроении применяют чёрную стеклолакоткань
с пропиткой лаком на основе битумов, высыхающих масел и искус-
ственных смол (изоляция класса В), светлую стеклолакоткань,
пропитанную нагревостойкими кремнийорганическими веществами,
и резиностеклолакоткань, покрытую тонким слоем кремнийорганиче-
ского каучука (изоляция класса СВ).

Стеклолакоткани применяют для изоляции электрических машин,
работающих в тяжёлых условиях, в частности, в тяговых электриче-
ских машинах.

84. Твердеющие электроизоляционные материалы

Главным недостатком волокнистых изоляционных материалов
является их высокая гигроскопичность. Последняя объясняется
наличием в их порах воздуха, легко поглощающего влагу. Влага
оседает и на поверхности материала. Для улучшения изоляционных
свойств волокнистых материалов их поры и поверхность запол-
няют различными твердеющими веществами, обладающими хоро-
шими изоляционными свойствами и высокой влагонепроницаемо-
стью. К таким веществам относятся естественные и искусственные
смолы, битумы и плёнки некоторых масел, образующиеся при их вы-
сыхании. Для того чтобы смолы и масла могли проникать в самые
мелкие поры изделий и образовывать на поверхности тонкие плён-
ки, их растворяют в различных легко летучих жидкостях —раство-
432
рителях. Такой раствор носит название лака. Процесс заполнения
воздушных пор волокнистых материалов твердеющими электро-
изоляционными веществами называется пропиткой.

Твердеющие изоляционные вещества применяют также для по-
лучения эмалированной проволоки (покрытой эмалевыми лаками)
для покрытия листов электротехнической стали, для заливки,
покрытия и склеивания различных твёрдых электроизоляционных
материалов и изделий и пр.

Смолы. Смолами называют сложные органические вещества,
имеющие аморфное (некристаллическое) строение. При низких тем-
пературах смолы представляют собой стеклообразные хрупкие
массы. При нагреве они постепенно размягчаются, становятся
пластичными, а затем жидкими. Применяемые в изоляционной
технике смолы большей частью не растворяются в воде и плохо впи-
тывают в себя влагу, но хорошо растворяются в различных
органических растворителях. Смолы являются важнейшей состав
ной частью многих лаков, компаундов, пластических масс, гибких
плёнок, искусственных волокнистых материалов и пр.

Но происхождению смолы делятся на природные и искусствен
ные. К природным смолам относятся продукты деятельности неко-
торых животных организмов (шеллак) или растений (канифоль,
копалы). Их получают в готовом виде или же подвергают операциям
очистки, переплавки и др. К этой же группе относятся ископаемые
смолы, представляющие собой ос1атки разложившихся в земле
деревьев смолоносов (янтарь). Шеллак и копалы обладают хоро-
шими изолирующими и клеящими свойствами и образуют твёрдый
покров. Изоляционные свойства канифоли несколько хуже, чем
шеллака и копалов.

Шеллак и канифоль размягчаются при сравнительно невысокой
температуре (50—70°С). Копалы и янтарь—тугоплавкие трудно-
растворимые смолы.

Искусственные смолы получают путём химической пере-
работки различных органических веществ. К искусственным
смолам относятся бакелит, совенит, глифталь, эфиры целлюлозы,
полихлорвинил, полистирол, полиэтилен, полиамидные смолы
и пр. Все эти смолы обладают сравнительно невысокой пагревостой-
костью, которая ограничивается низкой температурой размягче-
ния или недостаточной стойкостью к тепловому старению.

В последнее время появились новые нагревостойкие органиче-
ские смолы, так называемые кремнийорганические и фторорганиче-
ские изоляционные вещества, которые могут быть использованы
в виде лаков, компаундов, пластмасс, каучукообразных веществ
И [ф.

Кремнийорганические материалы, как показывает их название,
содержат, кроме углерода, характерного для органических сое-
динений, также и кремний, являющийся одним из важнейших со-
ставных частей многих неорганических диэлектриков (слюда, асбест,
стекло керамические материалы и т. гь). Эти материалы обладают

28 аакао 1216

433
значительной нагревостойкостью (рабочая температура их может
достигать 180°С и выше), хорошими электроизолирующими свой-
ствами и малой гигроскопичностью. Их используют главным обра-
зом в качестве связующих и пропитывающих веществ для изго-
товления из нагревостойких неорганических материалов (слюды,
асбеста, стеклянного волокна) различных высококачественных элект-
роизолирующих изделий — миканитов, стеклолакотканей, пластмасс
и пр.

Фторорганические материалы содержат химический элемент
фтор; к числу их относятся фторпласт 4 и фторпласт 3.

Фторпласт 4 обладает исключительно высокой нагревостойко-
стыо (свыше 25СГС), большой химической стойкостью, хорошими
электроизоляционными свойствами и практически совершенно не-
гигроскопичен. Из него могут быть получены различные фасонные
прессованные изделия, листы, гибкие плёнки и пр.

Фторпласт 3 имеет пониженные свойства по сравнению с фтор-
пластом 4, но изготовлять его проще и поэтому он более дешев.

Высыхающие масла и битумы. Высыхающие масла являются
исходными материалами, из которых изготовляют ряд лаков.
Некоторые сорта масел при соприкосновении с воздухом затвер-
девают, образуя прочную воздухонепроницаемую эластичную
пленку, обладающую очень высокими изоляционными свойствами.
При проварке масел с прибавлением окислов некоторых металлов
(сиккативов) это затвердевание происходит быстрее. Сушка при
повышенной температуре (печная сушка) также ускоряет процесс
образования плёнки.

Наибольшее распространение в изоляционной технике полу-
чили льняное масло (добывается из семян льна) и тунговое масло
(добывается из семян тунгового дерева). Обычно льняное масло
применяют в проваренном виде с добавлением сиккативов (тогда
оно называется олифой).

Битумы представляют собой сложные органические вещества чёр-
ного или тёмно-коричневого цвета. Наибольшее распространение
получили природные (ископаемые) битумы, называемые асфаль-
тами, и искусственные (нефтяные) битумы, получаемые при пере-
гонке нефти.

Битумы используют для изготовления чёрных битумных ла-
ков и компаундов.

