/
Автор: Сафонов А.С.
Теги: электроника электротехника электрооборудование электрические цепи
Год: 1961
Текст
А. С. САФОНОВ
ДОЦЕНТ. КАНДИДАТ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Ьоз-;ики, юсу
(ачу пич-ъем рное <ни-юк-ния
эзь-t по кль-
ар-иси
ор
ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МИНИС1ЕРСТВА ОБОРОНЫ СОЮЗА ССР
МОСКВА — 1961
6П2.1
С12
А. С. САФОНОВ «Основы электротехники»
В книге излагаются основные сведения по общей электротехнике и электрооборудованию кораблей. Рассматриваются электрические и магнитные явления, элементы теории переменного тока, электрические измерения, химические источники электроэнергии, электрические машины и трансформаторы, канализация электрической энергии на корабле, электрические приводы, приборы управления кораблем и телефония.
Книга предназначается для матросов-электриков. Она может быть также использована широким кругом читателей, желающих ознакомиться с электротехникой.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящей книге в сжатой, но вместе с тем в возможно доступной форме изложены основы электротехники, знание которых в значительной степени облегчит матросу эксплуатацию электрооборудования корабля.
При написании книги автор ставил перед собой задачу показать устройство и объяснить принципы работы различных корабельных машин и аппаратов. Ограниченный объем книги не позволил рассмотреть подробно все корабельное электрооборудование, однако сведений, изложенных в книге, вполне достаточно, чтобы читатель разобрался в электрических устройствах, которые не нашли отражения в книге.
Автор будет признателен всем читателям, которые возьмут на себя труд сообщить ему свои замечания о книге по адресу: Москва, Тверской бульвар, 18, Военное издательство.
Считаю своим долгом выразить глубокую благодарность В. К. Чижавко за помощь в подготовке рукописи к изданию.
Автор
1*
ВВЕДЕНИЕ
Техника производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии называется электротехникой.
Электротехника в основном стала развиваться два века назад и за этот относительно короткий исторический период прошла большой путь: от громоотвода до атомной электростанции— величайшего творения человеческого гения.
Электрическая энергия получила в настоящее время чрезвычайно широкое применение в народном хозяйстве Советского Союза и служит повышению материального и культурного благосостояния народа. Она приводит в движение станки и машины в промышленности и сельском хозяйстве, военные и торговые корабли, товарные и пассажирские электропоезда. Электрическая энергия служит для освещения производственных и жилых помещений, для связи на любые расстояния, для автоматизации сложных производственных процессов; она избавляет миллионы людей от тяжелого физического труда, помогает советским людям превращать пустыни в плодородные земли и цветущие сады. Нет такой области в современной технике, где бы в той или иной форме не применялась электрическая энергия. А такие отрасли современной техники, как радиосвязь, радиолокация, электронная микроскопия, без применения электроэнергии вообще немыслимы.
Широкое распространение электрической энергии объясняется следующим: простотой преобразования электрической энергии в другие виды энергии — механическую, тепловую, световую и химическую; легкостью передачи электроэнергии на значительные расстояния с малыми потерями; высоким коэффициентом полезного действия большинства электрических машин и аппаратов; возможностью распределять электрическую энергию, вырабатываемую
5
одним или несколькими источниками, между любыми потребителями — от маленькой лампы накаливания до большого электрического агрегата.
Наступившая эпоха атомной энергии не уменьшает, а, наоборот, усиливает значение электрической энергии в развитии производительных сил человеческого общества. Объясняется это тем, что техническое использование внутриядерной энергии наиболее перспективно в виде электрической энергии. Кроме того, процесс выделения внутриядерной энергии неотделим от электрических явлений.
Наука об электричестве преодолела величайшие трудности. Многим ученым пришлось идти неизведанными путями, чтобы претворить в жизнь свои смелые замыслы, поставить электрическую энергию на службу человечеству.
Основоположниками электротехники были ученые многих стран мира. Назовем наиболее выдающихся из них.
Гениальный русский ученый М. В. Ломоносов (1711 — 1765) открыл природу атмосферного электричества. Труды Ломоносова сыграли большую роль в изучении электрических явлений, в установлении правильных взглядов на природу электричества.
Итальянский ученый А. Вольта (1745—1827), французский ученый А. Ампер (1775—1836) и немецкий ученый Г. Ом (1787—1854) обогатили электротехнику важными исследованиями электрического тока. Вольта является создателем первого источника постоянного тока — гальванического элемента. Именем Вольта названа единица электродвижущей силы и напряжения. Ампер открыл закон взаимодействия электрических токов. Его именем названа единица величины тока. Ому принадлежит открытие основного закона электрической цепи, связывающего сопротив ление цепи, электродвижущую силу и величину тока. Именем Ома названа единица сопротивления.
Русский ученый В. В. Петров (1761—1834) открыл электрическую дугу. Ему принадлежит идея использования электрической дуги для освещения, плавления и сварки металлов. Он впервые применил изоляцию для электрических проводов.
Английский ученый М. Фарадей (1791 —1867) открыл явление электромагнитной индукции. Им была создана современная теория магнитного поля. Он сформулировал законы электролиза, исследовал влияние промежуточной среды на электрические явления, а также создал основы электрохимии.
6
Теоретические положения Фарадея о природе магнитных и электрических явлении математически обосновал английский ученый Д Максвелл (1831 —1879). Максвелл является также создателем теории электромагнитного поля и электромагнитной теории света. Им же были осуществлены важные опыты по экспериментальной проверке закона Ома.
Русский академик Э. X. Ленц (1804—1865) независимо от английского ученого Джоуля открыл тепловой закон электрического тока, известный в электротехнике под названием закона Джоуля — Ленца. Он установил общность явлений электромагнитной индукции и механического проявления магнитного поля.
Огромное значение для развития электротехники имели исследования и изобретения русского академика Б. С. Якоби (1801—1874). В 1834 г. он сконструировал первый электродвигатель постоянного тока. Совместно с Ленцем Якоби установил принцип обратимости электрических машин. Якоби создал буквопечатающий телеграфный аппарат, изобрел гальванопластику, установил единицы измерения тока и электрического сопротивления.
Важным вкладом в электротехнику явились изобретения П. Н. Яблочкова (1847—1894) и А. Н. Лодыгина (1847— 1923). Яблочков создал электрическую дуговую лампу — первый электрический источник света. Им же были разработаны генератор — прообраз современного синхронного генератора и электрический трансформатор — неотъемлемая часть современных электрических сетей. Лодыгин создал первую в мире электрическую лампу накаливания.
Величайшим событием в электротехнике явилось почти одновременное изобретение трехфазной системы, трехфазного генератора и трехфазного асинхронного электродвигателя, творцом которых был талантливый русский инженер-электрик М. О. Доливо-Добровольский (1862—1919). Им же была впервые осуществлена передача энергии переменного тока на дальние расстояния. Он указал также, что для передачи электроэнергии на очень большие расстояния целесообразно применять сверхвысокие напряжения постоянного тока.
Конец прошлого столетия ознаменовался величайшим открытием современности — изобретением выдающимся русским ученым А. С. Поповым (1859—1906) радио. Наша страна, таким образом, является родиной новой отрасли электротехники — радиотехники и телевидения.
7
Расцвет электротехники и вообще всех наук в наш век был бы невозможен без исследований великого русского химика Д И Менделеева (1834—1907), который открыл закон периодической системы элементов и тем самым как бы раскрыл дверь в сокровенные тайны природы.
Советские ученые и инженеры неустанно работают над новыми теоретическими исследованиями, создают мощные электрические станции, конструируют сложные электромашины и радиоаппаратуру. Они успешно решают проблемы передачи электроэнергии на дальние и сверхдальние расстояния. Советские ученые работают и над основной проблемой современности — проблемой управления термоядерной реакцией и, следовательно, проблемой преобразования внутриядерной энергии в электрическую.
Выдающиеся работы в области электротехники советских ученых В. Ф. Миткевича (теория электромагнитных явлений), М. А. Шателена (энергетика и электрические измерения), М. П. Костенко (теория электрических машин), В. П. Вологдина (поверхностная закалка металлов), Е. О. Патона (автоматическая сварка под флюсом) и многих других получили мировую известность.
В нашей стране имеется своя, советская школа электротехников, занимающая ведущее место в мировой науке и продолжающая славные традиции первых русских ученых-электротехников. В частности, Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского, Московский энергетический институт и Ленинградский политехнический институт им. М. И. Калинина являются научными центрами по исследованию электромагнитных явлений.
* » *
Значение электрификации для построения коммунистического общества определил В. И. Ленин в своей знаменитой формуле «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны».
В 1920 г. по инициативе и под непосредственным руководством В. И. Ленина был разработан гениальный план электрификации советской России — ГОЭЛРО. По этому плану намечалось в течение 10—15 лет построить 30 районных электростанций общей мощностью в 1,7 миллиона киловатт и с годовой выработкой около 6 миллиардов киловатт-часов электрической энергии. Советский народ, руководимый Коммунистической партией, не только до
8
срочно выполнил, но и перевыполнил ленинский план электрификации России. В годы предвоенных и послевоенных пятилеток наша Родина добилась еще больших успехов в области электрификации страны. По выработке электроэнергии СССР вышел на второе место в мире. Электрическую энергию советские люди поставили на службу новому подъему экономического могущества своей Родины.
Советский народ—народ-творец, народ-созидатель — с огромным воодушевлением сооружает крупнейшие тепловые, гидравлические и атомные электростанции. Мощность современной атомной электростанции составляет в среднем 500 тыс. кет, тепловой электростанции — 2 млн. 500 тыс. кет и гидроэлектростанции — 5 млн. кет. Мощность современного электрического генератора, изготовляемого советской промышленностью, достигает 500 тыс кет и проектируется генератор на 900 тыс. кет. Создается единая энергетическая система страны.
Сооружение большого числа крупных электростанций позволит нашей стране создать мощную энергетическую базу для бурного развития всех отраслей народного хозяйства. Это будет новый крупный шаг вперед по пути к коммунизму.
На современном военном корабле электрическая энергия применяется весьма широко. Она используется для питания электромеханизмов и электросистем вооружения, гребной установки, корабельных систем и устройств, рулей, шпилей, кранов, вентиляции, приборов управления кораблем и стрельбой, а также для освещения различных бытовых устройств и приборов. Современный корабль не мыслим без электронавигационных приборов и радиопеленгаторов, гидроакустических устройств и радиолокационных станций, которые также используют электрическую энергию. Другими словами, большинство корабельных вспомогательных механизмов и систем специального назначения электрифицировано. Они приводятся в действие при помощи электрических машин или управляются и контролируются при помощи электрических аппаратов. Это объясняется тем, что электрические машины способны выдерживать значительные перегрузки и практически всегда готовы к действию, а электрическая энергия позволяет по существу автоматизировать все операции по управлению механизмами, повышая их быстродействие, надежность, точность, а также облегчает труд экипажа корабля.
9
Естественно, что на корабле любому специалисту в той или иной мере приходится иметь дело с электрическими машинами, приборами, аппаратами, поэтому знание электротехники является непременным условием грамотной эксплуатации корабельного электрооборудования. Настоящая книга поможет изучению и развитию практических навыков по эксплуатации современного электрооборудования.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЕГО СВОЙСТВА
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ •
Если стеклянную палочку потереть о кожу, а палочку из смолы потереть о мех, то они приобретают свойство притягивать легкие тела, например кусочки бумаги или пробки. Это свойство было обнаружено еще в древней Греции при натирании янтаря (вид затвердевшей смолы), а так как по-гречески янтарь называется электроном, то отсюда же произошли и термины электричество, электрические заряды.
Явление, при котором тела приобретают свойства притягивать другие тела, называется электризацией. Сами же тела в таких случаях называются наэлектризованными, обладающими некоторыми количествами электричества, т. е. электрическими зарядами. Такие тела называют также заряженными.
Взаимодействие заряженных тел можно наблюдать при помощи специального физического прибора — электроскопа (рис. 1,1). Этот прибор состоит из стеклянной банки, закрытой янтарной пробкой, и металлического стержня, пропущенного сквозь пробку. На верхнем конце стержня закреплен металлический шарик, а на нижнем — два тонких листа папиросной бумаги или станиоля. Если наэлектризованной стеклянной палочкой прикоснуться к металлическому шарику электроскопа, то бумажные листочки разойдутся. Если затем к этому же электроскопу прикоснуться наэлектризованной смоляной палочкой, то листочки опустятся.
Опыты с электризацией тел позволили установить следующие положения:
11
Рис. 1,1. Электроскоп чем сущность электризации
1) Существуют два вида электрических зарядов: заряды, которые приобретает стекло при натирании его о кожу, принято называть положительными, а заряды, которые приобретает смоляная палочка при натирании ее о мех, — отрицательными.
2) При электризации тел всегда одновременно возникают оба вида электрических зарядов и в равных количествах.
3) При соединении тел, обладающих равными электрическими зарядами по величине, но противоположными по знаку, они взаимно нейтрализуют друг друга.
4) Наэлектризованные тела взаимодействуют друг с другом, причем тела, обладающие одноименными зарядами, отталкиваются, а разноименными — притягиваются.
5) Электрические заряды могут переходить с одного тела на другое и перемещаться по некоторым телам, в частности, по металлу.
Откуда же появляются электрические заряды и что они представляют собой, в и почему до электризации
тело не проявляет электрических свойств во внешней среде? Ответ на это дает так называемая электронная теория строения вещества.
Согласно этой теории все физические тела состоят из простых веществ, называемых химическими элементами. В настоящее время известно более ста элементов, которые входят в периодическую систему элементов Менделеева.
Химические элементы состоят из мельчайших частиц — атомов, размеры которых измеряются стомиллионными долями сантиметра.
Долгое время считали атомы простейшими неделимыми частицами, пока наука не установила, что атом не простая частица, а чрезвычайно сложная система частиц, связанных между собой силами, которые обусловлены свойствами этих частиц, в том числе и электрическими 12
свойствами. В центре системы частиц, образующих атом, находится атомное ядро, вокруг которого по некоторым путям, называемым орбитами, движутся мельчайшие частицы вещества — электроны, обладающие отрицательными электрическими зарядами. Ядро в свою очередь состоит из частиц — протонов, которым присущи положительные электрические заряды, и незаряженных частиц, называемых поэтому нейтронами. Протоны и нейтроны, составляющие ядро, в противоположность электронам малоподвижны.
Рис. 1,2. Модели атомов водорода и гелия
На рис. 1,2 схематически показано строение атомов водорода и гелия. Это самые простые атомы, они имеют соответственно один и два электрона. Атомы других элементов имеют больше электронов; так, например, в атоме урана их 92. В атомах различных химических элементов все электроны одинаковы, а ядра отличаются как по размерам, так и по строению.
Установлено, что по величине заряд электрона равен заряду протона и при нормальном состоянии атома количество протонов равно количеству электронов, поэтому в электрическом отношении атом нейтрален. Но если от нейтрального атома каким-либо способом отнять хотя бы один электрон, то атом становится положительно заряженным, так как действие положительного протона уже не будет нейтрализовано действием электрона. Такой положительно заряженный атом называется положительным ионом. Наоборот, если атом получит лишний электрон, то он превращается в отрицательный ион. Заряженный атом, как и все заряженные тела, будет проявлять во внешней среде присущие ему электрические свойства.
Таким образом, наэлектризовать физическое тело — это значит создать в нем избыток или недостаток частиц с от
13
рицательными электрическими зарядами, т. е. создать избыток или недостаток электронов.
Когда натирают стеклянную палочку о кожу, то часть электронов со стекла переходит на кожу и стеклянная палочка заряжается положительным электричеством, т. е. имеет недостаток электронов. Когда натирают палочку из смолы о мех, то атомы смоляной палочки приобретают электроны от атомов меха и смоляная палочка заряжается отрицательным электричеством, т. е. имеет избыток электронов.
Таким образом, электрические заряды—это одно из свойств элементарных частиц вещества, количественно определяемое по их силовому взаимодействию. Другими словами, электрические заряды определяют основные физические свойства элементарных частиц вещества. Поэтому действие электрических зарядов наблюдается практически во всех явлениях природы и проявляется оно в виде электрических и магнитных явлений.
Электрические явления характеризуются взаимодействием электрически заряженных частиц на расстоянии, а магнитные явления — взаимодействием движущихся элементарных заряженных частиц. Причем около движущихся элементарных частиц одновременно наблюдаются как магнитные, так и электрические явления. Это означает, что электрические и магнитные явления неразрывны и представляют две стороны единого физического процесса — сложного электромагнитного явления.
Материальные заряженные частицы, очевидно, могут взаимодействовать между собой на расстоянии только в материальной среде, ибо там, где нет материи, не может быть и ее действия. Следовательно, в пространстве, окружающем заряженные частицы, имеется особая материальная среда, проявляющаяся в виде механического действия на другие заряженные частицы. Эта материальная среда, наблюдаемая около заряженных частиц и характеризующаяся возникновением механических сил, действующих на другие заряженные частицы, помещенные в эту среду, называется электромагнитным полем. Другими словами, электромагнитное поле есть особая форма существования материи, обладающая специфическими свойствами, в которой наблюдается действие заряженных частиц друг на друга При этом электромагнитное поле, подобно любому физическому телу, обладает энергией, массой, количеством движения и моментом количества движения.