Лаки. Лаки представляют собой так называемые коллоидные
растворы, в которых мельчайшие твёрдые частицы находятся во
взвешенном состоянии. Они изготовляются из смол, высыхающих
масел, битумов и пр. (образующих так называемую основу лака),
которые растворяются в легко улетучивающихся растворителях.
При сушке лака, нанесённого тонким слоем на твёрдую поверхность,
растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твёр-
дое состояние. При этом образуется плёнка, плотно пристающая
к твёрдой поверхности и обладающая высокими электроизоляцион-
ными свойствами и малой гигроскопичностью.
В качестве растворителей при изготовлении лаков применяют
различные органические вещества и продукты переработки нефти—
бензин, керосин, уайт-спирит (лаковый керосин), бензол, толуол,
различные спирты (винный, древесный и др.), эфиры (ацетон,
скипидар) и пр.

При попадании в лак посторонних примесей или при прибавле-
нии к нему неподходящих растворителей твёрдые частицы могут
выпадать в осадок (коагулировать), вследствие чего лак становится
негодным. Поэтому, если лак загустел, его можно разбавлять только
определёнными растворителями, указанными в технических усло-
виях или ГОСТ на данный лак.

В зависимости от режима сушки различают лаки холодной
(воздушной) и горячей (печной) сушки. Температура горячей сушки
не должна превышать 100—110°С во избежание пересушивания лака,
при котором лаковая плёнка становится хрупкой и легко растрес-
кивается.

Для пропитки изоляции обмоток электрических машин и аппа-
ратов наибольшее распространение получили пропиточные лаки
горячей сушки. Процесс пропитки волокнистых изоляционных
материалов этим лаком производится следующим образом. Изделия,
подлежащие пропитке, предварительно просушивают в печи в тече-
ние 5—10 час при температуре 100—110°С и в горячем состоянии
(при температуре 60—70’С) погружают в ванну с лаком. Через уста-
новленный промежуток времени (15—30 мин) пропитанные изде-
лия вынимают из ванны, дают избытку лака стечь и подвергают
сушке в печи при температуре 100—110"С в соответствии с режимом
сушки, рекомендуемым для данной марки лака.

Такую пропитку с последующей сушкой повторяют по крайней
мере один раз, после чего на поверхность изделия наносят покров-
ный лак (погружением в ванну, пульверизатором или кистью) и
производят окончательную сушку.

Современная техника применяет большое количество лаков,
различающихся как по составу, так и по назначению. Каждый из
них имеет свою технологию применения (обращение с лаком, нане-
сение на изделия, сушка и т. д.). Все эти подробности детально
указываются в ГОСТ и технических условиях на соответствующие
лаки. Наибольшее распространение получили следующие сорта
лаков:

1) Светлые масляные лаки; имеют в качестве основы высыхаю-
щие масла, а в качестве растворителя — бензин, обычный или лако-
вый керосин, или же их смеси. Изготовляются они как воздушной,
так и печной сушки; применяются для покрытия листов электро-
технической стали и проволоки с эмалевой изоляцией, для изго-
товления светлых лакотканей и пр. Имеют высокие изолирующие
и защитные свойства, но не маслостойки.

2) Чёрные битумные лаки холодной сушки; изготовляются из
асфальтов и нефтяных битумов, растворённых в бензоле, толуоле
или скипидаре ели же в смеси их с бензином и лаковым кере-
28* 435
сином. Применяются в качестве антикоррозионных покрытий сталь-
ных деталей

3) Чёрные масляно-битумные лаки; применяются в качестве
пропиточных и покрывных лаков при производстве и ремонте
электрических машин

4) Шеллачный лак — раствор шеллака в спирте; применяется
как клеящий лак при изготовлении миканитов и при различных
электромонтажных и ремонтных работах. Требует горячей сушки,
но может быть использован и как лак холодной сушки

5) Глифталевые лаки, содержащие в качестве основы глифтале-
вые синтетические смолы, а в качестве растворителя — ацетон, смесь
толуола и бензина и др. Маслостойки и обладают хорошими изоля-
ционными и защитными свойствами, являются лаками печной
сушки. Применяются в качестве пропиточных и покровных лаков
и для изготовления серых эмалей, используемых для покрытия
деталей электрических машин и аппаратов.

6) Бакелитовый лак — раствор синтетической смолы бакелита в
спирте. Пропиточный и клеящий лак горячей сушки, дающий ме-
ханически прочную, во мало эластичную и склонную к тепловому
старению плёнку.

7) Нитроцеллюлозные лаки (нитролаки); представляют собой
раствор целлюлозы в различных растворителях. Дают хорошую
быстросохнущую защитную, но не теплостойкую плёнку.

Компаунды. Компаунды применяют для пропитки непод-
вижных катушек и для заливки различных токопроводящих
деталей (заливочная масса для заполнения воздушных промежут-
ков вокруг катушек электрических аппаратов, пустот в кабельных
муфтах, мастика для заливки крышек аккумуляторов и пр.). Ком-
паунды обеспечивают более влагостойкую и влагонепроницаемую
пропитку, чем лаки, так как при охлаждении они затвердевают
полностью и в них не остаётся пор от испарившегося растворителя,
что может иметь место при пропитке лаками. В качестве основы для
изготовления компаундов служат битумы; для придания компаун-
дам большей эластичности, нагревостойкости и маслостойкости
к ним добавляют высыхающие масла, смолы и воски.

Процесс пропитки компаундами может вестись только при по-
вышенной температуре, выше температуры их плавления. Подле-
жащие пропитке изделия погружают на определённое время в рас-
плавленный компаунд и вынимают, не дожидаясь полного его
застывания.

Более совершенной является вакуумная пропитка компаундами;
она заключается в том, что подлежащие пропитке изделия сна-
чала подвергаются сушке в герметически закрытом котле (авто-
клаве) под вакуумом, а затем пропитываются в этом же котле под
давлением в несколько атмосфер. В некоторых случаях произво-
дится пропитка несколькими циклами с периодической подачей дав-
ления в автоклав.
85. Пластические массы и комбинированные изоляционные
материалы

Пластмассы Пластмассы изготовляют из специальных порош-
ков путём прессования при большом давлении и высокой
температуре. Порошки составляются из мелко раздробленных смол,
битумов, цементов и пр. (связующие) и различных материалов —
наполнителей (каменная мука, древесная мука, опилки). В состав
пластмасс вводят также пластификаторы, увеличивающие пластич-
ность материала, и красители, придающие изделиям требуемую
окраску. Прессование порошков производят в особых формах и
получают совершенно готовые, не требующие дальнейшей обработки
изделия. Если в пластмассовых изделиях должны быть укреплены
детали из других материалов (например металлические шпильки,
втулки и т. д.), то их запрессовывают при изготовлении деталей.