14
§ 2, ЗАКОН КУЛОНА. СИСТЕМА ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ
Заряженные частицы, как указывалось выше, взаимодействуют между собой взаимно притягиваются или отталкиваются. Сила взаимодействия всегда направлена по прямой (рис. 1,3), а ее величина зависит от величины зарядов, расстояния между телами и от физических свойств разделяющей их среды. Эта зависимость для точечных заряженных тел * была установлена французским ученым Кулоном и называется законом Кулона. Последний формулируется так: сила взаимодействия между точечными заряженными телами прямо пропорциональна произведению величин их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Математически закон Кулона формулой:
г — £Г2 >
где F— сила взаимодействия точечных заряженных тел;
г — расстояние между точечными телами;
#1 и — величины зарядов точечных тел;
е — величина, учитывающая влияние среды на силу взаимодействия заряженных тел и называемая диэлектрической постоянной среды или ее диэлектрической проницаемостью.
Диэлектрическая проницаемость среды е выражается произведением двух сомножителей
е = eos„
где е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума;
ег — относительная диэлектрическая проницаемость среды, представляющая собой отвлеченное число, которое показывает, во сколько раз диэлектрическая проницаемость среды больше диэлектрической проницаемости вакуума.
* Точечным заряженным телом называется наэлектризованное тело, размеры которого весьма малы по сравнению с расстоянием от него до Точек, в которых рассматривается действие его электрической силы.
Рис. 1,3. Направление сил взаимодействия одноименных электрических зарядов
выражается следующей
15
Значения относительной диэлектрической проницаемости некоторых материалов таковы: вакуума ег=1, керосина ег =24-2,2, дерева ег =4,5 4-5,0, дистиллированной воды ег = 81, бумаги ег =3,04-3,5, воздуха (при атмосферном давлении) ег =1,00059, т. е. практически егвоэл = 1.
Для измерения величин, входящих в формулу (1,1), и других электрических и магнитных величин в настоящее время принята так называемая абсолютная практическая электромагнитная система единиц измерения. В этой системе в качестве основных единиц приняты следующие: 1 метр — единица длины; 1 килограмм — единица массы; 1 секунда—единица времени; 1 ампер — единица величины электрического тока. В соответствии с этим абсолютная практическая электромагнитная система единиц измерения сокращенно обозначается МКСА, где М обозначает метр, К — килограмм, С — секунду, А — ампер. Все другие единицы измерения являются производными от основных единиц системы.
Система единиц МКСА применяется в двух формах: не-рационализованной и рационализованной. Отличаются эти формы наличием или отсутствием коэффициента 4л в выражениях, относящихся к случаям, в которых имеется сферическая симметрия. В настоящей книге все величины будут выражаться в рационализованной системе МКСА.
Определение каждой единицы измерения будет даваться по ходу изложения материала. Здесь же укажем, что в системе МКСА за единицу измерения количества электричества (электрического заряда) принят кулон, равный 6,29 • 1018 зарядам электрона. Диэлектрическая постоянная ео в системе МКСА равна
1
ео = д- о in» ~ * * * * * * * 8 *>85 •10 '2 КУЛ0Н
0 4it-9-10s вольт, метр
Следует отметить, что для электрических и магнитных измерений допускается также применение абсолютной си-
стемы СГС, основными единицами которой являются сантиметр, грамм, секунда. Поэтому некоторые величины бу-
дут даны в единицах и этой системы.
§ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Электрическое поле — это форма существования мате-
рии— одна из сторон электромагнитного поля. Оно соз-
дается электрическими зарядами и может быть в любом
веществе. Естественно, что электрическое поле обладает
16
вполне определенным запасом электрической энергии, величина которой зависит от количества электрических зарядов, создающих это поле, от их взаимного расположения и от свойств того вещества, в котором оно создано. Эта энергия поля называется потенциальной электрической энергией. Следовательно, электрическое поле может совершать ту или иную работу, в частности перемещать заряженные элементарные частицы.
Электрическое поле, создаваемое вокруг неподвижных заряженных частиц, называется электростатическим, а учение о таком поле — электростатикой.
Основной характеристикой электрического поля являются те электрические силы, которые действуют в разных его точках. Эти силы обычно определяют при помощи положительного заряда точечного тела. Такой заряд помещают в различные точки поля и определяют действующие на него силы. Найденную силу F делят на величину заряда q и получают новую физическую величину, которая называется напряженностью электрического поля.
Таким образом, напряженностью электрического поля в данной точке называется сила, приходящаяся на единицу электрического заряда тела, помещенного в данную точку поля.
Напряженность поля обозначается буквой Е и выражается формулой
Наименования для единицы напряженности поля не существует, но в системе МКСА ее можно написать так:
г, ед. силы 1 ньютон , ед. Е — - — — ,-------— нк.
ед. заряда 1 кулон '
Исходя из того, что единица силы равна отношению работы в 1 джоуль к единице пути в 1 метр, можно определить единицу напряженности электрического поля
------ед. работы----- 1 джоуль----= j
ед. длины X ед. заряда 1 метр X 1 кулон
Ниже ознакомимся с электрическим напряжением, единицей которого служит 1 называемая вольтом (в); поэтому, учтя сказанное, получим
__ ед. Напряжения __ 1 вольт _,
еД' ед. длины 1 метр ‘ '
2—2107
17
i
I
I
Электрическое поле, создаваемое точечным зарядом, равномерно распространяется по всем направлениям среды, подобно распространению света от точечнбго источника. Напряженность этого поля определяется формулой
£= .- д 2 . (1,2)
4ге0егг2 ' '
Пример. Определить напряженность электрического поля в воздухе при er = 1, создаваемого телом с зарядом </= 5. 10-8 к на расстоянии 0,5 м от тела.
Решение. Пользуясь фомулой (1,2), находим
р q _________ 5-10~8 __icon /
С “ 4 т:е0ег/-2 ~' 12^Д85-10~12-0,52 — 1бии в'М-
За направление действия электрической силы или, как говорят, за направление поля принято направление движения положительно заряженной частицы, внесенной в это поле. Картину электрического поля можно увидеть при помощи кристалликов гипса, насыпанных на стекло вокруг кружка из жести. Если этот кружок наэлектризовать, т. е. создать вокруг него электрическое поле, то кристаллики в каждой точке поля расположатся по направлению действия сил поля.
Для наглядности электрическое поле изображают в виде линий и называют их линиями напряженности электрического поля или силовыми линиями поля. Силовые линии выходят из положительно заряженного тела перпендикулярно к его поверхности, а входят в отрицательно заряженное тело. Картина электрического поля двух заряженных тел, имеющих одноименные заряды, показана на рис. 1,4, а. Здесь силовые линии как бы отталкиваются одна от другой. При разноименных зарядах (рис. 1,4,6) силовые линии как бы притягиваются.
Электрическое поле называется однородным, если напряженность во всех его точках одинакова по величине и направлению, и неоднородным, если напряженность в различных точках поля различна. Поле между двумя большими параллельными разноименно заряженными металлическими пластинами может быть примером однородного поля, а поле заряженных точечных тел—примером неоднородного поля (рис. 1,4).
Другими важными величинами, характеризующими электрическое поле, являются потенциал и электрическое напряжение. Рассмотрим эти величины.
18
Под потенциалом электрического поля понимают физическую величину, характеризующую потенциальную энергию в отдельных точках поля. При этом считается, что за пределами поля, т. е. в бесконечности, указанная величина равна нулю. Другими словами, потенциал — это величина запаса потенциальной энергии поля, которую может иметь заряженная частица в какой-либо точке поля.
Рис. 1,4. Электрическое поле двух зарядов: а — одноименных; б — разноименных
Потенциал электрического поля в какой-либо его точке численно измеряется работой, которую совершают силы поля при перемещении частицы с зарядом, равным единице, по любому пути из данной точки поля за его пределы.
Потенциал обозначается буквой V и согласно определению выражается формулой
V = ~. q
Потенциал электрического поля может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Когда поле создается положительно заряженной частицей — потенциал положительный и, наоборот, когда поле создается отрицательно заряженной частицей — потенциал отрицательный. В первом случае при переносе положительно заряженной частицы из данной точки поля за его пределы работу совершают силы поля за счет убыли энергии поля, а во втором случае — внешние силы, работа которых идет на увеличение энергии поля. Характер и направление движения
2*
19
заряженных частиц в поле определяются соотношением внешних сил и сил поля /
В системе МКСА потенциал измеряется в вольтах (в, V). Вольт — это такой потенциал, при котором силы поля, перенося один кулон электричества из одной точки поля за его пределы, совершают работу, равную одному джоулю.
„ ж/ ед. работы 1 джоуль ,
Р ГГ |/ -- ' ** *• - . I о
ед. заряда 1 кулон
поля равным нулю, измерить
Рис. 1,5. Перемещение зарядов в электрическом поле
Абсолютное значение потенциала измерить нельзя. Можно измерить лишь разность потенциалов двух точек поля или, условно приняв потенциал какой-либо точки потенциал относительно этой точки. Потенциал отдельной точки измеряется относительно земли, потенциал которой принято считать равным нулю.
Разность потенциалов двух точек поля (рис. 1,5) называется электрическим напряжением между этими точками электрического поля, т. е.
U ав — ^а — ^в-
Поскольку потенциал каждой точки поля характеризуется работой,то, естественно, и напряжение чис
ленно определяется величиной работы, совершаемой силами поля при переносе заряженной частицы из одной точки поля в другую. Отношение этой работы к величине, заряда частицы и представляет собой электрическое напряжение между данными точками поля. Если работу, совершаемую силами поля, обозначить через А и заряд через <?, то напряжение U определится формулой
Л
9
Таким образом, напряжение между двумя точками электрического поля численно измеряется работой, совер-20
шаемой силами поля при перемещении частицы с зарядом, равным единице, из одной точки поля в другую.
Напряжение так же, как и потенциал, измеряется в вольтах. Напряжение между двумя точками поля равно одному вольту, если при переносе одного кулона электри честна из одной точки в другую силы поля совершают работу, равную одному джоулю. Применяются и другие единицы измерения напряжения (табл. 1,1),
Таблица 1,1
Единицы измерения напряжения в системе МКСА
Наименование величины и ее обозначение Наименование единиц Обозначение Соотношение с основной единицей
русское международное
Напряжение U ВОЛЬТ в V —
киловольт Кв kV 1000 в
милливольт МВ mV 0,001 в
микровольт МКВ pV 0,000001 в
Таким образом, напряжение между двумя точками поля и разность потенциалов между этими же точками представляют собой одну и ту же физическую величину. Однако следует иметь в виду, что при одном и том же напряжении между двумя точками потенциалы этих точек могут иметь разные значения.
§ 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
При работе с электроскопом было видно, что электричество перемещается по металлическому стержню. С металлического же стержня оно никуда не уходит, т. е. по янтарю оно не перемещается. Это говорит о том, что не все тела одинаково проводят электричество.
Тела, хорошо проводящие электричество, называются проводниками, а тела, плохо проводящие электричество, — изоляторами или диэлектриками. Существует и промежуточная группа тел, называемых полупроводниками, обладающих слабой способностью проводить электричество. Проводники в свою очередь делятся на проводники первого рода и проводники второго рода. Проводниками пер вого рода являются металлы и их сплавы, а проводниками второго рода — водные растворы кислот, солей и щелочей,
21
а также сильно разреженные газы. К диэлектрикам относятся резина, стекло, слюда, фарфор, шеллак, смола, химически чистая вода, чистый сухой воздух и другие газы, если они не сильно разрежены, и многие другие материалы.
Физическая сущность этих явлений заключается в следующем. В диэлектриках все электроны прочно удерживаются ядрами атомов. В проводниках же, например в металлах, кроме электронов, прочно связанных с ядрами атомов, существуют электроны, слабо связанные с ядрами. Эти электроны наиболее удалены от ядер и под действием электрического поля соседних ядер отрываются, переходя с внешних орбит одних атомов к другим, при этом они свободно или почти свободно перемещаются по проводнику. Такие электроны называются свободными электронами.
Движение свободных электронов в проводнике происходит беспорядочно, и скорость их движения определяется тепловым состоянием проводника. Но если на проводник подействовать силами внешнего электрического поля, создав на его концах разность потенциалов, то под действием этих сил движение электронов будет упорядочено, т. е. направлено в одну сторону. Такое движение свободных электронов в металлическом проводнике называется электронным током, а способность проводника проводить электронный ток — электронной проводимостью.
В проводниках второго рода имеет место ионный ток, который возникает также под влиянием сил электрического поля. Этот ток представляет собой направленное движение положительных и отрицательных ионов. Способность же проводников проводить ионный ток называется ионной проводимостью.
В диэлектриках имеет место так называемый ток смещения, который возникает в результате смещения электронов в атомах под действием сил внешнего электрического поля. В вакууме ток создается потоком электронов, вылетающих с поверхности металлического проводника, а в разреженных газах — потоком электронов и ионов. В обоих случаях направленное движение электронов и ионов также происходит под влиянием внешнего электрического поля.
Таким образом, электрический ток в проводящих средах есть направленное движение потока свободных заряженных частиц под действием сил внешнего электрического поля.
22
Направленное движение свободных электронов можно получить, соединив, например, один конец металлической проволоки с металлическим шаром, заряженным отрицательно, а другой — с шаром, заряженным положительно (рис. 1,6). Электроны, имеющиеся в избытке на отрицательно заряженном шаре, направляются к положительно заряженному шару с недостатком электронов, т. е. по проволоке пройдет электрический ток. Он будет течь до тех пор, пока разность потенциалов между разноименно заря
женными шарами не станет равной нулю. В нашем примере это произойдет почти мгновенно. Если же разность потенциалов между этими шарами поддерживать постоянно, то по проволоке будет идти электрический ток постоянный по
величине и направлению
Условно за направление
электрического тока принято считать направление, обратное движению свободных электронов, т. е. направление тока от плюса к минусу. Скорость же распространения электрического тока по распространения света, т. е.
Рис. 1,6. Направление движения электронов
проводникам равна скорости 300000 км/сек. Эту скорость
нельзя смешивать со скоростью поступательного движения
электронов при электрическом токе, которая равна всего нескольким миллиметрам в секунду.
Для получения электрического тока существуют специальные устройства, которые непрерывно поддерживают разность потенциалов на концах проводника. Эти устройства обычно называются источниками тока или источниками электрической энергии. Основными источниками тока, с которыми подробно ознакомимся в последующих разделах, являются:
1. Механические источники электрического тока— электрические генераторы, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую.
2. Химические источники электрической энергии — гальванические элементы и аккумуляторы. В них химическая энергия преобразуется в электрическую.
23
3. Тепловые источники электроэнергии — термоэлементы, в которых тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию.
В настоящее время также находят применение лучистые и атомные источники электрической энергии. В первых в электрическую энергию преобразуется световая, а во вторых — ядерная энергия.
Независимо от того, по какому принципу работает тот или иной источник электрического тока, в каждом из них происходит процесс разделения электрических зарядов физических тел и вместе с тем процесс преобразования какого-либо вида энергии в электрическую.
§ 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ
Совокупность устройств, образующих путь для электрического тока, называется электрической цепью. Она состоит из трех основных элементов: источника электрического
Рис. 1,7. Электрическая цепь и ее схема
тока, системы соединительных проводов и вспомогательных приборов (выключателей и т. п.) и потребителя электрической энергии. Для измерения величин, характеризующих электрический ток, в цепь включаются измерительные приборы, в частности амперметры — для измерения тока, вольтметры — для измерения напряжения.
На рис. 1,7 показана простейшая электрическая цепь и ее условное изображение на чертеже, называемом электрической схемой. В эту цепь входят: аккумуляторная батарея, лампа накаливания, провода, амперметр и выключатель. Последний служит для замыкания и размыкания
24
цепи. Электрический ток может возникнуть только в замкнутой электрической цепи.
Электрическая цепь делится на внутреннюю цепь, идущую внутри самого источника тока, и внешнюю цепь, идущую от одного зажима источника тока через потребитель к другому зажиму источника, т. е. находящуюся вне пределов источника электрического тока.
ГЛАВА 2
ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ток
§ 1. ВЕЛИЧИНА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Постоянным электрическим током называется ток, постоянный по величине и направлению.
Для количественной оценки электрического тока, протекающего по проводнику, применяется термин величина тока или просто ток. Кроме того, иногда применяется термин сила тока. Эти термины характеризуют основную физическую величину электрического тока.
Величиной тока называется количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в одну секунду.
Величина постоянного тока обозначается буквой / и определяется формулой
'=Д.
где q—количество электричества, проходящего по проводнику;
t— время прохождения данного количества электричества.
В системе МКСА ток измеряется в амперах (а, Л). Ампер — это такая величина тока, при которой через поперечное сечение проводника проходит один кулон электричества в секунду.
у____ ед. количества электричества __ 1 кулон ____
ед. времени 1 секунда й‘
В табл. 2,1 приведены единицы измерения тока с указанием их обозначений и соотношение их с основной единицей.
26
Таблица 2,1
Единицы измерения тока в системе МКСА
Наименование Наименование Обозначение Соотношение
величины и ее
обозначение единиц русское международное единицей
Ток 1 ампер а А —
миллиампер ма mA 0,001 а
микроампер мка р.А 0,000001 а
Отношение тока к площади поперечного сечения проводника называется плотностью тока, т. е.