Из изоляционных пластмасс наибольшее распространение по-
лучили пластмассы, изготовленные на основе бакелита, битумов,
эфиров целлюлозы и виниловых соединений. Некоторые пластиче-
ские массы после горячего прессования сохраняют способность
к повторному размягчению и растворению в различных раство-
рителях. Другие, изготовленные из бакелита и подобных ему синте-
тических смол, во время горячего прессования переходят в неплав-
кое и нерастворимое состояние.

В последнее время появились новые виды пластмасс, изготов-
ленных из синтетических смол без наполнителей. К числу их при-
надлежат: органическое небьющееся стекло, различные прозрачные
пластмассы, винипласт (листовой материал из хлорвинила) и яр.

Комбинированные слоистые материалы. Комбинированные сло-
истые материалы представляют собой пластические массы, в которых
наполнителем являются волокнистые вещества (бумага, ткань и пр.).
Из этих материалов в изоляционной технике наибольшее распрост-
ранение получили гетипакс и текстолит.

Гетинакс изготовляют из бумаги и бакелита. Бумага покры-
вается слоем бакелитового лака, складывается в несколько слоёв и
прессуется под высоким давлением при повышенной температуре.
Под влиянием нагрева бакелит переходит в неплавкое и нераст-
воримое состояние. При этом получают твёрдый и прочный листо-
вой материал с высокими изоляционными свойствами, который
хорошо подвергается механической обработке (режется, пилится и
сверлится). Гетинакс находит широкое применение при изготов-
лении деталей электрических аппаратов, требующих надёжной
изоляции и прочности (изоляционных стоек и пр.).

Текстолит изготовляется подобно гетинаксу, но основанием
служит не бумага, а ткань. Текстолит ещё более прочен, чем гети-
накс. Некоторые его показатели (например износоустойчивость
при трении) выше чем у металлов, поэтому в ряде случаев тексто-
лит применяется для изготовления таких деталей, как шестерни,
вкладыши и т. д.
Особо высокими нагревостойкослью и изоляционными свойст-
вами обладает стеклотекстолит, изготовленный на основе стеклян-
ной ткани.

Гибкие пленки. Гибкие плёнки изготовляют из синтетических
смол (полистирола, полихлорвинила, эфира целлюлозы и пр.) в
виде листов или рулонов. Они применяются для изоляции электри-
ческих машин, обмоточных проводов, конденсаторов и пр Наиболь-
шее распространение получили так называемые триацетатные
электроизолирующие плёнки, обладающие значительной электричес-
кой прочностью.

Каучуковые материалы изготовляют из естественного или искус-
ственного каучука. Первый добывается из сока каучуконосных,
преимущественно тропических растений, второй получается хими-
ческим путём из спирта и других продуктов. Каучук легко раство-
ряется в бензине, бензоле и других растворителях, давая липкую
массу (резиновый клей), используемую при склеивании резиновых
деталей. Из каучуковых материалов в электромашиностроении
широкое применение нашли резина и эбонит.

Резина — смесь каучука с серой, обработанная при повы-
шенной температуре. Чрезвычайно гибкий, эластичный, совершенно
водонепроницаемый материал, обладающий высокими изоляцион-
ными свойствами. Изготовляется в виде листов различной тол-
щины и широко используется для изоляции проводов. Отрицатель-
ные качества — малые теплостойкость и маслостойкость. При элек-
тромонтажных работах широко применяется изоляционная лента,
представляющая собой обычную миткалевую ленту, покрытую с
одной стороны каучуковой клейкой массой.

Эбонит — смесь каучука с большим количеством серы (выше
25%) и некоторыми минеральными наполнителями. Твёрдый мате-
риал с хорошими изоляционными свойствами. Хорошо режется,
сверлится и полируется. Изготовляется в виде листов, стержней и
трубок. Эбонитовый порошок используют для изготовления пласт-
массы, из которой прессуют различные изоляционные детали,
аккумуляторные сосуды и пр.

Кроме резины, в изоляционной технике за последнее время
получают всё более широкое применение эластичные каучукооб-
разные материалы, изготовленные на основе синтетических смол
(полихлорвинил и др.).

86. Минеральная изоляция

Продукты минерального происхождения являются значительно
более нагревостойкими, чем органические волокнистые изоляцион-
ные материалы, лаки и смолы.

Однако большинство из минералов непригодно для использова-
ния в электромашиностроении, так как они не обладают нужными
изоляционными и технологическими качествами. Широкое приме-
нение в изоляционной технике нашли только слюдяные, асбестовые,
стеклянные и керамические изделия.
Изделия из слюды. Изоляционные качества слюды исключительно-
высоки; электрическая прочность её достигает 100—200 кд/мм, теп-
лостойкость 500—-800°С. Кроме того, слюда отличается высокой
влагостойкостью и маслостойкостью и значительной кислотоупорно-
'стью. Все эти качества сделали слюду ценнейшим материалом для
электромашиностроения.

Однако добывается слюда в виде небольших тонких пластино-
чек (лепестков площадью 0,5—50 см2 и толщиной 0,01—0,05 мм).
Поэтому её не применяют непосредственно, а используют главным
образом в виде клеёных слюдяных изделий, называемых микани-
тами. Миканиты представляют собой листовые и рулонные мате-
риалы, склеенные из отдельных лепестков слюды с помощью клея-
щих лаков или смол. Иногда при изготовлении миканитов
используется волокнистая подложка из бумаги или ткани, которая
наклеивается с одной или с обеих сторон. Подложка увеличивает
механическую прочность материала и затрудняет отставание лепест-
ков слюды при изгибе. В электромашиностроении применяют раз-
личные сорта миканита: коллекторный, прокладочный, формовоч-
ный, гибкий, микафолий и микаленту.

Коллекторный и прокладочный миканиты изготовляются в виде
листов толщиной 0,4—2 мм путём склеивания между собой пласти-
нок слюды в несколько слоёв и прессования их при высоком давле-
нии и высокой температуре. Клеем служит шеллачный лак или глиф-
талевые смолы. Содержание их в коллекторном миканите не пре-
вышает 4%, что обеспечивает малую усадку при работе коллектора.
В прокладочном миканите содержание клея доходит до 25%. Эти
сорта миканита хорошо режутся и штампуются. Применяются глав-
ным образом в качестве изоляции между коллекторными пластин-
ками и для изготовления различных электроизоляционных про-
кладок, шайб и пр.

Формовочный миканит при нормальной температуре обладает
значительной твёрдостью, но при нагреве приобретает способность
принимать ту или иную форму. Содержание клея (шеллака, глиф-
талевой смолы) в формовочном миканите доходит до 30%, поэтому
из листов такого миканита можно формовать различные фасонные
изделия, в частности, конусы и цилиндры для коллекторов.

Особая разновидность формовочного миканита называется ми-
кафолием; он имеет с одной стороны подложку из бумаги толщи-
ной 0,05—0,06 мм и применяется для изготовления твёрдой изоля-
ции стержней якорных обмоток высоковольтных электрических
машин. Стекломикафолий имеет подложку не из бумаги, а из стек-
лянной ткани. Выпускается в рулонах и в листах.

Гибкий миканит изготовляют в листах толщиной 0,15—0,6 мм
путём наклеивания пластинок слюды в один или несколько слоёв
на тонкую бумагу. В качестве клея используют масляно-битумный
или глифталевый лаки. Этот вид миканита обладает значительной
гибкостью и применяется в электрических машинах для изоляции
секций, обмотки якоря, катушек и других деталей. Разновидностью
гибкого маканита является микалента; она выпускается в виде ру-
лонов толщиной 0,13—0,17 мм, которые разрезаются на ленты
шириной 12—25 мм. Имеются различные марки микалент с подлож-
ками из бумаги, тонкого шёлка и стеклоткани.

Одним из видов слюдяных изделий является микалекс. Он пред-
ставляет собой пластическую массу, в которой связующим служит
стекло, а наполнителем — измельчённая в порошок слюда. Мика-
лекс прессуется при высоком давлении и повышенной температуре
и изготовляется в виде листов, стержней и фасонных деталей. Имеет
высокие электроизоляционные свойства и хорошо подвергается
механической обработке.

Асбест и асбестовые изделия В электромашиностроении, кро-
ме асбестовой бумаги, ткани и картона (см. выше), широко приме-
няют изделия из асбоцемента.

Асбоцемент представляет собой прессованный пластический
материал, изготовляемый из асбестового волокна (наполнителя)
и цемента (связующего). Выпускается в виде досок и труб.
Имеет хорошие механические свойства, высокую нагревостойкость
и хорошо сопротивляется действию электрической дуги и искр.
Поэтому из него изготовляю!' распределительные доски и щиты,
стенки дугогасительпых камер и перегородок и пр.

Стекло и стеклянные изделия. Стекло — смесь кремнезёма
(чистого песка) с поташем и содой или некоторыми другими
веществами. Отличается очень хорошими изоляционными свойствами,
теплостойкостью, водостойкостью, маслостойкостыо и кислотоупор-
ностью.

В электромашиностроении стекло применяют главным образом
для изготовления стекловолокна и стеклоэмалей. Стеклоэмаль
представляет собой расплавленное стекло, наносимое тонким
слоем на поверхность металлических или других деталей. Основ-
ная область применения стеклоэмалей — покрытие поверхностей
трубчатых сопротивлений с целью изоляции и защиты их обмотки
от проникновения влаги, коррозии, загрязнения и окисления.

Керамические изделия Из керамических материалов в элек-
тротехнических установках применяют фарфор, различные тита-
наты (химические соединения металла титана) и др.

Из фарфора изготовляют всевозможные изоляторы, из титана-
тов, обладающих весьма высокой диэлектрической проницае-
мостью, — изоляционные прослойки конденсаторов.

Контрольные вопросы

I. Какие существуют магнитные материалы и для каких частей элек
трических машин они применяются?

2. Какие существуют проводниковые материалы и для чего они цр
меняются в электромашиностроении?

3. Какие применяются щётки для электрических машин и из чего он;
изготовляются?

4. Какими свойствами обладают электроизоляционные материалы?
5. Как подразделяются электроизоляционные материалы в зависимости
от нагревостойкости?

6. Какие электроизоляционные материалы относятся к волокнистым
и их характеристика?

7. Какой основной недостаток волокнистых электроизоляционных
материалов?

8. Какие изоляционные материалы относятся к твердеющим?

9. Что называется смолами и на какие типы они подразделяются?

10. Что представляет собой процесс высыхапия масла?

11. Что представляют собой лаки и на какие типы они подразделяются?

12. Какие сорта лаков получили наибольшее применение и где?

13. Что такое компаунды и где они применяются?

14. Из чего изготовляются пластмассы и какие из них получили наи-
большее распространение?

15. Что представляют собой комбинированные слоистые материалы
и какие из них получили наибольшее распространение?

16. Какие продукты минерального происхождения относятся к элек
троизоляционным материалам и их характеристики?

17. Что такое миканиты и микафолий?

‘ 9 3 акзз
ГЛАВА XIV

ОПАСНОСТИ ОТ ТОКОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

87. Причины опасности поражения электрическим током

Электрический ток опасен для человеческого организма и может
оказаться причиной тяжёлых повреждений и даже смерти. По-
этому каждому, кто работает с электрическими установками, необ-
ходимо знать опасные последствия, которые может вызвать элек-
трический ток, и строго соблюдать соответствующие меры предосто-
рожности .

Человеческое тело представляет собой проводник электрического
тока. Проходя по телу, ток вызывает раздражение или поражение
отдельных его органов и участков. Наиболее опасным видом пора-
жения является электрический удар, сопровождающийся потерей
сознания и прекращением или сильным ослаблением деятельности
органов дыхания и кровообращения. Степень поражения зависит
в основном от величины тока.

В настоящее время считают, что безусловно смертельным для
человека является ток 0,1 а. Ток 0,04—0,08 а может являться причи-
ной потери сознания, а в ряде случаев и смерти; ток 0,01—0,02 а
вызывает болезненные судороги. Относительно безопасным может
считаться только ток, не превышающий 0,005 а.

Как и всякий проводник, человеческое тело подчиняется закону
Ома; следовательно, величина проходящего по телу тока и опас-
ность поражения возрастают с увеличением напряжения. Напряже-
ние в доли вольта совершенно безопасно для человеческого орга-
низма, напряжение же в тысячи вольт смертельно. Величина тока,
проходящего по человеческому телу, кроме напряжения, зависит
и от сопротивления самого тела и всей электрической цепи, по кото-
рой проходит ток.