где / — величина проходящего по проводнику тока, а;
S — площадь поперечного сечения проводника, м2 ИЛИ ММ2',
8 — плотность тока, измеряемая в а/мм2 или в а/м2 — в системе МКСЛ.
При определении плотности тока считают, что ток равномерно распределяется по сечению проводника.
§ 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Всякий проводник, по которому проходит электрический ток, оказывает ему вполне определенное сопротивление. Свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением проводника или сокращенно сопротивлением.
Физическая сущность сопротивления металлических проводников заключается в следующем. Свободные электроны при движении по проводнику на своем пути встречаются с другими свободными электронами и электронами, входящими в систему атомов, и отталкиваются от них. Вследствие этого они непрерывно меняют направление своего движения и как бы проталкиваются сквозь решетку из бесчисленного количества атомов и электронов. При таком движении свободные электроны неизбежно теряют часть своей энергии. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.
27
Сопротивление обозначается буквой г и в системе единиц МКСА измеряется в омах. Ом — сопротивление проводника, в котором при напряжении на его концах, равном одному вольту, устанавливается ток, равный одному амперу:
ед. напряжения 1 вольт ,
ед. г = ——------------ = ------= 1 ом.
ед. тока 1 ампер
В табл. 2,2 приведены единицы измерения сопротивления, их условные обозначения и соотношения их с основной единицей.
Таблица 2,2
Единицы измерения сопротивлений в системе МКСА
Наименование величины и ее обозначение Наименование единил Обозначение Соотношение с основной единицей
русское международное
Сопротивле- ОМ ОМ Q
ние г КИЛООМ ком kQ 1000 ом
мегом Моя MQ 1000000 ом
Опытом установлено, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения, что математически выражается следующей формулой:
г = (2Л)
где г — сопротивление проводника, ом\
I —длина проводника, м;
S — площадь поперечного сечения проводника, лш2;
р — коэффициент, характеризующий свойства материала проводника и называемый удельным сопротивлением.
Единица измерения удельного сопротивления выводится из формулы (2,1), т. е.
ед. г-ед. 6' 1 ом-1 мм2 , ом-мм2
ед- Р = —^77--=---------= 1 —7Г~
Таким образом, удельным сопротивлением материала называется сопротивление проводника из этого материала длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм- при температуре 20е С.
28
В табл. 2,3 приведены величины удельных сопротивлений некоторых металлических проводников.
Таблица 2,3
Удельное сопротивление металлов при 20 °C
Наименование материала Удельное сопротивление, ОМ ‘ ммг[м Наименование материала Удельное сопротивление, ом - ммг!м
Медь 0,0175 Вольфрам 0,053
Сталь 0,120 Нейзильбер .... 0,3—0,44
Серебро 0,016 Константан .... 0,50
Алюминий 0 0289 Манганин 0,43
Цинк 0,055 Молибден 0,50
Ртуть 0,958 Никелин 0,42
Свинец 0,222 Нихром 1,1
Установлено, что сопротивление всех металлических проводников с увеличением температуры увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Сопротивление проводников из таких металлов, как нихром, константан, и других, представляющих собой сплавы, с увеличением температуры почти не меняется. Величина сопротивления проводников при изменении температуры от t0 до t определяется по формуле
rz = r [1 + <»(/—4)1,
где rt — сопротивление при конечной температуре t, ом; г — сопротивление при начальной температуре t0, ом; а — температурный коэффициент, учитывающий изменение сопротивления проводников с изменением их температуры; так, например, для меди и алюминия температурный коэффициент равен 0,004, нихрома — 0,0001, манганина — 0,000015 и угля — 0,0005.
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью. Проводимость обозначается буквой g и выражается формулой
1
За единицу проводимости принята проводимость про-. 1 1
водника сопротивлением 1 ом, т. е. ед. g= ед г = Л ом • Эта единица не имеет специального названия.
29
Рис. 2,1. Изделия из сопротивлений:
а — реостат и его схема; б — рычажный магазин; в — проволочные сопротивления: г — непроволочные сопротивления
На практике находят широкое применение различные изделия из проводников с большим сопротивлением, в частности реостаты, магазины сопротивлений и различные проволочные и непроволочные сопротивления. На рис. 2,1 приведены проволочный реостат и его условное обозначение, рычажный магазин сопротивлений и некоторые типы постоянных проволочных и непроволочных сопротивлений. На всех постоянных сопротивлениях указывается величина сопротивления непосредственно в омах (мегомах) или при помощи условных цветных обозначений.
§ 3. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА И НАПРЯЖЕНИЕ ИСТОЧНИКА ТОКА
Электрический ток в проводнике, как указывалось ранее, возникает под влиянием сил внешнего электрического поля при наличии на концах проводника разности потенциалов. Для создания этой разности потенциалов и, следовательно, для получения тока применяются источники 30
электрической энергии. В каждом источнике разность потенциалов создается и поддерживается за счет работы, совершаемой источником по преобразованию какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
Величина, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе частицы с зарядом, равным единице, по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой. Она равна разности потенциалов на зажимах незамкнутого источника.
Электродвижущая сила, или сокращенно, э д. с., обозначается буквой Е и согласно определению выражается формулой
Е=~ = V —V q т т
где Лв— работа, совершаемая силами внешнего электрического поля. т. е. поля, создаваемого источником электрической энергии;
q — величина заряда переносимой частицы;
Vm— Vn— разность потенциалов на зажимах незамкнутого источника.
Другими словами, электродвижущая сила является той причиной, которая вызывает и поддерживает электрический ток в цепи. Природа же э. д. с. в зависимости от типа источника тока может быть электрохимической, электромагнитной, электротермической или другого характера.
Действительно, если в раствор серной кислоты опустить две металлические пластинки (рис. 2,2), например цинко-
Рнс. 2,2. Источник электродвижущей силы
31
вую и медную, то между ними создастся электродвижущая сила. Сущность этого явления такова. В растворе молекулы серной кислоты под влиянием электролитической диссоциации * распадаются на положительные и отрицатель
ные ионы, а цинковая пластина, частично растворяясь под
действием химических сил, выделяет в раствор положительные ионы. Послед
Рис. 2,3. К понятию об электродвижущей силе
ние, соединяясь с отрицательными ионами кислоты,образуют нейтральные молекулы. В результате этого цинковая пластина, имея избыток отрицательных зарядов, заряжается отрицательно, а раствор, имея избыток положительных зарядов, — положительно. Между цинковой пластиной и раствором возникает электрическое поле и создается разность потенциалов. Медная же пластина, практически не раство
ряясь, заряжается од ноименно с раствором и принимает его потенциал. Таким образом, между пластинами устанавливается разность потенциалов, или электродвижущая сила источника.
Электродвижущую силу можно уподобить разности уровней воды в сообщающихся сосудах А и В (рис. 2,3), а химическое взаимодействие между пластинами и раствором кислоты — насосу Н, поддерживающему разность уровней неизменной. Кран К подобен выключателю Р в электрической цепи (см. рис. 2,4), а трубка Т—проводнику. Движение воды происходит вследствие разности уров ней ее в сосудах, а движение электрических зарядов, т. е. тока — благодаря наличию электродвижущей силы.
Единицей измерения э. д. с. является вольт. Э. д. с. источника тока равна одному вольту, если при переносе од
* Под электролитической диссопиапией понимается процесс распадения молекул на ионы при растворении вещества в воде.
32
ного кулона электричества по замкнутой цепи источник совершает работу, равную одному джоулю.
Когда электрическая цепь замкнута (рис. 2,2) и в ней течет ток, тогда вся э. д. с. источника расходуется в цепи, причем часть э. д. с. затрачивается внутри источника и часть—во внешней цепи. Та часть э. д. с., которая тратится внутри источника тока, называется внутренним падением напряжения и обозначается буквой Uo. Другая же часть, расходуемая во внешней цепи, называется внешним напряжением или напряжением источника и обозначается U. Следовательно, можно написать
U = E — U0.
Отсюда следует, что напряжение на зажимах источника меньше его э. д. с. на величину внутреннего падения напряжения; в частном случае, когда цепь разомкнута, напряжение на зажимах источника равно его э. д. с. Таким образом, э. д. с. и напряжение по своей природе представляет одну и ту же физическую величину.
§ 4. ЗАКОН ОМА
Электродвижущая сила источника электрической энергии, являясь причиной возникновения тока в замкнутой цепи, не определяет еще “ —
в цепи, помимо э. д. с. источника, зависит и от сопротивления цепи. Зависимость между током, э. д. с. источника и полным сопротивлением цепи была установлена немецким ученым Омом в 1827 г. и названа законом Ома.
Закон Ома для всей цепи (рис. 2,4) формулируется следующим образом: ток в замкнутой цепи прямо пропорционален электродвижущей силе источника электрической энергии и обратно пропорционален сопротивлению всей цепи.
его величины в этой цепи. Ток
Рис. 2,4. Цепь для проверки закона Ома
3—2107
33
Математически закон Ома для всей цепи вЫражаетсй в виде следующей формулы:
где I — ток в замкнутой цепи, а;
Е—э. д. с. источника электроэнергии, в;
г0, ri> ''—соответственно внутреннее, внешнее и полное сопротивления цепи, ом.
Закон Ома справедлив не только для всей цепи, но и для любого ее участка в отдельности, и в частности для внутренней и внешней цепей. Для участка цепи (например, АгВ, рис. 2,4) закон Ома формулируется так: ток прямо пропорционален напряжению на зажимах участка и обратно пропорционален его сопротивлению.
В этом случае формула закона Ома имеет следующий вид:
где 1— ток, проходящий по участку цепи, ст,
U—напряжение на зажимах участка цепи, в;
гх — сопротивление участка цепи, ом.
Из формулы закона Ома можно вывести важные соотношения:
1. Э. д. с. источника электроэнергии численно равна произведению тока в цепи на полное сопротивление цепи, т. е.
Е = 1г.
2. Полное сопротивление цепи численно равно частному от деления э. д. с. источника электроэнергии на ток в цепи, т. е.
3. Напряжение на зажимах участка цепи численно равняется произведению тока, проходящего по участку, на сопротивление этого участка, т. е.
Z/ = Zry.
Это произведение обычно называется падением напряжения.
4. Сопротивление участка цепи численно равно част
34
ному от деления напряжения на зажимах участка на ток в нем, т. е.
5. Электродвижущая сила источника электроэнергии равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т. е.
E = U±Ir0.
Отсюда следует, что напряжение на зажимах источника равно разности между э. д. с. и падением напряжения внутри самого источника.
Из закона Ома следует, что при неизменном сопротивлении цепи и при увеличении э. д. с. источника ток в цепи будет увеличиваться, а при уменьшении — уменьшаться. Если же э. д. с. источника неизменна, а сопротивление цепи меняется, то ток в цепи будет также меняться. Действительно, при бесконечно большом сопротивлении цепи, что равносильно разрыву цепи, тока в цепи не будет. Наоборот, при замыкании источника на малое сопротивление (практически на внутреннее сопротивление источника) в цепи возникнет ток большой величины. Такое замыкание источника, при котором сопротивление внешней цепи равно нулю или близко к нулю, называется коротким замыканием цепи. Токи, которые возникают при коротких замыканиях, называются токами короткого замыкания.
§ 5. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИИ
При рассмотрении способа соединений сопротивлений обычно имеют в виду и способы соединения потребителей электроэнергии, так как всякий потребитель, включенный в электрическую цепь, представляет собой вполне определенное сопротивление электрическому току.
Сопротивления в электрической цепи соединяются тремя способами: последовательно, параллельно и смешанно.
Последовательное соединение сопротивлений
Если несколько сопротивлений соединены между собой так, что конец первого сопротивления соединяется с началом второго, конец второго сопротивления — с началом
3*
35
третьего и т. д., то такое соединение называется последовательным. Пример подобного соединения представлен на рис. 2,5, где изображено последовательное соединение трех ламп накаливания.
При последовательном соединении сопротивлений имеют место следующие соотношения:
Рис. 2,5. Последовательное соединение сопротивлений
1. Электрический ток нигде не ответвляется, поэтому величина его на всех участках цепи независимо от величины их сопротивлений устанавливается одинаковой, т. е.
71 = 72 = 73 = ... = 7,
где 71( 7г, 73,... — токи в отдельных участках цепи;
7 — ток во всей цепи.
2. Электрический ток проходит последовательно через все сопротивления, поэтому общее сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков, т. е.
г = Г1 + /'г + ''з + --. + ''л,
где гь r2, rs,..гп — сопротивления отдельных участков цепи.
3. Падения напряжений на отдельных участках цепи пропорциональны их сопротивлениям, т. е. I7i=7rb U2= 36
—Ir2, V3 = Ir3 и т. д., а общее напряжение на зажимах всей цепи' равно сумме падений напряжений на отдельных ее участках, т. е.
U—Ui + и2 . + ип •
Особенностью последовательного соединения сопротивлений является то, что при выключении одного сопротивления вся цепь обесточивается. Увеличение одного сопротивления вызывает уменьшение напряжения на других. Поэтому последовательное соединение применяется в тех случаях, когда на зажимы потребителя требуется подать напряжение меньше, чем напряжение сети, или когда в цепи надо ограничить величину тока.
Параллельное соединение сопротивлений
Параллельным соединением сопротивлений называется такое их соединение, при котором начала всех сопротивлений присоединяются к одной точке цепи, а концы их — к другой. Такое соединение показано на рис. 2,6, где параллельно соединены три электрические лампы. Точки соединения сопротивлений называются узлами или точками разветвления (А и В), а участки цепи, соединяющие два узла, — ветвями соединения.
При параллельном соединении имеют место следующие соотношения:
1. Напряжения на зажимах параллельно соединенных сопротивлений одинаковы и равны напряжению на зажимах источника электроэнергии, т. е.
С/1==и2 = и<, = ... = и,
Рис. 2,6. Параллельное соединение сопротивлений
37
где Ub иг, Us... — напряжения на отдельных сопротивлениях;
U — напряжение на зажимах источника тока.
2. Токи в параллельно соединенных сопротивлениях неодинаковы, они зависят от величины сопротивлений и определяются по закону Ома:
1^-1^-Ц =
1 rt ’ “ г2 ’ s rs •
т. е. токи в параллельных ветвях цепи распределяются обратно пропорционально сопротивлениям этих ветвей. Иными словами, чем меньше сопротивление ветви, тем больший ток потечет по ней, и, наоборот, чем больше сопротивление ветви, тем меньший ток потечет по ней.
3. При параллельном соединении общая проводимость цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей, т. е.
где g— общая проводимость цепи; г — общее сопротивление цепи;
ri> г2> гз> • • • — сопротивления участков цепи.
Отсюда, общее сопротивление цепи всегда меньше самого малого сопротивления, включенного параллельно в цепь, и с увеличением числа параллельно соединенных сопротивлений общее сопротивление цепи уменьшается.
Чтобы определить общее сопротивление цепи, состоящей из нескольких соединенных параллельно сопротивлений, необходимо сначала определить их общую проводимость, а затем найти общее сопротивление по формуле
Если несколько параллельно соединенных сопротивлений одинаковы, то общее сопротивление их равно одному из этих сопротивлений, разделенному на число сопротивлений:
г
Г1 п 1
где г, — величина одного из соединенных сопротивлений; п — число всех параллельно соединенных сопротивлений.
33
При параллельном соединении потребителей электроэнергии все они находятся под одним и тем же напряжением и режим работы каждого из них не зависит от остальных. Поэтому потребители, как правило, включаются в цепь параллельно.
Смешанное соединение сопротивлений
Смешанным соединением сопротивлений называется такое их соединение, при котором одна часть из них соединена параллельно, а другая — последовательно. На рис. 2,7 представлен пример подобного соединения. Здесь
Рис. 2,7 Смешанное соединение сопротивлений
имеются два последовательно соединенных участка цепи: участок АБ, состоящий из сопротивления rt, и участок БВ, состоящий из трех параллельно соединенных сопротивлений г2, г3, г4.
Для того чтобы найти сопротивление данной цепи, необходимо определить эквивалентное сопротивление участка БВ. Находим проводимость этого участка
Сопротивление участка БВ будет
Гбв ~ ‘
Общее сопротивление всего участка смешанного соединения выразится формулой
ГАВ=ГБВ +Г1‘
39
§ 6. ЗАКОНЫ КИРХГОФА
Исследуя электрические цепи с параллельным соединением сопротивлений, немецкий ученый Кирхгоф установил для этих цепей зависимость между токами и зависимость между электродвижущими силами и падениями напряжений. Найденные зависимости получили название законов Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа
В цепи, имеющей параллельные ветви (см. рис. 2,7), электрический ток, как уже отмечалось выше, идет по нескольким путям. Очевидно, что количество электричества, притекающего ежесекундно к любой точке разветвления, должно быть равно количеству электричества, утекающего от нее, так как электричество при своем движении по проводам нигде не накапливается и не теряется. Следовательно, ток, притекающий, например, к точке Б, должен равняться сумме токов, утекающих от нее по ветвям. Таким образом, для цепи, изображенной на рис. 2,7, можно написать
4=4 + 4 + 4>
Это равенство является математическим выражением первого закона Кирхгофа, который в общем случае формулируется так: сумма токов, притекающих к любой точке разветвления, равна сумме токов, утекающих от этой точки.