Если человек, хорошо изолированный от земли, коснётся кон-
чиками пальцев одной руки разных проводов, находящихся под
напряжением, то ток будет протекать только по этим пальцам
(фиг. 382, о), при касании этих же проводов разными руками ток
будет протекать по обеим рукам и груди (фиг. 382,6). Если же чело-
век стоит на полу, то при соприкосновении с проводом, находя-
щимся под напряжением, ток будет протекать через всё тело в землю
(фиг. 383); в этом случае сопротивление электрической цепи будет
зависеть не только от сопротивления самого тела, но и ог сопро^
тивления обуви, пола и пр.
Следовательно, одно и то же напряжение тем опаснее, чем меньше
сопротивление человеческого тела и чем лучше оно заземлено.
Иными словами, опасность поражения током определяется не только
его напряжением, но и теми условиями, при которых человек при-
касается к проводам или оборудованию, находящемуся под напря-
жением.

Если человек стоит босой на земляном полу и касается заземлён-

Фиг. 382. При попадании человека
под напряжение электрический ток
проходит через его тело различными
путями в зависимости от условий,
при которых он прикасается к нахо-
дящимся под напряжением установкам

проходящий по нему ток будет
гораздо больше, чем в случае,
если он стоит в обуви на
сухом полу. Следовательно,
для уменьшения опасности
электрического удара при

Фиг. 383. При попадании че-
ловека под напряжение соп-
ротивление электрической це-
пи будет зависеть не только
от сопротг вления самого тела,
но и от сопротивления обуви,
пола и пр.

работе с электротехническими установками, находящимися под
напряжением, нужно пользоваться сухими резиновыми перчатками
и обувью, применять резиновые коврики, галоши, изолированный
инструмент и пр., т. е. использовать все средства для того, чтобы
по возможности увеличить общее сопротивление электрической
цепи, по которой пойдёт ток при попадании человека под напряже-
ние.
Опасность поражения электрическим током значительно уве-
личивается во влажных и сырых помещениях, так как влага сильно
уменьшает сопротивление человеческой кожи, дерева, бумаги,
кожаной обуви, резины и других подобных материалов, которые
в сухом состоянии являются хорошими изоляторами.

Особенно возрастает опасность, когда человек по условиям рабо-
ты должен соприкасаться с землёй или находиться вблизи неё. Земля
же в электрическом отношении — это не только сама почва, но и
всякий заземлённый предмет — кузов электровоза и тепловоза,
металлические корпуса и детали машин, металлические трубы,
водопровод, канализация, сырой пол в первых этажах и подваль-
ных помещениях зданий и пр.

Электропроводность человеческого тела, кроме влажности, за-
висит и от многих других причин. Потная и сухая, грубая и топкая,
молодая и старая кожа оказывают различное сопротивление элек-
трическому току. Оно зависит от состояния человека, его самочув-
ствия и даже настроения; усталость, нездоровье, волнение — всё
это в сильной степени изменяет электропроводность тела. Далеко
не одинаково действует электрический ток на разные организмы:
одни люди выдерживают такие напряжения, которые другие не
в состоянии переносить.

В некоторых случаях напряжение, исчисляемое в сотнях вольт,
не приносят человеку вреда; иногда удавалось спасать людей,
поражённых током при напряжении тысячу и даже несколько
тысяч вольт. Однако рассчитывать на подобный «счастливый исход»
не следует, потому что известно много случаев, когда смерть на-
ступала при попадании людей под сравнительно низкие напряже-
ния осветительной сети 220 в и 110 в, а при неблагоприятных усло-
виях — даже при напряжениях 50—60 в. Поэтому с электричеством
надо быть всегда крайне осторожным и не забывать, что оно не тер-
пит легкомыслия и беспощадно наказывает за него.

В СССР согласно действующим электротехническим правилам
и нормам безопасными считаются напряжения 36 в для сухих поме-
щений и 12 в — для сырых и жарких помещений; такие напряжения
применяются, например, для питания переносных ламп и электро-
инструментов на смотровых канавах депо, ремонтных заводов и пр.

Принятое электротехническими правилами деление электриче-
ских установок на установки низкого напряжения (до 250 в) и
высокого напряжения (свыше 250 в) ничего общего не имеет с поня-
тием опасного и безопасного напряжений.

При поражении человека электрическим током необходимо
преждэ всего быстро освободить его от действия тока, отключив ту
часть электрической установки, которой касается пострадавший, или
заземлив её. При освобождении пострадавшего от токоведущих
частей нужно соблюдать осторожность с тем, чтобы лицо, оказываю-
щее помощь, не попало само под напряжение (использовать для этой
цели резиновые калоши, перчатки, сухие доски и пр.). При пора-
жениях электрическим током всегда следует предполагать, что потеря
444
сознания произошла в результате паралича дыхательного центра.
Поэтому даже при отсутствии признаков жизни (дыхания, сердце-
биения, пульса) смерть следует считать мнимой. В этом случае
необходимо немедленно начать делать искусственное дыхание,
продолжая его непрерывно до прихода врача.

При спасении жизни человека дорога бывает каждая секунда,
поэтому первую помощь следует оказывать немедленно, по воз-
можности тут же на месте происшествия. Если от момента пораже-
ния током до начала искусственного дыхания прошёл почему-либо
некоторый промежуток времени, искусственное дыхание необхо-
димо всё же производить независимо от того, сколько времени
прошло после поражения.

88, Источники опасности и меры безопасности

Источники опасности. Источником опасности является всякая
электротехническая установка, находящаяся под напряжением.
Поэтому необходимо строго соблюдать первое правило техника
безопасности: никогда не работать под напряжением.

Если необходимо устранить неисправность в каком-либо элек-
трическом приборе (предохранителе, электроплитке, ламповом
патроне и пр.), следует в первую очередь отключить этот прибор от
сети или же снять электрическое питание со всего участка электри-
ческой цепи, в которой произошло повреждение.

На электровозах и тепловозах перед началом работ по осмотру
и ремонту электрооборудования необходимо тщательно проверить,
выключены ли все кнопки, выключатели и контакторы, подающие
напряжение на ремонтируемые объекты и находящиеся вблизи них
приборы и аппараты.

Особенно тщательно это правило должно соблюдаться при ра-
боте с установками высокого напряжения. Для предотвращения
возможности прикосновения людей к частям, находящимся под
напряжением, техника безопасности требует, чтобы в установках
высокого напряжения все токоведущие части были ограждены сплош-
ными стенками или металлическими сетками. При входе человека
за эти ограждения с ограждённых электрических установок должно
автоматически сниматься напряжение.

На электровозах и тепловозах указанное требование техники без-
опасности строго выполняется: всё высоковольтное оборудование
этих локомотивов сосредоточивается в специальных ограждённых
высоковольтных камерах, работа внутри которых возможна только
при опущенном пантографе на электровозе или неподвижном дизеле
на тепловозе. В схемах электровозов предусматриваются специаль-
ные электрические и пневматические блокировки, обеспечивающие
автоматическое снятие напряжения с оборудования высоковольт-
ной камеры (опускание пантографа) при открывании её двери
или же невозможность открывания этой двери при поднятом панто-
графе.
л®нтактнда сеть

Ограждение

6
высоковопыпное
оборудование
электровоза

^Злгктропневмотииескрц
I привод лантограера

пижера

Блокировка^
двери 4

Вь1соковольтная

К тягоОо/м
двигателям

Ф1г. 384 Схема электрическом блоки-
ровки дверей высоковольтной камеры

Упрощённая схема электрической блокировки высоковольтной
камеры изображена на фиг. 384. При открывании двери электриче-
ская блокировка размыкает цепь катушки электропневматического
привода пантографа, который при этом опускается и отключает
высоковольтное оборудова-
ние электровоза от кон-
тактной сети.

Чтобы предотвратить
возможность попадания
людей под напряжение в
случае обрыва контактно-
го провода и падения его
на опущенный пантограф,
в схемах электровозов пре-
дусматриваются так назы-
ваемые заземляющие кон-
такторы, которые соеди-
няют пантограф накоротко
с землёй при открывании
дверей высоковольтной ка-
меры. При этом происходит
срабатывание защиты на
тяговой подстанции и сня-
тие напряжения с кон-
тактной сети.

В электровозах приня-
ты также меры для того,

чтобы не допустить возможности подъёма людей на крышу при
поднятых пантографах.

Для этой цели раскладные лестницы, служащие для подъёма
на крышу, снабжены специальными пневматическими блокиров-
ками, которые не дают возможности разложить лестницу при подня-
том пантографе и, наоборот, поднять пантограф при разложенной
лестнице.

При нарушении изоляции электрических установок источником
опасности могут быть также и их нетоковедущие части (корпуса
электрических машин, кожухи аппаратов и пр.) и различные метал-
лические детали (трубы, металлические конструкции), с которыми
могут соприкасаться повреждённые электрические провода. Напри-
мер, если в результате небрежного надзора один из проводов элек-
трической сети оголился и коснулся незаземлённой металлической
трубы (фиг. 385, а), то при прикосновении человека к трубе он ока-
жется под напряжением.

То же произойдёт при прикосновении человека к корпусу
электрической машины или аппарата при пробое их изоляции
(фиг. 385, б).

Следовательно, для повышения степени безопасности необхо-
димо тщательно следить за исправностью изоляции электрических
446
машин, аппаратуры и проводки и периодически проверять сопротив-

ление изоляции, не допуская его чрезмерного снижения.

Заземление и зануление. Для предотвращения опасности пора-
жения людей током в случае нарушения изоляции электрических
установок применяют защитное заземление. Для этой цели все
корпуса электрических машин, кожухи аппаратов и приборов,
каркасы распределительных щитов, электрическая арматура, метал-
лические оболочки кабелей, а также

Фиг. 385. При прикосновении к трубе, которой касается провод с
повреждённой изоляцией, или к корпусу машины с пробитой изо-
ляцией человек оказывается под напряжением

трубы, в которых прокладываются элект-
рические провода на локомотивах, тща-
тельно заземляются.

Заземляются также все маховики, штурвалы и рукоятки элект-
рических аппаратов, несмотря на заземление их корпусов, так
как благодаря слою масла во втулках, через которые проходят
валы и оси этих рукояток и штурвалов, может быть нарушен
контакт между ними и заземленными кожухами.

Заземление обеспечивает резкое снижение напряжения на не-
токоведущих частях электрических установок в случае пробоя их
изоляции и доведение его до безопасной величины. При прикоснове-
нии к заземлённому корпусу электрической установки с пробитой
изоляцией па человека будет действовать лишь падение напряже-
ния Д I] между этим корпусом и землёй (фиг. 386), которое при
правильном выполнении заземления (при малом сопротивлении
заземляющего устройства) будет очень мало.

Па электроподвижном составе одним из полюсов источников
тока (минусом) являются рельсы, т. е. земля. Поэтому при пробое
изоляции какой-либо электрической машины или аппарата на за-
зсмлённый корпус произойдёт короткое замыкание соответствую-
щей части электрической цепи.

Такой случай показан на фиг. 387 (в схеме ради простоты изо-
бражены только два двигателя и отсутствуют электрические аппараты
и приборы, имеющиеся в схемах электровозов и моторных ваго-
нов). Возникающий при коротком замыкании большой гок 1кор
вызовет срабатывание защиты и снятие напряжения с повреждён-
ного элемента оборудования.

Фиг. 386. При заземлении корпуса
электрической установки напряже-
ние на корпусе в случае пробоя
изоляции снижается до безопасной
величины, определяемой падением
напряжения ДС/ в заземляющем
устройстве

нор

Фиг. 387. При пробое на корпус
тягового двигателя или электриче-
ского аппарата на электровозе или
моторном вагоне в месте пробоя
возникает короткое замыкание, вы-
зывающее срабатывание защиты и
снятие напряжения с повреждён-
ного элемента обору дования

На тепловозах для этой цели между одним из полюсов генера-
тора (минусом) и землёй включается специальное защитное реле
(реле заземления). Упрощённая схема включения этого реле пока-
зана на фиг. 388 (в этой схеме для простоты показаны только генера-
тор и два двигателя и отсутствуют различные электрические аппа-
раты и приборы) При пробое изоляции в каком-либо элементе обо-
рудования, включённом в цепь генератора тепловоза (например
в одном из тяговых двигателей), через катушку реле начинает про-
текать гок, и оно срабатывает. При этом размыкается электриче-
ская цепь катушки привода контактора, подающего питание к об-
мотке возбуждения главного генератора, вследствие чего напряже-
ние генератора резко уменьшается до весьма малой величины.

В сетях трёхфазного тока, применяемых на заводах, фабриках,
в депо и в жилых домах, для предотвращения опасности поражения
электрическим током устраивают заземление нулевой точки источ-
448
напряжения

между неповрежденными

Генератор

Место
екГоя

антактор

Фиг. 388.
двигателя
тепловозе

питание оГног-
ни (Мзбухдения
генератора

Реле заземления

ников трёхфазного тока (трёхфазных генераторов и трансформато-
ров), защитное заземление и зануление.