Для общего случая первый закон Кирхгофа выражается следующей формулой:
4 + 4 + 4 + ••• + 4 = 4 + 4 + 4+ ••• + ?т,
где 4> 4,... /„ — токи, притекающие к точке разветвления;
4, 4» • • • > 1т — токи, утекающие от точки разветвления.
Второй закон Кирхгофа
В электротехнике, кроме простых электрических цепей, встречаются сложные цепи, которые могут состоять из ряда сопротивлений и источников тока, соединенных между собой различными способами. В каждой сложной цепи имеются два или несколько замкнутых на себя участка цепи, или замкнутых контура. Так, например, электриче-40
Ская цепь, изображенная на рис. 2,8, имеет три замкнутых контура.
В каждом из этих контуров между э. д. с. и падениями напряжения на отдельных участках контура существует вполне определенная зависимость, которая может быть сформулирована так: во всяком замкнутом контуре алгебраическая сумма электродвижу-
Рис. 2,8. Цепь для проверки второго закона Кирхгофа
щих сил равна алге-
браической сумме падений напряжений на отдельных
участках этого контура.
Математически эта зависимость, называемая вторым законом Кирхгофа, выражается следующей формулой:
S£=S7r,
где — алгебраическая сумма э. д. с., действующих в рассматриваемом контуре; если э. д. с. в контуре не действуют, то сумма превращается в нуль;
S/r—алгебраическая сумма падений напряжений на отдельных участках того же контура.
Для определения знаков слагаемых необходимо обойти замкнутый контур в каком-либо направлении. Токи и э. д. с., совпадающие с направлением обхода, взять с одним знаком (например, +), а токи и э. д. с., имеющие направление, противоположное направлению обхода, взять с противоположным знаком (—). Обход контура обычно делают в истинном направлении э. д. с. В соответствии с этим нетрудно написать равенство для всех трех контуров сложной цепи (см. рис. 2,8).
В контуре абде, совершая обход по часовой стрелке, получим
= +v3.
41
В контуре бвгд, совершая обход против часовой стрелки, получим
^•2 — ?2Г2 “Ь ^3Г3 •
В контуре авге, совершая обход по часовой стрелке, получим
Ei + (— = Лгх + (— Z2r2).
Таким образом, применяя закон Ома и законы Кирхгофа к любой сложной цепи постоянного тока, можно найти все необходимые ее величины.
§ 7. ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Электрический ток, проходя по проводнику, преодолевает некоторое сопротивление. На преодоление этого сопротивления расходуется часть энергии источника тока, которая, превращаясь в тепловую энергию, нагревает проводник.
Русский ученый Э. X. Ленц и английский ученый Джоуль, изучая тепловое действие электрического тока, установили зависимость между количеством тепла, выделяемого током в проводнике, величиной этого тока и сопротивлением проводника.
Эта зависимость, называемая законом Джоуля—Ленца, состоит в том, что количество тепла, выделенного электрическим током в проводнике, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого проходит ток по проводнику.
Закон Джоуля — Ленца математически выражается следующей формулой:
Q = 0,24 l2rt,
где Q—количество тепла, кал;
I — величина электрического тока, а;
г — сопротивление проводника, ом;
0,24—коэффициент, показывающий количество тепла в малых калориях, выделенного в одну секунду в проводнике с сопротивлением в 1 ом при токе в 1 а; этот коэффициент называется тепловым эквивалентом электроэнергии.
42
Современная техника очень широко использует тепловое действие электрического тока. Примерами такого использования, в частности, являются электрические лампы накаливания, плавкие предохранители и тепловые измерительные приборы. Кроме того, широкое применение находят электрические нагревательные приборы.
§ 8. РАБОТА И МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Электрический ток, проходя по проводникам, совершает вполне определенную работу, при этом источник тока затрачивает электрическую энергию, которая превращается в какой-либо другой вид энергии — тепловую, световую, механическую и т. д. Работа, совершаемая электрическим током в цепи при переносе единицы количества электричества, численно равна падению напряжения в цепи или просто напряжению на зажимах цепи. Следовательно, если при напряжении V вольт на зажимах цепи через проводники цепи пройдет количество электричества Q кулонов, то работа А электрического тока или энергия W, затраченная на совершение этой работы, будет равна
A = W = UQ.
Так как количество электричества Q=It, то можно написать другое выражение для работы электрического тока и затраченной электрической энергии на совершение этой работы
А = UIt-,
W=UIt,
т. е. работа электрического тока в цепи и затраченная при этом электрическая энергия определяются произведением напряжения на зажимах цепи на величину проходящего в ней тока и на время прохождения этого тока в цепи.
За единицу работы и, следовательно, электрической энергии принят джоуль, который представляет собой работу, совершаемую электрическим током в 1 а при напряжении в 1 6 в течение 1 сек. Работу в 1 джоуль принято называть также ватт-секундой.
В табл. 2,4 приведены и более крупные единицы измерения работы и энергии электрического тока, их обозначения и соотношения с основной единицей.
43
Таблица 2,4
Единицы электрической энергии в системе МКСЛ
Наименование величины и ее обозначение Наименование единиц Обозначение Соотношение с основной единицей
русское международное
Энергии W ватт-секунда ватт-час киловатт-час меговатт-час вш-сек вт-ч квт-ч Мвт-ч Ws Wh kWh MWh 3600 вт-сек 1000 вт-ч 1000000 вт-ч
Мощностью электрического тока называется его работа, совершаемая в одну секунду.
Обозначив мощность электрического тока через Р, получим
P=^ = -^- = UI,
т. е. мощность, развиваемая электрическим током в цепи, равна произведению напряжения на величину тока, протекающего в цепи.
Заменив в приведенной формуле мощности V на 1г, получим
Р = Рг,
т. е. мощность, развиваемая током в цепи, равна произведению тока в квадрате на сопротивление цепи.
В системе МКСА за единицу измерения мощности принят ватт. Ватт — это мощность электрического тока в один ампер при напряжении в один вольт.
В табл. 2,5 приведены единицы измерения мощности, их условные обозначения и соотношения с основной единицей.
Таблица 2,5
Единицы измерения мощности в системе МКСЛ
Наименование величины и ее обозначение Наименование единиц Обозначение Соотношение с основной единицей
русское международное
Мощность Р ватт вт W —
киловатт кет kW 1000 вт
меговатт Мет MW 1000000 вт
44
При переводе механической мощности, измеряемой в лошадиных силах, в мощность, измеряемую в ваттах, пользуются следующими соотношениями:
1 лошадиная сила ( л. с., HP) =736 вт=0,736 кет;
1 киловатт (кет, kW) = l,36 л. с.
Приборы, применяемые для измерения электрической энергии, получили название счетчиков, а для измерения мощности ваттметров.
ГЛАВА 3
ОСНОВНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
§ 1. МАГНИТЫ И ИХ СВОЙСТВА
Тела, обладающие свойством притягивать железные и стальные предметы, называются магнитами. Магниты бывают естественные и искусственные. Куски магнитного железняка (руды) называются естественными магнитами, а намагниченные стальные стержни — искусственными магнитами. Очень часто искусственные магниты называются постоянными магнитами. На рис. 3,1 показаны магниты различной формы.
Свойства магнита притягивать железные предметы в наибольшей степени проявляются на его концах (см. рис. 3,1), которые называются магнитными полюсами. Линия, проходящая через середину магнита, где не обнаруживается магнитных свойств, называется нейтральной линией или нейтралью. Полюсы постоянного магнита, свободно подвешенного, занимают вполне определенное положение — один показывает на север, а другой на юг земного шара. Соответственно этому полюс магнита, показывающий на север, называется северным полюсом (N), а полюс, показывающий на юг, — южным полюсом (S).
Установлено, что одноименные полюсы магнитов взаимно отталкиваются, а разноименные притягиваются (рис. 3,2,а). Опыты показывают также, что если свободно укрепленную магнитную стрелку расположить вблизи проводника с током, то она по отношению к проводнику займет вполне определенное положение (рис. 3,2.6). Это означает, что магнитная стрелка и проводник с током взаимодействуют между собой так же, как взаимодействуют постоянные магниты.
Явления, при которых происходит взаимодействие между постоянными магнитами или между магнитом и провод-46
ником с током, называются магнитными явлениями, а сила этих взаимодействий — магнитной силой. Магнитные явле-
Рис. 3,1. Различные формы постоянных магнитов
ния, как отмечалось ранее, тесно связаны с электрическими явлениями и представляют собой две стороны сложных электромагнитных явлений.
§ 2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Магнитное поле — это форма существования материи, одна из сторон электромагнитного поля. Оно создается движущимися заряженными частицами и наблюдается около проводников с электрическими токами и постоянных магнитов, в которых в той или иной форме движутся заряженные частицы. Характерной особенностью магнитного поля является то, что оно определенным образом ориентирует магнитную стрелку, действует на движущиеся заряженные частицы и создает в проводнике, движущемся в поле, элек-
47
I
I
I
I
I
тродвижущую силу. Другими словами, магнитное поле проявляется в возникновении механических сил, действующих на электрический ток, и в создании электродвижущих сил в проводниках, движущихся в пределах поля. Это означает, что магнитное поле обладает вполне определенной энергией.
Магнитное и электрическое поля тесно связаны между собой и представляют две стороны единого электромагнитного поля. Однако при определенных условиях какая-либо сторона электромагнитного поля бывает выражена больше
Рис. 3,3. Магнитные поля:
а — стержне кого магнита; б — проводника с током
другой. Так, около покоящихся относительно наблюдателя заряженных тел обнаруживается только электрическое поле и около постоянных магнитов явно наблюдается только магнитное поле. Поэтому вполне возможно раздельное изучение магнитного и электрического полей.
Магнитное поле, подобно электрическому полю, графически изображают силовыми или магнитными линиями. За направление магнитных линий, или, как говорят, за направление поля, условно принято то направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля. Поэтому магнитные линии в поле проводятся таким образом, чтобы направление касательной в каждой точке поля совпадало с направлением магнитной стрелки, т. е. с направлением ее северного полюса.
Магнитные линии, как показывают опыты, не имеют ни начала, ни конца, т. е. они всегда замкнуты. Так, например, магнитные линии поля постоянного магнита (рис. 3,3,а), вы-48
ходя из одного полюса и входя в другой, замыкаются внутри магнита. Д1агнитные линии поля прямолинейного проводника с током (рис. 3,3,6) имеют форму концентрических окружностей. Поэтому магнитное поле является вихревым полем и изменяется по законам вихрей.
Основными величинами, количественно характеризующими магнитное поле, являются магнитная индукция, магнитный поток и напряженность магнитного поля.
§ 3. МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
Под магнитной индукцией понимается величина, характеризующая интенсивность магнитного поля в каждой! точке среды. О величине магнитной индукции можно судить по любому проявлению магнитного поля, в частности по величине той механической силы, с которой магнитное поле действует на движущиеся в нем заряженные частицы. Эту силу можно определить при помощи движущегося точечного заряда. Действительно, если в магнитном поле перпендикулярно магнитным линиям перемещать точечный заряд q со скоростью V, то на заряд будет действовать магнитное поле с силой F. Определив эту силу и разделив ее на величину точечного заряда и его скорость, получим новую величину, называемую магнитной индукцией.
Магнитная индукция обозначается буквой В и выражается формулой
Таким образом, магнитной индукцией в данной точке Называется сила, приходящаяся на единицу заряда движущейся заряженной частицы, помещенной в данную точку поля.
В системе МКСА магнитная индукция измеряется в вольт-секундах на квадратный метр или в веберах на квадратный метр, т. е.
1 дж
_ ед F _________________м_______ __
д’ ед. q X ед. v 1 яселгХ 1 м/сек
1 е X 1 Д X 1 сек
1 а X 1 м2
= 1 в • сек/м2 — 1 вб/м2.
Эта единица является относительно большой, поэтому на практике часто пользуются более мелкой единицей
4—2107 49
абсолютной электромагнитной системы СГС — гауссом. Между этими единицами существует следующее соотношение: 1 вб/м2= 104 гс.
Магнитная индукция, как и сила, характеризуется величиной и направлением. Поэтому магнитная индукция является векторной величиной. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением магнитного поля.
Магнитное поле называется равномерным или однородным, если магнитная индукция во всех точках поля одинакова. Наоборот, магнитное поле называется неоднородным, если магнитная индукция неодинакова в различных точках поля.
§ 4. МАГНИТНЫЙ ПОТОК
Общее количество магнитных линий, проходящих сквозь какую-либо площадь и перпендикулярных ей (рис. 3,4), называется магнитным потоком. Другими словами, маг-
Рис. 3,4. К определению магнитного потока
нитным потоком называется произведение магнитной индукции на величину площади, перпендикулярной направлению поля.
Магнитный поток обозначается буквой Ф и согласно определению выражается следующей формулой:
Ф = BS cos а,
где В — магнитная индукция;
5—площадь, через которую проходят магнитные линии;
а— угол между перпендикуляром к площади и магнитными ли-
ниями поля.
В частном случае, когда площадь расположена перпендикулярно направлению магнитных линий, cosa=l и магнитный поток определяется формулой
Ф = 55.
Эти формулы справедливы только для равномерного магнитного поля.
Единицей измерения магнитного потока в системе МКСА является вольт-секунда или вебер, а в системе СГС— максвелл.
ед. Ф = ед. В X ед. S = 1 в-сек!м2 X 1 м* — 1 в-сек= 1 вб, 50
Отметим, что магнитный поток непрерывен, так как магнитные линии, образующие поток, везде непрерывны. В этом отношении магнитный поток аналогичен электрическому току, который в замкнутой цепи, не имеющей ответвлений, имеет одинаковую величину.
§ 5. НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Под напряженностью магнитного поля понимается величина, характеризующая интенсивность магнитного поля в вакууме. Другими словами, напряженность магнитного поля— это магнитная индукция поля, не зависящая от свойств окружающей среды. Напряженность обозначается буквой Н и связана с магнитной индукцией следующим соотношением:
где р—величина, характеризующая способность среды увеличивать интенсивность магнитного поля и называемая магнитной проницаемостью.
За единицу напряженности магнитного поля в системе МКСА принят ампер, деленный на метр. Ниже будет дано определение этой единицы. Сейчас же отметим, что на практике напряженность поля часто измеряется в эрстедах. Между единицами напряженности 1 а/м и 1 э существует
следующее соотношение: 1 а/м=4л • 10-3 э.
Напряженность магнитного поля, подобно магнитной индукции, является векторной величиной.
Опыты показывают, что одни вещества сильно реагируют на воздействие внешнего магнитного поля, а другие — слабо. Действительно, если в магнитное поле внести стальной брусок (рис. 3,5,а), то магнитные линии будут концентрироваться в этом бруске и магнитная индукция в
4*
6
Рис. 3,5. Изменение поля при внесении:
а — железного бруска; б — медного бруска
51
нем будет больше, чем вне его. Если же в магнитное поле внести медный брусок (рис. 3,5,6), то картина изменится: магнитная индукция в бруске будет меньше, чем вне его. Эти магнитные свойства среды и принято характеризовать магнитной проницаемостью.
Магнитная проницаемость вакуума, как показывают опыты, является постоянной величиной, зависящей от выбора системы единиц измерения. Поэтому магнитные проницаемости других сред сравнивают с магнитной проницаемостью вакуума и в системе МКСА магнитную проницаемость любой среды представляют в виде произведения двух величин:
где — магнитная проницаемость вакуума;
рг — относительная магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитная проницаемость данной среды больше магнитной проницаемости вакуума.
Для вакуума ро = 4^-1О-’ ом-сек/м, арг = 1. Для других же материалов относительная магнитная проницаемость отлична от единицы. Тела, рг которых значительно больше единицы, называются ферромагнитными. К ним относятся железо, сталь, никель, кобальт и некоторые их сплавы. Тела с рг, немного большей единицы, называются парамагнитными. К таким телам относятся алюминий, платина, олово и некоторые другие вещества. Тела, рг которых меньше единицы, называются диамагнитными. К ним относятся свинец, медь, серебро и некоторые другие металлы.
Относительная магнитная проницаемость всех неферромагнитных тел практически может быть приравнена к единице. Относительная же магнитная проницаемость ферромагнитных материалов достигает больших значений (174-^200000) и не остается постоянной, а изменяется в зависимости от намагничивающего поля.
§ 6. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКОВ
Электрический ток, как указывалось выше, создает магнитное поле. Причем в зависимости от формы пути тока или, иначе, его формы создаются различные конфигурации магнитных полей. Так, в частности, ток, проходя по прямолинейному проводнику (см. рис. 3,3,6), создает вокруг него магнитное поле, линии которого располагаются в виде концентрических окружностей.
52
Направление магнитного поля, образующегося вокруг проводника, зависит от направления тока в проводнике. Всякое изменение направления тока связано с изменением направления магнитного поля. Для определения направления такого поля применяется правило буравчика (рис. 3,6): если буравчик ввинчивать по направлению движения тока в проводнике, то вращение его рукоятки покажет направление магнитного поля.