Заземление нулевой точки трёхфазных генераторов и трансфор-
маторов имеет целью снизить опасность поражения электрическим
током при замыкании отдельных фаз на землю. При незаземлёп-
ной нулевой точке (фиг. 389, а) замыкание одной из фаз на землю
из-за небрежного надзора за электропроводкой или пробоя изоля-
ции в подключённых к этой фазе электрических машинах и при-
борах вызовет появление
фазами и землей, равного
линейному напряжению Ид.
Это создаёт угрозу пробоя
ослабленных мест изоля-
ции неповреждённых фаз
и повышенную опасность
для людей при прикосно-
вении к токоведущим ча-
стям этих фаз.

11ри заземлении нуле-
вой точки источника трёх-
фазного тока таких послед-
ствий возникнуть не мо-
жет, так как замыкание
какой-либо фазы на землю
приведёт к возникновению
тока короткого замыкания
и срабатыванию защиты,
отключающей повреждён-
ную фазу. Снижается при
этом и опасность пораже-
ния электрическим током

при прикосновении человека к токоведущим частям одной из фаз,
так как на него будет действовать лишь фазовое напряжение Иф
(фиг. 389, б), которое в 1,73 раза меньше линейного.

Защитное заземление устраивают в установках с незаземлённой
нулевой точкой Для этой пели корпусы машин, аппаратов и элек-
трических приборов, подлежащих заземлению, присоединяют
к проложенной в помещении стальной шине, часто образующей
замкнутый контур.

Стальная шина или контур металлически соединяются с зазем-
лителем, выполненным из газовых труб, забиваемых вертикально
в землю (фиг. 390).

Зануление выполняют в установках с заземлённой нейтралью
(обычно установки напряжением 380/220 в). В производственном
помещении прокладывается магистраль зануления из полосовой
стали (фиг. 391, а), металлически соединяемая с нулевой точкой
генератора или трансформатора. Корпусы машин и аппаратов соеди-
няют с магистралью зануления.

При пробое на корпус тягового
или электрического аппарата на
срабатывает реле заземления и

снимает напряжение с тепловозного гене-
ратора
В случае порчи изоляции, например, у электродвигателя, токо-
ведущая часть двигателя соединится с его корпусом и произойдёт
короткое замыкание (фазовый провод—корпус — зануляющая
магистраль), что приведёт к перегоранию предохранителя, защи-

Фиг. 389. При незаземлённой нулевой точке генератора или трансфор-
матора и замыкании одной из фаз на землю человек, касающийся не-
повреждённых фаз, попадает под полное линейное напряжение. При
заземлённой нулевой точке генератора или трансформатора человек,
касающийся какой-либо фазы, попадает лишь под фазовое напряже-
ние, которое меньше линейного в 1,73 раза

щающего эту фазу, и повреждённый элемент установки будет
отключён от сети.

В четырёхпроводных сетях трёхфазного тока (с нулевым про-
водом), применяемых при одновременном питании силовых и осве-
тительных установок, предотвращение опасности поражения лю-

Фиг. 390. Заземление установки в сетях с незазем-
лённой нейтралью

дей током достигается путём металлического соединения корпусов
машин и осветительной арматуры с нулевым проводом питающей
системы (фиг. 391, 6); нулевой провод в этом случае служит и за-
нуляющей магистралью,
Занулению и заземлению подвергаются также и корпусы пере-
носных электроприборов, лампочек, ручного электроинструмента
и пр.

Для этой цели кабель, присоединяемый к переносному электро-
прибору однофазного и постоянного тока, включает в себя третью

Фиг. 391. Зануление установки в сетях с заземлённой нейтралью

жилу, а в приборах трёхфазного тока — четвёртую жилу, которые
служат для присоединения корпуса прибора к заземляющей шине
или нулевому проводу.

Контрольные вопросы

1. Чем опасен электрический ток для человеческого организма?

2. Как проходит электрический ток через человеческое тело?

3. Почему при работе с электрическими установками, находящимися
под напряжением, рекомендуется применять резиновые перчатки, коврики
и галоши, пользоваться изолированным инструментом и пр.?

4. Какие напряжения считаются безопасными?

5. Что является источником опасности в электротехнических уста-
новках?

6. Как обеспечивается выполнение основного правила техники
безопасности на электровозах и тепловозах?

7. Для чего применяют защитное заземление?

8. Что произойдет при замыкании на корпус внутри заземленной
электрической установки?

9. Для чего заземляют нулевую точку трехфазных генераторов и
трансформаторов?

10. Для чего применяют зануление?

11. Что надо делать при поражении человека электрическим тэкзм?
ОГЛАВЛЕНИЕ

„ Стр.

Предисловие................................................... 3

Глава 1. Электрическое поле и электрический ток

1. Основные сведения о строении вещества и физической природе
электричества ............................................. 6

2. Электрическое поле .......................................10

3. Электрический потенциал и напряжение......................12

4. Электрический ток в металлических проводниках ........... 14

5. Электрическое сопротивление ..............................19

6. Диэлектрики (изолирующие вещества) .......................23

7. Конденсаторы .............................................28

Глава II. Основные законы электрической цепи

8. Электрическая цепь........................................34

9. Закон Ома.................................................36

10. Использование сопротивлений для регулирования величины тока
в электрической цепи .........................................40

II. Электродвижущая сила и напряжение источника тока, холостой
ход и короткое замыкание .....................................44

12. Падение напряжения в проводах.............................48

13 Законы Кирхгофа ...........................................50

14 Способы соединения потребителей электроэнергии.............53

15 Способы соединения источников электрической энергии .... 59

16 Работа и мощность электрического тока .....................65

17 Тепловое действие тока.....................................69

Глава III. Электромагнетизм

18- Магнитное поле ..................................... .... 73

19. Магнитные свойства различных веществ......................79

20. Магнитная цепь ...........................................86

21 Механические силы, создаваемые магнитным полем ............89

22. Электромагнитная индукция ............................... 94

23 Вихревые токи.............................................101

24. Самоиндукция и взаимоиндукция............................104

Глаза IV. Электрические машины постоянного тока

2 5. Принцип действия электрического генератора и электрического
двигателя; принцип обратимости электрических машин...111

26. Принцип действия коллектора..............................122

27 Основные части машин постоянного тока и их конструктивное

выполнение ..............................................128

28 Обмотки машин постоянного тока ........................ 140

29. Реакция якоря............................................118

30 Коммутация ..............................................152

31. Генераторы постоянного тока...............................162

32. Генераторная установка тепловоза ....................... • 172

33. Двигатели постоянного тока...............................179
3). Способы управления электрическими двигателями, применяемые
на электрическом подвижном составе и тепловозах ....... 193

35. Мощность и коэффициент полезного действия машин постоянного
тока ........................................................208