Рис. 3,6. Пояснение к правилу буравчика
Величина напряженности магнитного поля, создаваемого током, зависит от величины тока, длины и формы проводника и от (расстояния между проводником и точкой поля, напряженность в которой определяется. В частности, напряженность Н в любой точке магнитного поля, возникающего вокруг длинного прямолинейного проводника с током 1, определяется по формуле
2 тел
Где а—расстояние от проводника до рассматриваемой точки поля.
На основании этой формулы определяется единица измерения напряженности поля в системе МКСА
11 ед. / 1 д , >
ед. Н —--------г = т— = 1 а м.
* ец.1 1м '
Магнитные линии витка с током, оставаясь замкнутыми на себя кривыми линиями, выходят с одной стороны витка и входят в него с другой (рис. 3,7). В результате этого внутри витка напряженность поля увеличивается и виток с током образует два полюса: северный — с той стороны, откуда магнитные линии выходят, и южный — с той сторо
53
ны, куда магнитные линии входят. Напряженность магнитного поля в центре витка определяется по формуле
где Н — напряженность магнитного поля, а/м-, I — ток, а\
R—радиус витка (кольца), м.
Рис. 3,7. Магнитное поле витка с током
Если проводник с током свить в виде спирали (рис. 3,8), то получим так называемый соленоид. Магнитное поле соленоида, являющееся суммой магнитных полей отдельных витков, имеет большое сходство с полем прямолинейного
Рис. 3,8. Магнитное поле соленоида
магнита. Магнитные линии этого поля выходят из одного конца соленоида и, огибая его, возвращаются в другой, т. е. соленоид имеет полюсы. Наименование этих полюсов находят по правилу правой руки: если правую руку наложить ладонью на витки соленоида так, чтобы вытянутые 54
четыре пальца показывали направление тока в витках, то отогнутый большой палец покажет северный полюс соленоида.
Напряженность магнитного поля внутри соленоида, если длина соленоида больше радиуса его сечения, определяется по формуле
где Н — напряженность магнитного поля, а/м\
1 — ток, о;
w, I — соответственно число витков и длина соленоида, м.
Соленоиды обладают свойством втягивать в себя ферромагнитные предметы.
§ 7. НАМАГНИЧИВАНИЕ ТЕЛ И ЯВЛЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА
Намагничиванием обычно называется процесс создания магнитного ноля ферромагнитных тел под влиянием внешних магнитных полей. Способность же этих тел намагничиваться называется магнитной восприимчивостью. Сущность этого явления объясняется наличием элементарных токов и способностью их магнитных полей определенным образом ориентироваться под действием внешних магнитных полей.
Действительно, электрический ток представляет собой движение заряженных частиц, в частности электронов. Согласно же электронной теории строения вещества в каждом атоме вокруг его ядра вращаются электроны. Следовательно, движение электронов по своим орбитам можно уподобить кольцевым токам с присущими им магнитными свойствами. Таким образом, каждый элементарный ток атома создает свое собственное магнитное поле с явно выраженными полюсами. Однако эти магнитные поля находятся в хаотическом состоянии, благодаря чему они компенсируют друг друга (рис. 3,9, а) и результирующее магнитное поле ферромагнитного тела равно нулю. Если же это тело поместить, например, внутрь соленоида, то орбиты электронов под воздействием магнитного поля соленоида будут поворачиваться так, чтобы направление магнитного поля каждого атома совпадало с направлением поля соленоида (рис. 3,9,6). В этом случае магнитные поля элементарных токов складываются и образуют результирующее поле ферромагнитного тела, которое намагничивается и становится, таким образом, магнитом. По
55
исчезновении поля соленоида, т. е. при выключении тока, элементарные токи теряют ориентировку, вследствие чего тело теряет свои магнитные свойства, т. е. размагничивается.
Однако исследования показывают, что ферромагнитные тела, в частности, сталь, не полностью теряют свои магнитные свойства после прекращения намагничивания, т. е.
Рис. 8,9. Элементарные токи в железе: а — в хаотическом состоянии; б — ориентированы во внешнем магнитном поле
—- n -Q -s
"0- '6 -G- -л
а
в стали частично сохраняются магнитные свойства, назы-ваемые остаточным магнетизмом. Объясняется это тем, что в ферромагнитных телах существует особая, так называемая задерживающая (коэрцитивная) сила, благодаря которой в этих телах сохраняется частичная ориентация элементарных токов по направлению воздействия внешнего поля. Эта сила задерживает также процесс намагничивания.
В мягкой стали действие задерживающей силы очень слабое, вследствие чего мягкая сталь быстро намагничивается и размагничивается, а поэтому имеет весьма малый остаточный магнетизм. Это ее свойство широко используется в различных отраслях техники, в частности в телефонии и приборах управления. Наоборот, твердая сталь 56
обладает большей задерживающей силой, благодаря чему в ней в большей мере сохраняется остаточный магнетизм. Поэтому постоянные магниты изготовляются из твердых специальных сталей или сплавов. Однако следует иметь в виду, что остаточный магнетизм магнитов ослабевает от сотрясений, ударов и при чрезмерном повышении темпера
туры.
Для того чтобы характеризовать магнитные свойства ферромагнитных материалов, зависимость между магнитной индукцией В и напряженностью намагничивающего поля Н выражают в виде кри- ____
вой (рис. 3,10), называемой кривой намагничивания. Эта кривая строится на основании намагничивания опытных образцов исследуемого материала. Из кривой видно, что вна чале с увеличением напряженности Н внешнего поля магнитная индукция растет наиболее быстро, затем рост ее замедляется и, наконец, почти прекращается — наступает, как принято говорить, состояние магнитного насыщения.
Рис. 3,10. Кривые намагничивания и магнитной проницаемости
Явление это объясняется тем, что насильственная ориентировка элементарных магнитных полей практически закончилась и поэтому дальнейшее увеличение напряженно-
сти намагничивающего поля создает весьма малое увеличение магнитной индукции материала.
Характерной особенностью ферромагнитных материалов является зависимость их магнитной проницаемости от их собственного магнитного состояния, т. е. магнитная про
ницаемость этих материалов изменяется с изменением напряженности внешнего поля (рис. 3,10). Магнитная проницаемость в начале процесса намагничивания быстро возрастает, достигая при максимуме весьма значительных величин, и затем резко падает, стремясь в пределе к магнитной проницаемости вакуума.
Для каждого образца стали имеются свои кривые намагничивания, которые характеризуют его магнитные свойства.
Помимо кривой намагничивания, большое значение для практических целей имеет графическая зависимость В от Н
57
при так называемом цикличном перемагничивании ферромагнитного материала. Действительно, если после того, как сталь доведена до насыщения, т. е. индукция доведена до +Вт (рис. 3,11), начать размагничивать материал пу
тем уменьшения напряженности намагничивающего поля Н, то будет уменьшаться индукция В. Но это уменьшение не будет идти по первоначальной кривой, и, когда
*0
-в
Рис. 3,11. Петля гистерезиса
Н будет равна нулю, В будет равна отрезку ОА, определяющему остаточный магнетизм.
Для полного размагничивания стали необходимо изменить направление внешнего поля на противоположное и увеличивать его напряженность. При некотором значении напряженности намагничивающего поля ОЕ магнитная индукция В будет равна нулю, остаточный магнетизм будет скомпенсирован. Напряженность, равная отрезку ОЕ, характери-
зует сопротивляемость стали ее размагничиванию, т. е. она является задерживающей силой. Продолжая увеличивать напряженность Н в новом направлении, доводят магнитную индукцию до — Вт, т. е. до насыщения. Затем, уменьшая напряженность Н до нуля, уменьшают индукцию до величины остаточного магнетизма ОБ. Наконец, изменив еще раз направление напряженности Н и увеличивая ее, доводят индукцию до + Вт. В результате
такого циклического перемагничивания стали получают замкнутую кривую, называемую кривой циклического перемагничивания.
В рассматриваемом процессе перемагничивания все время происходило запаздывание намагничивания материала от намагничивающей силы. Это явление запаздыва
ния называется гистерезисом, а кривая циклического перемагничивания — петлей гистерезиса.
Естественно, что гистерезис связан с потерей энергии на перемагничивание стали, так как магнитные силы, стремящиеся ориентировать элементарные магнитные поля в стали, встречают противодействие коэрцитивной силы. Эта
58
энергия переходит в тепло, в результате чего сталь нагревается. Установлено, что энергия, расходуемая при полном цикле перемагничивания стали, пропорциональна площади петли гистерезиса. Этот расход энергии обычно называют потерей энергии или магнитными потерями перемагничивания.
Впервые процесс намагничивания стали исследовал русский ученый А. Г. Столетов, а установленные им при этом законы являются той основой, на которой ведутся все расчеты при проектировании любых электрических машин и аппаратов.
§ 8. МЕХАНИЧЕСКОЕ ПРОЯВЛЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Опыты показывают, что проводники с токами, помещенные в магнитное поле, испытывают действие механических сил. Механические силы возникают также между магнитным полем и ферромагнитными телами, помещенными в магнитное поле. Наконец, проводники, движущиеся в магнитном поле под действием каких-либо внешних сил,
также испытывают действие меха-
нических сил. Сущность этих явлений объясняется наличием электрических токов и взаимодействием их магнитных полей.
Механические силы, возникаю-
щие в результате взаимодействия магнитных полей электрических токов, называются электромагнитными или электродинамическими силами. Эти силы возникают всегда там, где имеет место соприкосновение магнитных полей.
Рис. 3,12. Проводник с током в магнитном поле
Проводник с током, помещенный в неподвижное магнитное поле постоянного магнита (рис. 3,12), испытывает действие электром аг-
нитных сил потому, что взаимодействуют два магнитных
поля — поле магнита и поле тока. Причем эти силы всегда
направлены перпендикулярно к магнитным линиям неподвижного поля магнита. Причиной такого явления яв
ляется сложение неподвижного поля с магнитным полем
проводника с током, при котором результирующее магнитное поле с одной стороны проводника усиливается, а
59
с другой ослабляется. В результате этого на проводник
действует электромагнитная сила, выталкивающая его из магнитного поля в сторону ослабленной части поля.
Такое объяснение бы-
Рис. 3,13. Правило левой руки
(рис. 3,13), которое состоит
ло дано академиком В. Ф. Миткевичем и поэтому называется правилом Миткевича.
Очевидно, если проводник с током в неподвижном магнитном поле будет находиться в свободном состоянии, то он будет двигаться в направлении действия магнитной силы. Для определения направления движения проводника с током в магнитном поле удобно пользоваться правилом левой руки в следующем: если располо-
жить левую руку в магнитном
поле так, чтобы магнитные
линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца пока-
а
б
Рис. 3,14. Взаимодействие магнитных полей: а — тока и постоянного магнита; б — двух токов
зывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника.
Если в магнитное поле поместить виток с током (рис. 3,14, а), то он вследствие взаимодействия полей зай-60
мет такое положение, при котором через плоскость витка будет проходить наибольший магнитный поток. Проводники с током также будут взаимодействовать между собой (рис. 3,14,6) — притягиваться или отталкиваться.
Экспериментально установлено, что величина электромагнитной силы, действующей на проводник с током в однородном магнитном поле (рис. 3,15), определяется следующей формулой:
F = ВП sin а,
где F — электромагнитная сила, н;
В— электромагнитная индукция, еб/ж2;
/ — ток, проходящий по проводнику, а\
I— длина проводника,
расположенного в магнитном поле, м;
а — угол, под которым находится проводник к магнитным линиям
Рис. 3,15. К определению механической силы
поля.
Это уравнение выражает закон взаимодействия магнитного поля и проводника с током, который лежит в основе преобразования электрической энергии в механическую. На этом законе, в частности, основано устройство электрических двигателей.
§ 9. МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ И ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ
Магнитной цепью называется совокупность устройств, образующих путь для магнитного потока. Магнитная цепь в общем случае может состоять из участков различных материалов, например стали, воздуха и т. д. Магнитная цепь, состоящая из двух или нескольких участков различных материалов, называется разомкнутой магнитной цепью. Если же магнитная цепь состоит из однородного материала, то такая цепь называется замкнутой. Кроме того, различают простые и сложные магнитные цепи. Простой магнитной цепью (рис. 3,16, а) называется цепь, в которой магнитный поток нигде не разветвляется. Магнитная цепь называется сложной (рис. 3,16,6), если в ней имеются разветвления магнитного потока.
61
Рис. 3,16. Магнитные цепи: а — простая; б — сложная
Сопротивление магнитной цепи, называемое магнитным сопротивлением, зависит от длины цепи, площади поперечного сечения и магнитной проницаемости среды, через которую проходит магнитный поток. Магнитное сопротивление, подобно электрическому сопротивлению проводника, определяется по формуле
P-S
где —средняя длина магнитопровода;
S— сечение магнитопровода;
р—магнитная проницаемость магнитопровода.
Причиной возникновения магнитного потока в магнитной цепи является так называемая магнитодвижущая сила, подобно тому как электродвижущая сила является причиной возникновения электрического тока. Магнитодвижущая сила F пропорциональна числу витков w и величине тока / и выражается формулой
F = wl.
Единицей измерения магнитодвижущей силы в системе МКСА является ампер-виток (ав).
Магнитный поток в магнитной цепи прямо пропорционален магнитодвижущей силе и обратно пропорционален магнитному сопротивлению цепи, т. е.
ф=Л
R •
Если магнитная цепь неоднородна, то магнитный поток в такой цепи определяется формулой
= *>>
2 Як у А *
Рк*$К
62
Рис. 3,17. Подковообразный магнит
где S ------сумма магнитных сопротивлений всех участ-
ков цепи.
Эти формулы являются математическим выражением основного закона магнитной цепи.
Электромагнитом называется соленоид, внутри которого помещен стальной сердечник (рис. 3,17). Определение полюсов электромагнита производится так же, как и у соленоида. Формы и размеры электромагнитов различны, а принцип устройства их всех одинаков. Сердечники электромагнитов обычно изготовляются из мягкой стали или специальных ферромагнитных сплавов, а обмотка — из изолированной медной проволоки, намотанной на каркас, как правило, в несколько слоев.
Электромагниты, как и соленоиды, обладают свойством притягивать к своим полюсам ферромагнитные материалы. Действительно, если к полюсам подковообразного электромагнита (рис. 3,17) приблизить плоский
кусок стали, называемый обычно якорем, то под влиянием поля электромагнита якорь притянется. Сила, с которой электромагнит притягивает якорь, называется подъемной силой электромагнита. Для подковообразного электромагнита она определяется формулой
R2
Дм = ^-5-10\
где — подъемная сила электромагнита, я;
В— магнитная индукция в воздушном зазоре, в•сек!м?\
S— площадь торца сердечника, м2.
Подъемная сила электромагнита стержневой формы, как правило, меньше подъемной силы подковообразного электромагнита в два раза.
ГЛАВА 4
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
§ I. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Явление, при котором в проводнике при его движении в магнитном поле возникает или наводится электродвижущая сила, называется электромагнитной индукцией.
Действительно, если замкнутый проводник (рис. 4,1) двигать между полюсами магнита так, чтобы магнитные линии пересекались проводником, то в проводнике будет протекать электрический ток. Этот ток, появляющийся вследствие электромагнитной индукции, называется индуктированным электрическим током. Сущность этого явления объясняется следующим образом. При движении проводника в магнитном поле на каждый электрон, в том числе и на свободные электроны, действуют силы. Под влиянием этил сил свободные электроны начинают перемещаться по провод
Рис. 4,1. Основной опыт с электромагнитной индукцией
нику в одном направления (рис. 4,2), благодаря чему на одном конце получается избыток положительных, а н а другом — отрицательных зарядов. Очевидно, что при постоянной скорости движения проводника разделение частиц будет происходить до тех пор, пока силы, действующие на заряженные частицы со стороны магнитного поля, не уравновесятся силами притяжения разноименных зарядов, т. е. силами электрического поля.
64
В результате между концами проводника во время его движения в магнитном поле устанавливается разность потенциалов, или электродвижущая сила.
Если концы проводника замкнуть на сопротивление, то электроны с одного конца проводника через сопротивление будут перемещаться на другой конец, где и будут нейтрализовать положительно заряженные частицы. Очевидно, что одновременно с началом нейтрализации частиц снова начнется их разделение, в результате чего будет поддерживаться неизменная величина электродви-
Рис. 4,2. Движение электронов в замкнутом проводнике
жущей силы.
Явление электромагнитной индукции было открыто английским физиком Фарадеем в 1831 г. Исследуя это явление, он установил, что величина индуктированной в проводнике э. д. с. пропорциональна магнитной индукции, скорости движения проводника и длине той части проводника, которой
пересекается магнитный поток.
Математически это соотношение, являющееся основным
законом электромагнитной индукции, выражается следующей формулой:
E = Blv,
(4,1)
где Е— индуктированная э. д. с„ в;
В—магнитная индукция, в-сек/м2-,
I— активная длина проводника, т. е. та часть проводника, которой пересекается магнитный поток, м;
v—скорость движения проводника относительно потока, м/сек.
Если проводник при движении в магнитном поле не под прямым углом пересекает магнитные линии, а под углом а, то величина индуктированной в нем э. д. с. определяется по формуле
Е = Blv sin а.
Направление индуктированной э. д. с. или направление индуктированного тока в проводнике определяется по правилу правой руки (рис. 4,3): если расположить ладонь правой руки в магнитном поле так, чтобы магнитные линии вхо-
5—2107
65
Рис. 4,3. Правило правой руки
дили в ладонь и отогнутый большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые остальные четыре пальца покажут направление индуктированных в проводнике э. д. с. и тока.
Исследуя явление электромагнитной индукции, русский ученый Э. X. Ленц установил, что индуктированный ток всегда противодействует причине, вызывающей его возникновение, и им было сформулировано следую
щее правило, называемое правилом Ленца: направление индуктированного тока всегда таково, что он противодействует причине, его вызвавшей. Энергия же, затраченная на преодоление этого противодействия, превращается в электрическую энергию.
Пример. Определить э. д. с. в прямолинейном проводнике, движущемся в однородном магнитном поле со скоростью v = 5 м/сек, если известно, что магнитная индукция В = 1,5 в-сек/м1, длина проводника /= 10 м и проводник двигается перпендикулярно к магнитному потоку.
Решение. Пользуясь формулой (4,1), находим
Е = 5-10-1,5 = 75 в.
Более общей формулировкой закона электромагнитной индукции является формулировка Максвелла: электродвижущая сила, индуктируемая в контуре, равна скорости изменения магнитного потока внутри контура, в котором возникает электродвижущая сила.
Математически это соотношение выражается следующей формулой:
г- дф
где Е—индуктируемая электродвижущая сила;
ДФ — величина, на которую изменяется магнитный поток за промежуток времени Д/;
66
ДФ
— скорость изменения магнитного потока, т. е. число вольт-секунд, на которое изменяется магнитный поток в течение одной секунды.
В этой формуле знак минус вводится для согласования направления индуктированной э. д. с. с направлением магнитного потока в соответствии с правилом Ленца.
Рис. 4,4. Получение индуктированной э. д. с.: а — при движении магнита; б — при движении контура
Отсюда следует, что для получения индуктированной э. д. с. необходимо изменение потока, сцепляющегося с контуром. Другими словами, для получения индуктированной э. д. с. важно не только наличие магнитного потока внутри контура, но и изменение этого потока по величине. Практически такое изменение магнитного потока можно получить следующими способами, а именно: 1) движением постоянного магнита или электромагнита относительно неподвижного контура (рис. 4,4, а); 2) движением замкнутого контура относительно неподвижного магнитного поля (рис. 4,4,6); 3) изменением величины магнитного потока, пронизывающего контур, путем изменения тока в обмотке электромагнита.
Таким образом, явление электромагнитной индукции позволяет преобразовывать механическую энергию в электрическую, на чем основано устройство электрических генераторов.
5*
67
§ 2. САМОИНДУКЦИЯ
Всякий контур с электрическим током, как указывалось выше, образует собственный магнитный поток, пронизывающий и охватывающий этот же контур (рис. 4,5). При убывании или возрастании тока, т. е. при изменении тока в контуре, меняется и его магнитный поток. Изменение магнитного потока контура сопровождается наведением в этом же контуре новой электродвижущей силы.
Рис. 4,5. Магнитное поле контура
Явление индуктирования э. д. с. в замкнутом контуре при изменении в нем тока называется самоиндукцией. Индуктируемая при этом э. д. с. называется э. д. с. самоиндукции. Собственный же магнитный поток контура называется потоком самоиндукции.
Направление э. д. с. самоиндукции определяется по правилу Ленца, так как явление самоиндукции является частным случаем электромагнитной индукции. Э. д. с. самоиндукции препятствует всякому изменению тока и стремится поддержать в цепи прежнее значение тока. Так, при замыкании цепи или увеличении тока в цепи э. д. с. самоиндукции направлена против тока и противодействует его нарастанию. При размыкании цепи или уменьшении тока в цепи э. д. с. самоиндукции совпадает по направлению с током, противодействуя его уменьшению. Особенно резкое явление самоиндукции проявляется при размыкании цепи электромагнитов или другой цепи со сталью.
Величина э. д. с. самоиндукции зависит от формы и размеров цепи и от скорости изменения тока. Она обозначается буквой El или и определяется по формуле
(ед
68
где Д/—величина, на которую изменится ток за промежуток времени А(;
Д7
— скорость изменения тока в цепи, т. е. число ампер, на которое ток изменится в течение одной секунды;
L — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом самоиндукции или индуктивно стью.
В этой формуле знак минус введен для учета направления э. д. с. самоиндукции. Он указывает, что при увеличении тока э. д. с. самоиндукции направлена против тока, а при уменьшении — в ту же сторону, что и ток. В первом случае э. д. с. самоиндукции будет отрицательной, а во втором — положительной.
Индуктивность L есть величина, характеризующая способность цепи индуктировать в себе э. д. с. самоиндукции. Она численно равна величине э. д. с. самоиндукции в вольтах, которая индуктируется в цепи при изменении в ней тока на 1 ампер в 1 секунду. Действительно, если = 1 ajceK, то —L = El.
Индуктивность в системе МКСА измеряется в генри. Генри есть индуктивность цепи, в которой при изменении тока на один ампер в одну секунду индуктируется э. д. с. в один вольт.
Пример. Определить э. д. с. самоиндукции катушки при размыкании, если индуктивность катушки L = 0,5 гн, ток в ней / = 25 а и время размыкания t = 0,01 сек.
Решение. В этом случае ток убывает и имеем Д/ = —25 а и Д/ = 0,01 сек.
Теперь, пользуясь формулой (4,2), найдем
£ь = -0,5 ^ = 1250 в.
Отметим, что в технике для получения индуктивностей применяются различного вида катушки в частности катушки постоянной индуктивности и катушки переменной индуктивности — вариометры, а также катушки, имеющие так называемую бифилярную обмотку, индуктивность которых практически равна нулю. На рис. 4.6 показаны образцы таких катушек. Вращая внутреннюю катушку В вариометра, можно плавно менять его индуктивность. Компенсация индуктивности катушки с бифилярной обмоткой достигается
69
тем, что магнитные потоки, создаваемые обеими половинами обмотки, будучи направлены навстречу один другому, вза-имно компенсируются при всех направлениях тока.
Рис. 4,6. Катушки индуктивности
§ 3. ВЗАИМОИНДУКЦИЯ
Явление индуктирования э. д. с. в одной цепи при изменении тока в другой цепи (рис. 4,7), расположенной вблизи первой, называется взаимоиндукцией. Э. д. с. же, возникающая при этом явлении, называется э. д. с. взаимоиндукции. Цепь, в которой изменяется ток, называется первичной цепью, а цепь, в которой индуктируется э. д. с.,— вторичной цепью.
Величина э. д. с., индуктируемой во вторичной цепи, зависит от скорости изменения тока в первичной цепи и определяется формулой
70
где А/— величина, на Которую изменится ток за промежуток времени А/;
д/
— скорость изменения тока в цепи, т. е. число ампер, на которое ток изменится в течение одной секунды;
М — коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров цепей, их формы, взаимного расположения и магнитной проницаемости среды, называемый коэффициентом взаимоиндуктивности или просто взаимоиндуктивностью.
Рис. 4,7. Явление взаимоиндуктивности
Взаимоиндуктивность, так же как и индуктивность, измеряется в генри. Взаимоиндуктивность цепей равна одному генри, если при изменении тока в первичной цепи на один ампер в одну секунду во вторичной цепи индуктируется э. д. с., равная одному вольту.
Явление взаимоиндуктивности широко используется в электротехнике; в частности, на этом явлении основано устройство трансформаторов.
§ 4. ВИХРЕВЫЕ ТОКИ
Под вихревыми токами поднимаются токи, индуктируемые в любых металлических массах, находящихся в переменном магнитном поле или движущихся в постоянном магнитном поле. Эти токи иногда называют токами Фуко.
Естественно, что изменяющийся магнитный поток, пронизывая толщу массивной металлической детали, наводит
71
в ней э. д. с., которая и вызывает вихревые токи, замыкающиеся накоротко в массе этой детали. Направление вихревых токов таково, что они препятствуют изменению магнитного потока. Вихревые токи вызывают нагрев тела, в котором они индуктируются.
Для уменьшения вихревых токов стальные сердечники в электрических аппаратах и машинах делаются не массивными, а набираются из тонких листов, изолированных друг от друга бумагой или слоем изоляционного лака.
§ 5. ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Электрическая энергия, затрачиваемая внешним источником на создание в цепи постоянного тока, как известно, превращается в тепловую или механическую энергию. Но при изменяющихся токах возникает еще э. д. с. самоиндукции, которая создается магнитным потоком цепи. На основании закона сохранения энергии можно сказать, что на возбуждение э. д. с. самоиндукции расходуется некоторое количество какого-то вида энергии. Поскольку э. д. с. самоиндукции возникает при изменении магнитного поля, то, очевидно, на ее создание расходуется энергия магнитного поля. Энергия же магнитного поля создается за счет той энергии внешнего источника тока, которая не превратилась в тепловую или механическую энергию при изменении тока.
Полная энергия, запасенная в магнитном поле цепи при увеличении тока в ней от нуля до 1, определяется формулой
W = 2 дж,
где L — индуктивность цепи, гн;
I — ток в цепи, а.
Энергия магнитного поля при возрастании тока накапливается в поле, а при убывании тока возвращается к источнику.
ГЛАВА 5
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИНДУКЦИЯ И КОНДЕНСАТОРЫ
§ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИНДУКЦИЯ
наэлектризовать и в его поле
Рис. 5.1. Основной опыт с электрической индукцией
Наэлектризовать физическое тело можно не только трением или непосредственным соприкосновением с другим наэлектризованным телом — его можно наэлектризовать и путем приближения к другому, ранее наэлектризованному телу. Например, если тело А поместить незаряженное тело Б (рис. 5,1), то последнее наэлектризуется, причем на стороне, обращенной к телу А, образуется заряд противоположного знака, а на другой стороне — одноименный с зарядом тела А. При этом, как бы хорошо проводящее тело ни было изолировано от наэлектризованного тела, все равно на нем появятся заряды.
Явление, при котором на незаряженном теле при внесении его в электрическое
поле заряженного тела наводятся электрические заряды, называется электризацией через влияние или электрической индукцией.
Физическая сущность этого явления такова. Всякое тело, как говорилось ранее, в обычных условиях электрически нейтрально. Когда же незаряженное тело Б приблизим к заряженному телу Л, под влиянием положительных зарядов последнего электроны тела Б переместятся по направлению
73
тела А Ближайшая к телу А сторона тела Б зарядится отрицательным электричеством, а его противоположная сторона — положительным. Кроме того, если тело Б соединить проводником с землей, то благодаря нейтрализации положительных зарядов тела зарядами земли на обеих телах произойдет перераспределение зарядов. Таким образом, при электризации через влияние происходит разделение электрических зарядов тела.
Явление электрической индукции наблюдается довольно часто. В частности, им объясняется притяжение наэлектризованным телом легких тел и на нем основано устройство электрических конденсаторов.
§ 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ
Изолированные тела-проводники в процессе их электризации могут накопить в себе некоторое количество электричества, т. е. приобрести электрические заряды, причем каждое тело можно наэлектризовать до вполне определенного потенциала.
Способность тел накоплять в себе то или иное количество электричества при вполне определенном потенциале называется электрической емкостью тела или просто емкостью.
Опыты показывают, что заряд тела q и его потенциал V пропорциональны друг другу. Поэтому, введя коэффицент пропорциональности С, можно написать
q = CV.
Установлено, что коэффициент пропорциональности С при данном потенциале зависит только от формы и размеров тела и называется его емкостью. Из вышеприведенного равенства имеем
С = — Ь [/ >
откуда следует, что емкость есть отношение заряда тела к его потенциалу.
В системе МКСА емкость измеряется в фарадах (ф, F). Фарада — это емкость такого проводника, у которого заряд в один кулон создает потенциал в один вольт.
ед. q 1 кулон . ,
ед. С = ——------------= 1 фарада,
ед. I/ 1 вольт г
74
Так как фарада представляет собой чрезвычайно большую единицу, то в технике емкость принято измерять в микрофарадах (мкф, pF) или в пикофарадах (пф, pF).
Микрофарада равна одной миллионной части фарады, пикофарада — одной миллионной части микрофарады.
Опытом установлено, что на емкость проводящих тел влияет соседство других проводящих тел. Чем ближе друг к другу расположены тела, тем больше их емкость Поэтому в тех случаях, когда по соседству расположено несколько тел, рассматривают емкость не одного заряженного тела, а емкость системы этих тел.
Емкость системы из двух тел численно равняется количеству электричества, которое надо сообщить одному из этих тел, чтобы разность потенциалов между ними изменилась на единицу, т. е.
Г— 9 _ ?
И, — — и '
Отсюда следует, что емкость системы из двух проводящих тел равна одной фараде, если при сообщении одному из этих тел одного кулона электричества напряжение между телами увеличится на один вольт.
На емкость тела влияет также среда, в которой оно находится. Емкость тела изменяется пропорционально изменению диэлектрической проницаемости среды. Так, например, емкость проводящего тела при перенесении его из воздуха в керосин увеличивается примерно в два раза.
§ 3. ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Электрическое поле, действуя на заряженные частицы, может совершать вполне определенную работу. Это значит, что электрическое поле обладает запасом энергии, причем если поле перемещает заряженные частицы, то его энергия уменьшается, переходя частично или полностью в другие виды энергии. Наоборот, если в электрическом поле заряженные частицы перемещаются под действием внешних сил, то за счет работы, совершенной этими силами, энергия поля увеличивается.
Энергия электрического поля W заряженного тела, заряд которого q и потенциал V, определяется по формуле
w 2 •
75
Так как q = CV, то получим другое выражение для энергии:
Ц7 = -^-
iv 2 .
В том случае когда поле создается системой из двух заряженных тел, энергия поля выражается формулами, учитывающими разность потенциалов этих тел или, что то же самое, напряжение, а именно:
щ/_ _ CU*
2 2 *
Необходимо помнить, что энергия электрического поля сосредоточивается как в самих заряженных телах, так и во всей области поля.
§ 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Приборы, служащие для накопления электрических зарядов называются электрическими конденсаторами. В широком смысле слова конденсатор есть совокупность двух проводников, разделенных диэлектриком. Так, например,
Рис. 5,2. Электрический конденсатор
электрика применяются
двухпроводная электрическая цепь является конденсатором. Действие конденсаторов основано на явлении электрической индукции.
Устройство простейшего конденсатора схематически показано на рис. 5,2. Он состоит из двух параллельных пластин А и В, разделенных слоем диэлектрика. Эти пластины называются обкладками конденсатора и изготовляются из алюминия, латуни или станиоля. В качестве дивоздух, парафин, слюда, бумага,
масло и ряд других веществ.
Для того чтобы в конденсаторе накопить определенное количество электричества, необходимо одну обкладку присоединить к источнику зарядов, а вторую соединить с землей или обе обкладки конденсатора присоединить к двум точкам электрической цепи, между которыми имеется разность потенциалов. В обоих случаях благодаря электрической индукции на пластинах накопится равное количество разно
76
именных зарядов. Процесс накопления заряда в конденсаторе называется его зарядкой, а отношение заряда на обкладках конденсатора к напряжению между ними называется емкостью конденсатора.
Рассмотренный конденсатор называется плоским и емкость его определяется по формуле
tr^pS
4 nd ’
С
где С — емкость конденсатора, ф;
S— площадь поверхности обкладки с одной стороны, ж2;
е0, ег—соответственно диэлектрические проницаемости вакуума и диэлектрика;
d — расстояние между обкладками, м.
Конденсаторы изготовляются постоянной и переменной емкости. В свою очередь конденсаторы постоянной емкости в зависимости от формы обкладок разделяются на плоские и цилиндрические, а по роду диэлектрика — на бумажные, слюдяные, электролитические, воздушные и керамические конденсаторы.
На рис. 5,3 представлены образцы слюдяных, бумажных и керамических конденсаторов постоянной емкости. Слюдяные конденсаторы обычно состоят из нескольких пластин, которые своими концами поочередно соединяются вместе, образуя две системы обкладок, изолированных диэлектриком одна от другой. Диэлектриком служит слюда и пропи-
Рис. 5,3. Конденсаторы постоянной емкости: а — бумажные; б — слюдяные; в — керамические
77
тайная парафином бумага. Бумажные конденсаторы состоят из двух станиолевых или алюминиевых лент, между ко!о-рыми уложена бумага, пропитанная парафином. Лента вместе с бумагой сматывается в рулон, который помещается в металлический корпус цилиндрической или прямоугольной формы. Обкладками керамических конденсаторов служат два слоя серебра, между которыми в качестве диэлектрика помещается специальная керамика с высокой диэлектриче-
Неподвижный диск
Рис. 5,4. Конденсатор переменной емкости
ской проницаемостью. Эти конденсаторы весьма компактны.
Конденсатор переменной емкости изображен на рис. 5,4. Он состоит из ряда латунных или алюминиевых неподвижных пластин А, соединенных между собой металлическими стойками, и подвижных пластин В, укрепленных на металлической оси с рукояткой. При вращении подвижных пла-
стин емкость конденсатора меняется. Если подвижные пластины полностью ввести между неподвижными, то емкость достигает наибольшей величины. Если же пластины вывести, то емкость будет наименьшей. Диэлектриком в таких конденсаторах яв
ляется воздух, но иногда между пластинами прокладываются тонкие эбонитовые листы.