Глава V Химические источники тока

36. Электрический ток в жидких проводниках....................217

37. Гальванические элементы ................................. 218

38. Аккумуляторы..............................................221

Глава VI. Однофазный переменный ток

39. Получение переменного тока................................232

40. Параметры переменного тока................................235

41. Активное сопротивление в цепи переменного тока. Поверхност-
ный эффект...................................................238

42. Индуктивность в цепи переменного тока.....................241

43. Включение в цепь переменного тока ёмкости (конденсатора) . . 246

44, Цепь переменного тока с последовательно соединёнными актив-
ным сопротивлением, индуктивностью и ёмкостью................252

45. Мощность переменного тока и коэффициент мощности..........255

46. Резонанс напряжений и резонанс токов .....................262

Глава VII. Трёхфазный переменный ток

47. Получение трёхфазного тока................................269

48. Схема соединения звездой..................................270

49. Схема соединения треугольником ...........................274

50 Мощность трёхфазного тока ................................277

Глава VIII. Трансформаторы и электрические машины
переменного тока

51. Трансформаторы............................................279

52. Асинхронные двигатели ...........................287

53. Синхронные генераторы ......................... 305

54. Синхронные двигатели . . . ..................... 313

55. Коллекторные двигателе переменного тока ..................316

Глава IX Электроизмерительные приборы

56. Назначение и типы электроизмерительных приборов...........324

57. Магнитоэлектрические приборы . .... ...........324

58. Электромагнитные приборы . . . .............329

59. Электродинамические приборы . .............330

60. Индукционные приборы . . . . . .........331

61. Тепловые приборы..........................................333

62. Частотомеры...............................................333

63. Измерение тока и напряжения...............................334

64 Измерение мощности и электрической энергии................340

65. Измерение сопротивлений ................................ 345

66. Измерение неэлектрических величин электрическими методами . 348

Глава X. Электронные и ионные приборы. Полупроводники

67. Прохождение электрического тока в пустоте (вакууме) Электрон-
ная эмиссия................................................ 352

68. Двухэлектродчые электронные лампы ................... .... 354

69. Трёхэлектродные электронные лампы . ......................362

70. Прохождение электрического тока в газах...................366
71. Ионные приборы......................................... 369

72. Прохождение тока в полупроводниках.......................374

73. Полупроводниковые выпрямители. Фотоэлементы . ...........376

Глава XI. Управление электрическими двигателями и их защита

74. Системы управления электрическими двигателями............380

75. Управление двигателями с помощью контроллеров и контакторов 383

76. Реле и регуляторы........................................391

77. Защита электрических двигателей от перегрузок, коротких за-
мыканий и перенапряжений ....................................399

Глава X11

Чтение электрических схем

78. Назначение электрических схем и их выполнение ...........496

79. Условные обозначения основных элементов электрических схем . 407

80, Правила чтения схем электрического подвижного состава и тепло-
возов ..................................................... 415

Глава XIII

Общие сведения об электротехнических материалах

81. Магнитные и проводниковые материалы......................424

82. Основные свойства и классификация электроизоляционных мате-
риалов ......................................................427

83. Волокнистые электроизоляционные материалы ...............429

84. Твердеющие электроизоляционные материалы.................432

85. Пластические массы и комбинированные изоляционные материалы 437

86. Минеральная изоляция.....................................438

Глава XIV

Опасности от токов высокого напряжения

87. Причины опасности поражения электрическим током..........442

88. Источники опасности и меры безопасности..................44л
Александр Ефимович Зорохович,
Сергей Кононович Крылов

Основы электротехники для локомотивных бригад

Переплёт художника И. А. Байтина
Технический редактор Г. П- Верина
Корректор Г. Г. Правдина

Сдано в набор 13/1Х 1956 г. Поди к печ. 30/Х1 1956 г.

Формат бумаги 60Х921/.,, Печ листов 28,5
Бум, листов 14,25, уч.-изд. л. 28,6.

Т11519. Тираж*-51 ООО. ЖДИЗ 53243- Зак. тип. 1216
, Цена 10 руб Переплет 1 руб.!

ТРАНСЖСЛДОРИЗДАГ, Москва, Басманный туп Ьа

1-я типография Грансжелдориздата МПС
-Москва, Б. Переяславская 46,
ВСЕСОЮЗНОЕ ИЗДАТЕЛЬСКО-ПОЛИГРАФИЧЕСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ
„ТРАНСЖЕЛДОРИЗДАТ* МПС

ИМЕЮТСЯ В ПРОДАЖЕ КНИГИ

БРАТУХИН И. М. Увеличение межремонтных пробегов электро-
возов. 1955. 32 стр. Ц. 50 коп.

ЕРМАКОВ Н. И. Испытание электрических машин электроподвиж-
ного состава в депо. Опыт работы электровозного депо Тбилиси Закав-
казской железной дороги. 195(5, 67 стр. Ц. 1 р. 25 к.

КАРТАШЕВ В. И., КРОНКАЛН Л. А. и ЦКИПУРИШВИЛИ В. Б.
Вопросы увеличения межремонтных пробегов электровозов. 1956, 92 стр.
Ц. 1 р. 65 к.

МЫЛЬНИКОВ Н. И. Увеличение среднесуточной работы электро-
возов Опыт работы депо Барабииск Омской дороги. 1956. 44 стр.
Ц. 90 коп.

МОЛЧАНОВ И. К. Экономия электрической энергии при мотор-
вагонной тяге. Опыт работы на пригородном электрифицированном
участке Московско-Рязанской дороги. 1954. 32 стр. Ц. 60 коп.

Паспорт электровоза серии ВЛ22М. Основные данные и характери-
стики. Труды МИИТ. Вып. 81/2. 1956. 111 стр. Ц. 7 р. 30 к.

ШАЦИЛЛО А. А. Механические амортизаторы электровозов.
1955. 48 стр. Ц. I р. 50 к.

Электровозы однофазного тока промышленной частоты. Под общей
редакцией Л. М. Трахмана. 1956. 184 стр. Ц. 7 руб.

ПРОДАЖА ПРОИЗВОДИТСЯ

Фениями Т рансжелдориздатана дорогах,
•порами по распространению печати на узлах,
в вагонах-клубах, в вагонах технической пропаганды,
в угонах-лавках и магазинах орсов, в магазине
^Железнодорожная книга'» (Москва).

НАЛОЖЕННЫМ ПЛАТЕЖОМ

литературу высылает отдел «Книга — почтой»
магазина * Железнодорожная книга»
(Москва, Б-78, Садозо-Спасская, 21)

1Н