На рис. 5,5 изображены электролитические конденсаторы. Каждый такой конденсатор состоит из двух алюминиевых пластин, помещенных в специальный химический раствор или пасту. Одна из пластин покрыта слоем окиси, которая выполняет роль диэлектрика. Эта пластина служит одной обкладкой конденсатора, а второй обкладкой фактически является раствор или паста. Чистая же алюминиевая пластинка применяется для получения контакта с пастой. Электролитические конденсаторы изготовляются на большую емкость и предназначаются только для включения в цепи постоянного тока.
Обычно каждый конденсатор рассчитывается на определенное напряжение, под которым он может длительно работать. Это напряжение называется рабочим напряжением конденсатора. Если же конденсатор включить на большее
78
напряжение, то произойдет увеличение напряженности по^я между обкладками. При слишком большом напряжений, а следовательно, при слишком большой напряженности поля произойдет электрический разряд через диэлектрик или наступит пробой диэлектрика. Та предельная напряженность поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называется его электрической прочностью. Например, электрическая прочность воздуха равна 30 000 в/см.
Рис. 5,5. Электролитические конденсаторы
Это значит, что для пробоя воздушного зазора толщиной 1 см необходимо на границе его иметь разность потенциалов 30000 в.
Предельное напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением конденсатора. Оно характеризует электрическую прочность конденсатора.
§ 5. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ
Электрические конденсаторы часто соединяются между собой параллельно, последовательно и смешанно. Совокупность нескольких конденсаторов, соединенных между собой по тому или иному способу, называется батареей конденсаторов.
Последовательное соединение конденсаторов подобно последовательному соединению сопротивлений (рис. 5,6 а). При этом соединении напряжение U, приложенное ко всей
79
батарее конденсаторов, распределяется между отдельными конденсаторами прямо пропорционально их емкости, т/ е.
67= U1 + U2 + • • • +67л,
Рис, 5,6. Способы соединения конденсаторов: а — последовательно; б — смешанно; в — параллельно
Заряды на обкладках всех конденсаторов, соединенных последовательно, одинаковы. Общая емкость Собщ батареи меньше емкости отдельного конденсатора и определяется в общем случае из формулы
СобЩ G1 G 1 • • ’ Сп ’
где Q, С2,..., Сп — емкости отдельных коденсаторов.
В частном случае, если последовательно соединяются п конденсаторов, имеющих одинаковую емкость С, то общая емкость батареи равна
С = —
Общ п •
Последовательное соединение применяется в тех случаях, когда надо получить меньшую емкость, чем емкость одного конденсатора, или когда напряжение в сети, в которую надо включить конденсаторы, превышает напряжение, на которое они рассчитаны.
Параллельным соединением конденсаторов называется такое их соединение, когда одни из выходных зажимов всех конденсаторов соединяются в одну общую точку, а другие— в другую (рис. 5,6,в), 80
При параллельном соединении конденсаторов каждый изших находится под одним и тем же напряжением и общая емкость батареи равна сумме емкостей отдельных конденсаторов, т. е.
^общ = С] + С2 + ... +С„.
Если параллельно соединено л конденсаторов, имеющих одинаковые емкости С, то общая емкость определяется формулой
^общ "С-
Параллельное соединение конденсаторов применяется для получения больших емкостей.
Смешанным соединением конденсаторов называется соединение, когда отдельные конденсаторы соединяются между собой последовательно в группы, а группы соединяются между собой параллельно (рис. 5,6,6). Применяется оно для одновременного использования преимуществ параллельного и последовательного соединений.
Если в группе последовательно соединено п одинаковых конденсаторов с емкостью каждого С, то емкость группы (j
находится по формуле Сгр= —, а емкость всей батареи определяется формулой
^-общ ^-Чгр Н- ^2гр “Ь • • • ^пгр "
Таким образом, общая емкость всей батареи равна сумме емкостей отдельных групп, входящих в батарею.
6—2107
ГЛАВА 6
ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
§ 1. СИНУСОИДАЛЬНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
Электрический ток, периодически изменяющийся по величине и направлению, называется переменным током.
Закономерности периодического изменения тока могут быть весьма разнообразны. Поэтому для наглядного представления об изменениях переменного тока его изображают графически в виде кривых, которые строятся таким образом, что в каждый данный момент времени на чертеже ясно
i
Рис. 6,1. Кривые периодических переменных токов
видно направление тока и его величина. Па рис. 6,1 представлены примеры некоторых кривых переменного тока. Вдоль горизонтальной оси вправо от начала координат О откладывается время t, а по вертикальной оси — величина тока. Так как переменный ток периодически меняет свое направление, то на графике принято положительные значения переменного тока изображать выше оси времени, а отрицательные — ниже, причем положительные величины тока отмечаются знаком плюс, а отрицательные — знаком минус. Такими же кривыми изображают и другие переменные электрические величины.
82
\Однако в электротехнике применяется главным образом такЬй переменный ток, который изменяется по закону синуса (рис. 6,1 а). Такой ток называется синусоидальным переменным током, а кривая его изменения — синусоидой.
Для характеристики переменного тока введены понятия периода и частоты тока, мгновенное и максимальное значения его.
Периодом переменного тока называется промежуток времени, в течение которого ток совершает полный цикл своего изменения, после чего процесс его изменения повторяется в той же последовательности. Период измеряется в секундах или в электрических градусах и обозначается буквой Т. Величина, обратная периоду, выражающая число периодов в секунду, называется частотой переменного тока, т. е.
/=Т-
За единицу измерения частоты принят герц (гц, Hz), который равен одному периоду в секунду. Но в технике находят применение и более крупные единицы измерения частоты, а именно: килогерц (кгц), равный 1000 гц, и мегагерц (Мгц), равный 1 000 000 гц. Стандартная частота переменного тока в СССР и в большинстве стран Европы принята равной 50 гц. В проволочной телефонии употребляются частоты от 500 до 5000 гц, а в электротермии — от 50 до 1 000 000 гц. В радиотехнике же пользуются частотами от 1000 кгц до 1000 Мгц. Токи, изменяющиеся с большой частотой, называются обычно токами высокой частоты.
Мгновенным значением переменного тока, переменной э. д. с., а также переменного напряжения называется значение соответствующей величины в любой произвольный момент времени. Мгновенные значения этих переменных величин обозначаются соответственно буквами i, е, и.
Наибольшие из мгновенных значений токов, э. д. с. или напряжений называются максимальными значениями или амплитудами. Амплитуды тока, э. д. с. и напряжения обозначаются соответственно Im, Em, Um.
Соотношения между мгновенными значениями переменных величин и их амплитудами можно установить, если прибегнуть к изображению величин, изменяющихся во времени по закону синуса, так называемыми вращающимися векторами. Если вращающийся вектор, или, иначе, радиус-вектор, в выбранном масштабе изображающий, например, ам-
6* 83
плитуду тока 1т (рис. 6,2), занимает в начальный момент (£=0) горизонтальное положение ОМ и вращается против часовой стрелки с угловой скоростью со, то за какое-то время он пройдет угол а, равный угловой скорости, умноженной на
J/4T t
Рис. 6,2. Векторное и синусоидальное изображение
это время, т. е. а = <вЛ Поэтому в любой произвольный момент времени t, когда вектор тока 1т образует с горизонталью угол tot, проекция его на вертикаль в том же масштабе изображает мгновенное значение тока it
i = lm sin iot.
Поскольку э. д. с. и напряжение, возбуждающие переменный ток, являются также переменными синусоидальными величинами, соотношения между их амплитудами и мгновенными значениями выразятся аналогичными уравне--ниями, т. е.
е — Ет sin u>t и = Um sin iot.
Каждое из этих уравнений является уравнением синусоиды: если окружность, описываемую, например, концом радиуса-вектора 1т развернуть по оси абсцисс, а проекции радиуса-вектора отложить на оси ординат (рис. 6,2 6), то концы этих проекций, взятые в совокупности, образуют синусоиду тока.
Угол а='ы/, пропорционально синусу которого изме-няется переменный ток, называется электрическим или фазовым углом. Он определяет положение вектора тока в рассматриваемый момент времени t. Фазовый угол позволяет 84
установить связь между угловой скоростью, периодом и частотой тока:
со = ~ = 2~ -1- = 2V-
Угловая скорость, выраженная через частоту f, называется угловой частотой переменного тока.
§ 2. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Современными источниками переменного тока стандартной частоты являются так называемые синхронные генераторы. На рис. 6,3 показана схема устройства синхронного генератора. Виток вращается в магнитном поле двух
Рис. 6,3. Схема синхронного генератора
полюсов. Концы витка присоединены к медным кольцам К, насаженным на вал и изолированным друг от друга и от вала. По поверхности колец скользят неподвижные щетки, соединяющие виток с внешней цепью. Для получения синусоидального тока полюсам генератора придают такую форму, при которой магнитная индукция вдоль окружности движения витка изменяется по закону синуса, т. е.
В = Вт sin а,
где В — значение магнитной индукции в данной точке;
Вт— амплитудное значение магнитной индукции;
а— угол между плоскостью витка и плоскостью, перпендикулярной к направлению поля.
При вращении витка в магнитном поле происходит пересечение магнитного потока витком, в результате чего в нем индуктируется переменная э. д. с., направление которой
85
определяется по правилу правой руки. Мгновенное же значение этой э. д. с. определяется по закону электромагнитной индукции
е = Blv,
где v — скорость движения витка относительно магнитного поля;
I—активная длина витка, пересекающего магнитный поток, т. е. длина двух сторон витка;
В— магнитная индукция в той точке, в которой в данный момент находится виток.
Так как индукция В изменяется по закону синуса, то индуктируемая в витке э. д. с. будет также изменяться по закону синуса, т. е.
е = Bmlv sin а.
Поскольку величины Вт, I и v остаются постоянными и их произведение есть амплитуда индуктируемой э. д. с. Ет, то можно написать
е — £msina.
При вращении витка с постоянной скоростью со угол a изменяется пропорционально времени t, т. е. a = со/, поэтому индуктированную э. д. с. можно выразить в зависимости от времени
е — Ет sin ю/.
Отсюда следует, что в витке индуктируется переменная синусоидальная э. д. с. И очевидно, если виток замкнуть на лампу накаливания, то в цепи потечет переменный ток тоже синусоидальной формы.
Необходимо указать, что у генераторов с одной парой полюсов одному обороту витка (якоря) соответствует один период изменения э. д. с., а у генераторов с двумя парами полюсов — два периода изменения э. д. с. При этом геометрические и электрические градусы не совпадут, а именно: 180° геометрическим будут соответствовать 360° электрических. Поэтому в общем виде э. д. с. будет определяться по формуле
е = Ет sin ра,
где р— число пар полюсов.
В данном случае электрическим углом будет являться произведение /?а.
86
§ 3. ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Переменный ток быстро меняется по величине и направлению, поэтому измерить величину его в любой момент времени обычным измерительным прибором нельзя, так как стрелка такого прибора не сможет следовать за быстрыми изменениями тока. Измерительные приборы, включенные в цепь переменного тока, показывают некоторое среднее значение измеряемой величины, называемое действующим или эффективным значением. Обычно эту величину сравнивают с величиной постоянного тока, которая по своему тепловому эффекту ей равноценна. Например, переменный ток, пропущенный через нагревательный элемент, выделил в единицу времени столько же тепла, сколько за это время выделил и постоянный ток в один ампер; следовательно, действующее значение этого переменного тока равно одному амперу.
Таким образом, под действующим, или эффективным, значением переменного тока понимается значение переменного тока, численно равное такому постоянному току, который в данном сопротивлении за один и тот же промежуток времени выделил столько же тепла, сколько и измеряемый переменный ток.
Действующее значение переменного тока обозначается буквой /ив зависимости от максимального тока 1т выражается формулой
1 = =-^ = 0,707
J/2 1.41 ’ т
’ По аналогии с действующим значением переменного тока вводят понятие о действующих значениях э. д. с. и напряжения, каждое из которых в 1^2 раза меньше своей амплитуды.
Все технические измерительные приборы, включенные в цепь переменного тока, показывают действующие значения тока и напряжения.
§ 4. ФАЗА И СДВИГ ФАЗ
Фазой называется электрический угол, определяющий мгновенное значение переменной величины в данный момент времени. Фаза определяется временем или числом градусов, отсчитанных от начала периода. Начало периода — это
87
момент времени, когда переменная величина проходит через нуль, после чего становится положительной.
Мгновенные значения синусоидальных величин, например напряжения и тока, в общем случае определяются выражениями:
u — Um sin (<»/ + фг)
i = Im sin («rf + ф2)-
В приведенных формулах углы ot + ф представляют фазы напряжения и тока, а углы ф— начальные фазы. Начальная фаза определяет значение переменной величины
в момент времени, равный нулю. Начальная фаза может быть положительной (рис. 6,4), отрицательной и равной нулю.
Разность фаз двух переменных синусоидальных величин одинаковой частоты называется углом сдвига фаз или сдвигом фаз. Сдвиг фаз обозначается буквой <р и определяется формулой
<Р = (u>t + <J>j) — (ш/ + ф2) = ф1 — ф2.
Таким образом, сдвиг фаз равен алгебраической разности начальных фаз двух переменных величин.
Рис. 6,5. Кривые напряжения и тока
Как видно из рис. 6,4, если две синусоидальные величины имеют одинаковые фазы, то они достигают своих нулевых и амплитудных значений одновременно. Наоборот, если изменения одной из переменных величин наступают раньше или позже соответствующих изменений второй переменной вели
88
чины, то фазы этих величин различны и между ними существует сдвиг. Так, например, на рис. 6,5 напряжение опережает ток или, иначе, ток отстает по фазе от напряжения. Этот случай сдвига фаз можно записать так:
и — Um sin I
Z = /msin(W—©). |
Если разность фаз равна ± 180°, то говорят, что фазы переменных величин противоположны.
§ 5. ВЕКТОРНЫЕ И РАЗВЕРНУТЫЕ ДИАГРАММЫ
Синусоидальную величину, как указывалось выше, можно изображать вращающимся вектором. Естественно, что таким образом можно изображать не одну синусоидальную величину, а несколько, при этом частота их должна быть одинаковой.
Рис. 6,6. Векторные диаграммы
Совокупность двух или нескольких векторов, изображающих синусоидальные величины одинаковой частоты, называется векторной диаграммой.
На рис. 6,6, а в качестве примера приведена векторная диаграмма токов, определяемых следующими уравнениями:
4 = Am sin ш/;
4 = 4ОТ sin («/—15°);
4 = 4m Sin (W + 45°).
При построении диаграммы вектор, который откладывается первым, можно направлять произвольно, а остальные векторы располагать к нему под углами, равными соответствующим углам сдвига фаз, причем положительные углы
89
откладываются в направлении, обратном движению часовой стрелки, а отрицательные — в направлении движения часовой стрелки.
Векторные диаграммы позволяют быстро и просто производить сложение (рис. 6,6,6) и вычитание векторов однородных величин по обычному правилу параллелограмма или треугольника. Математически векторная сумма переменных величин записывается так:
Ет = Ё1т + Ё2т.
Векторная диаграмма позволяет также наглядно изображать сдвиг фаз между двумя неоднородными переменными величинами одинаковой частоты (рис. 6,6, в).
Развернутой диаграммой называется совокупность двух или нескольких кривых, развернутых во времени и изображающих переменные величины (рис. 6,5). Эти диаграммы также позволяют производить графическое сложение однородных величин путем алгебраического суммирования их ординатных отрезков.
§ 6. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С АКТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Сопротивление проводников постоянному току называется омическим сопротивлением и определяется по формуле
причем величина этого сопротивления не зависит от тока и напряжения в цепи. Наоборот, сопротивление тех же проводников переменному току уже не является постоянной величиной, оно всегда несколько больше сопротивления постоянному току и называется в отличие от омического сопротивления активным.
Увеличение сопротивления переменному току объясняется явлением поверхностного эффекта. Сущность этого явления заключается в следующем. При прохождении переменного тока через проводник как вокруг, так и внутри него создается переменное магнитное поле. Под влиянием этого поля внутри проводника индуктируется э. д. с. самоиндукции, которая согласно правилу Ленца действует против приложенного напряжения, создавая препятствие для 90
прохождения тока. Величина этой э. д. с. по сечению проводника неодинакова: в центре она имеет наибольшее значение, а на поверхности — наименьшее. Вследствие этого ток по сечению проводника распределяется неравномерно: в центре проводника его плотность мала, а по мере приближения к поверхности увеличивается, т. е. переменный ток проходит главным образом по поверхности проводника. Таким образом, полезное сечение проводника уменьшается, что и вызывает увеличение сопротивления. Величина активного сопротивления тем больше, чем больше частота переменного тока. Однако для низких частот (50—500 гц) активное сопротивление практически равно омическому.
Если к зажимам цепи с сопротивлением г (рис. 6,7, а) приложить синусоидальное напряжение u=Um sin cut, то в цепи возникнет переменный ток, величину которого можно определить по закону Ома
i = ~ sin и/ = lm sin <о4
Как видно из формулы, ток будет также изменяться по закону синуса. Причем как ток, так и напряжение будут достигать своего максимума одновременно при sino)Z=±l,
Рис. 6,7. Цепь с активным сопротивлением и ее диаграммы
т. е. совпадать по фазе. На рис. 6,7,6 представлены развернутая и векторная диаграммы для этого случая.
Переходя к действующим значениям тока и напряжения в этой цепи, можно написать
91
Отсюда следует, что в цепи переменного тока с активным сопротивлением закон Ома применим в той же форме, как и в цепи постоянного тока. Произведение /т=Оа называется активным падением напряжения.
§ 7. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ИНДУКТИВНОСТЬЮ
Предположим, что через катушку с постоянной индуктивностью L и с активным сопротивлением г, практически равным нулю (рис. 6,8, а), проходит переменный ток
0-------и--------*0
Xl*U)L
Рис. 6,8. Цепь с индуктивностью и ее диаграммы
i = Im sin cot Благодаря этому в катушке создается переменный магнитный поток Ф = Фт sin at, который, пересекая катушку, будет наводить в ней э. д. с. самоиндукции eL. Величина этой э. д. с. зависит от скорости изменения тока и от индуктивности L, т. е.
Поскольку по цепи проходит ток i—ImSAnat, то э. д. с. определится по формуле
e4 = wZJmsin (wf---=£imsin (at--------~
92
Эта э. д. с. всегда препятствует причине, ее вызывающей. В первую четверть периода она препятствует нарастанию тока, а во вторую — его убыванию. Поэтому изменения э. д. с. самоиндукции не совпадают с изменениями тока, ее порождающего, а отстают от них на четверть периода. Значит, между током и э. д. с. самоиндукции всегда имеется сдвиг фаз в 'Л Т, или на угол 90°. Поэтому на развернутой диаграмме (рис. 6,8,6) синусоида э. д. с. самоиндукции сдвинута вправо на четверть периода, а на векторной диаграмме вектор El повернут по отношению к вектору тока на 90° в сторону отставания.
Так как э. д. с. самоиндукции противодействует любым изменениям тока и как бы является сопротивлением для прохождения тока в цепи, то для поддержания тока в катушке к ее зажимам должно быть приложено напряжение, равное и противоположное э. д. с. самоиндукции eL, т. е.
и = —eL = — *&LIm sin -------
или
и — u>LIm sin -ф —) .
Сравнивая полученные выражения с i ='/msin со/, видим, что напряжение и опережает ток I на 90° и сдвинуто по фазе относительно э. д. с. eL на 180°.
Из приведенного выражения для напряжения следует, что величина амплитуды напряжения при sin;^w/+ = 1
будет равна
' Решая это уравнение относительно амплитуды тока Im, получим
Г . __ Um
<»L 4r.fL '
Отсюда следует, что величина со£ играет роль сопротивления и, следовательно, должна измеряться в омах, поскольку ток измеряется в амперах, а напряжение— в вольтах. Поэтому величина ы£ называется индуктивным сопротивлением или реактивным индуктивным сопротивлением и обозначается
xL = wL = ’ZnfL, где f— частота тока, гц;
£ — индуктивность, гн,
93
Соотношение между действующими значениями напряжения и тока в цепи с индуктивностью определяется формулой
, Ц = Г/ Г
<n£ litfL xL ’
Это выражение представляет собой закон Ома для цепи переменного тока с чистой индуктивностью. Произведение тока I на индуктивное сопротивление xL называется индуктивным или реактивным падением напряжения и обозначается
UL=-IxL = I2^fL
Таким образом, индуктивность в цепи переменного тока обусловливает возникновение в ней э. д. с. самоиндукции. Эта э. д. с. создает реактивное сопротивление в цепи и вызывает запаздывание тока относительно напряжения.
Все явления, возникающие в цепи переменного тока с индуктивностью, связаны с наличием в этой цепи переменного магнитного поля.
§ 8. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ЕМКОСТЬЮ
Если к зажимам конденсатора емкостью С приложить синусоидальное напряжение и= 6/m sin со/ (рис. 6,9, а), то конденсатор будет периодически заряжаться и разряжаться
Рис. 6,9. Цепь с емкостью и ее диаграммы
и в цепи будет течь переменный ток. Но при этом ток через конденсатор не проходит, в цепи лишь происходит движение зарядно-разрядных токов конденсатора.
Действительно, в первую’ четверть периода вместе с увеличением напряжения источника тока конденсатор будет заряжаться до тех пор, пока напряжение источника не достигнет максимума Uт. При этом напряжение на обкладках конденсатора также достигнет максимума Ucm- Ток zc, посту-94
лающий от источника к конденсатору, в момент включения будет максимальным, а по мере заряжания конденсатора будет уменьшаться и в момент, когда напряжение источника достигнет своего амплитудного значения Um, ток станет равным нулю. Во вторую четверть периода напряжение источника уменьшается от максимума до нуля и конденсатор разряжается на источник тока. По цепи снова будет протекать ток, но уже другого направления — ток разряда, который к концу второй четверти достигнет амплитудного зна чения. В следующую половину периода напряжение источника изменит направление и зарядит конденсатор в обратном направлении до максимума, а затем при уменьшении напряжения конденсатор разрядится опять на источник тока. В третью четверть по цепи будет проходить ток заряда, а в четвертую — ток разряда. Таким образом, внешнее напряжение и и напряжение конденсатора Сс в любой момент по величине равны, но противоположны по направлению.
Ток, протекающий по цепи с емкостью, изменяется, как и приложенное напряжение внешнего источника, по закону синуса и опережает напряжение на 90° (рис. 6,9,6), что математически можно выразить следующим образом:
ic = <лС17т sin (wt + = ICm sin (at + -J-) .
Отсюда следует, что амплитуда тока равна
Л?т =
Разделив правую и левую часть этого равенства на V2, получим действующее значение тока
. U U
с _L хс
соС
Это выражение представляет собой закон Ома для цепи переменного тока с емкостью, в котором роль сопротивления выполняет величина
_1 _ _1 _ шС — 2л/С ~ХС’
которая измеряется в омах. Эту величину, оказывающую препятствие переменному току в цепи с емкостью, называют реактивным емкостным сопротивлением или емкостным сопротивлением.
95
Произведение тока / на емкостное сопротивление хс называется реактивным емкостным падением напряжения и обозначается Uc.
Uc = I хс.
Таким образом, цепь переменного тока с емкостью характеризуется тем, что напряжение, возникающее на обкладках конденсатора, противодействует внешнему напряжению и тем самым создает в цепи емкостное сопротивление хс. Оно также вызывает сдвиг фаз между током и напряжением.
Явления, возникающие в цепи переменного тока с емкостью, тесно связаны с наличием в такой цепи электрического поля. Изменения этого поля и вызывают заряд-разряд конденсатора.
§ 9. СМЕШАННЫЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В технике часто встречаются цепи переменного тока, в которых имеются как активное сопротивление, так и индуктивное или активное и емкостное сопротивления, соединенные, как правило, последовательно. Большинство потре-
Рис. 6,10. Неразветвленная цепь с г и L и ее диаграммы
бителей переменного тока обычно являются подобными цепями. Соединение же потребителей между собой в большинстве случаев производится параллельно.
На рис. 6,10, а показана цепь переменного тока, состоя щая из активного г и индуктивного ш/. сопротивлений, соединенных последовательно. При прохождении переменного тока по такой цепи напряжение на ее зажимах в любой момент времени слагается из двух величин: активного падения напряжения иа, совпадающего по фазе с током, и индуктив-96
кого падения напряжения uL, уравновешивающего э. Д. с. самоиндукции и опережающего ток на четверть периода, т. е.
и = иа 4- uL = imr sin + Im^L sin (wt |-
или, обозначив Imr через Uam и /,лшЛ через ULm, получим
« = Uam Sin «>/ + ULm Sin (ф/ + .
Построив кривые ua и tiL (рис. 6,10,6) и сложив алгебраически в каждый момент их ординаты, получим результирующую кривую напряжения и, которое, как видно из диаграммы, изменяется по закону синуса и опережает ток i по фазе на угол <р. Математически результирующее напряжение можно написать так:
и = Um sin (ф?+ ?)•
Эффективное значение полного напряжения на зажимах цепи равно геометрической сумме эффективных значений слагающих, т. е.
U = Tr-]TxL = Ua-YUL.
Это сложение произведено на векторной диаграмме напряжений (рис. 6,10, в), на которой вектор активного падения напряжения Ua =1г совпадает по направлению с вектором тока 1, а вектор реактивного падения напряжения UL=IxL опережает ток на 90°. Геометрическая сумма этих векторов по величине и направлению определяет напряжение на зажимах данной цепи.
Так как при построении получается прямоугольный треугольник ОАВ, то диаграмма часто называется треугольником напряжений. Из этого треугольника, применяя теорему Пифагора, получим
U2 = /2г2 + /2х2,
откуда нетрудно определить ток в цепи
Это соотношение называется законом Ома для цепи переменного тока с последовательно включенными сопротивлениями г и xL, а входящее в его состав выражение
7—2107
97
Рис. 6,11. Тре-
угольник сопротивлений
Vг2 ф- х2 = z называется полным сопротивлением цепи. Полное сопротивление измеряется в омах и определяется как гипотенуза прямоугольного треугольника (рис. 6,11), построенного на катетах сопротивлений г и xL. Этот треугольник называется треугольником сопротивлений, из которого находятся следующие соотношения:
Г • XL
cos ф = ——-; sin = ——. г 1 г
Если цепь переменного тока состоит из емкости С и активного сопротивления г, соединенных последовательно (рис.6,12,а),
то при прохождении через эту цепь переменного тока напряжение на зажимах цепи также равняется геометрической сумме двух слагаемых: U„=lr и Uc = Ixc, первое из которых совпадает с током по фазе, а второе отстает
Рис. 6,12. Неразветвленная цепь с г и С и ее диаграмма
от него на 90° (рис. 6,12,6). В результате геометрического сложения этих двух напряжений получается общее напряжение U, которое отстает от тока на угол <р.
Ток в такой цепи определяется по формуле
; U _(J Иг2 + Х2С 2 '
Это выражение называется законом Ома для цепи переменного тока с последовательно включенными активным сопротивлением и емкостью.
Пример. Катушка с активным сопротивлением г = 9 о.ч и индуктивностью L — 0,05 гн включена под напряжение U = 220 в. Определить ток в катушке, э. д с. самоиндукции и cos если частота тока f = 50 гц.
Решение. Находим кажущееся сопротивление цепи
г = И/-2 + х\ = Vг* + (2л/А)2 = И92 + (2-3,14-50-0,05)2 = 18,1 ом.
98
По формуле (6,1) определяем ток в цепи
I 220 1О,г
'= UU = 12’15 а-
Соответственно находим э. д. с. самоиндукции и cos <р: EL = KifLI= 2-3,11-50-0,05-12,15 = 191 в;
г 9
cos* = ~r= ий=0’49?-
На рис. 6,13, а представлена цепь переменного тока, состоящая из двух параллельных ветвей, в одной из которых
Рис. 6,13. Разветвленная цепь и ее диаграмма
имеется активное сопротивление и индуктивность, а во второй— активное сопротивление и емкость. Такая цепь обычно называется разветвленной.
При параллельном соединении потребителей общей величиной для них является напряжение. Поэтому токи ветвей могут быть определены по закону Ома
J =и J __ и _ 67
1 ~ ~ 21 ’ 2 ~ ” 22 ‘
Поскольку ветви имеют как активные, так и реактивные сопротивления, то и токи в них будут иметь подобные составляющие:
а) активные составляющие, равные
где g\—~ и g2='~2---------активные проводимости ветвей;
Л г2
б) реактивные составляющие, равные
Ipl — ^14^> 1 р2 ~
1*
99
где Ь\— и &2= ——реактивные проводимости ветвей. ?1 г2
Составляющие тока в неразветвленной части цепи будут равны сумме соответствующих составляющих ветвей, т. е.
4 = 41 + 4з = ёР + ёР = + &) U = ёР
ip = ipl + ip2 = ьхи + ьр= (4 + 4) = ьи,
где £ и 6 — активная и реактивная проводимости всей иепи.
Полный ток в неразветвленной части цепи равен геометрической сумме слагающих, т. е.
/=4 + 4-
Это сложение произведено на векторной диаграмме токов (рис. 6,13,6), на которой вектор активного тока 4 = = 41 + 4з совпадает по фазе с вектором напряжения U, а вектор реактивного тока /р—1 pi+Iр2 в зависимости от соотношения между индуктивным и емкостным токами (они противоположны по направлению) может опережать вектор напряжения или отставать от него. Диаграмма токов, имеющая вид треугольника, обычно называется треугольником токов, откуда / = Р
§ 10. РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ
Всякая цепь переменного тока может иметь активное, индуктивное и емкостное сопротивления. Эти сопротивления могут соединяться между собой параллельно, последовательно и смешанно. Цепь с последовательным соединением сопротивлений обычно называется неразветвленной цепью.
В неразветвленной цепи с активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью (рис. 6,14, а) напряжение на ее зажимах состоит из трех составляющих: активного напряжения Uа =1г, совпадающего по фазе с током, индуктивного напряжения U L= IxL, опережающего ток на 90°, и емкостного напряжения L7c=Ixc, отстающего от тока на 90°. На рис. 6,14,6 представлена векторная диаграмма 100
для этого случая, причем UL больше Uc. Разность векторов UL—Uc обозначается Uр и обычно называется реактивным напряжением, т. е.
= UL Uc = Ix^ — Ixc — I (xL Л'с)-
Разность xL—xc называется полным реактивным сопротивлением и обозначается буквой х. Так как xL=2nfL и
Рис. 6,14. Неразветвленная цепь с г, L н С и ее векторные диаграммы:
а — схема цепи; б — без резонанса; в — при резонансе
1
хс ~ 2к/С’ т0 выРажение Для полного реактивного сопротивления будет иметь следующий вид;
х = 2-/£ — .
Ток в неразветвленной цепи определяется по формуле
/ =_______U =JJ_
У^+ТЧ^)2~ 2 '
Эта формула является наиболее общим выражением закона Ома для неразветвленной цепи переменного тока.
Так как в цепях переменного тока влияния индуктивности и емкости прямо противоположны, то можно так подобрать величины £ и С, что реактивное сопротивление цепи станет равным нулю и цепь переменного гока уподобится цепи, состоящей из чистого активного сопротивления. В результате ток в цепи достигнет наибольшего возможного значения и совпадет по фазе с напряжением (рис. 6,14,в). При этом вследствие равенства индуктивного и емкостного сопротивлений будут равны и соответствующие напряжения UL и 17с, а так как фазы их проти
101
воположны, то они в любой момент будут компенсировать друг друга.
Явление, происходящее в цепи переменного тока при xL~xc и UL—UC, называется резонансом напряжений.
Резонанс напряжений может оказаться опасным для установки, у которой индуктивное и равное ему емкостное сопротивления значительно больше ее активного сопротивления. В этом случае напряжения на катушке и на конденсаторе достигают чрезмерно больших значений, опасных для целости их изоляции. В некоторых же случаях, в частности в радиотехнике, явление резонанса широко используется.
Рис. 6,15. Разветвленная цепь с L и С и ее диаграмма прн резонансе токов
Рассмотрим простейший случай параллельного соединения катушки индуктивности L и конденсатора С, считая, что их активные сопротивления равны нулю (рис. 6,15,а), т. е. рассмотрим разветвленную цепь. Эффективные значения токов в ветвях этой цепи определяются соотношениями:
L С
Ток, проходящий в ветви с емкостью, будет опережать напряжение на зажимах цепи на 90°, а ток в цепи с индуктивностью — отставать на 90°. Следовательно, в каждый момент времени эти токи направлены навстречу друг другу, а значит, ток в неразветвленной части цепи равен их разности:
I — Il — Ic~ bell — &с) II•
Если реактивные токи IL и 1С будут равны, в цепи наступит явление резонанса токов, что возможно при условии = Ьс.
102
При этом токи в ветвях будут отличны от нуля, а в не-разветвленной части цепи ток будет равен нулю. На рис. 6,15,6 показана векторная диаграмма токов для данного случая.
При наличии в ветвях активных сопротивлений явление
резонанса токов наступит также при равенстве реактивных
токов в ветвях. В этом случае общий ток в неразветвленной части цепи совпадет по фазе с напряжением на зажимах цепи (рис. 6,16).
Таким образом, если переменный ток в цепи, имеющей реактивные сопротивления, совпадает по фазе с напряжением, приложенным к этой цепи, то в цепи существует явление резонанса.
При последовательном соединении сопротивлений в цепи
Рис. 6,16. Векторная диа-
грамма при резонансе токов
имеется резонанс напряжений,
называемый так потому, что при нем напряжения на зажимах индуктивной катушки и кондепса-
тора могут превосходить, и иногда весьма значительно, напряжение на зажимах всей цепи. При параллельном соединении сопротивлений в цепи наблюдается резонанс токов, называемый так потому, что при нем токи в индуктивной
Рис. 6,17. Цепь для исследования колебательного разряда конденсатора
предварительно зарядить
катушке и конденсаторе могут превосходить, и иногда весьма значительно, ток в неразветвленной части цепи.
Физическая сущность явлений как резонанса напряжений, так и резонанса токов одинакова и заключается в следующем: во всякой цепи, содержащей индуктивность и емкость, возникает переменный электрический ток, если конденсатор и затем замкнуть
цепь на катушку индуктивности с малым активным сопротивлением (рис. 6,17). При этом конденсатор, обладая запасом энергии CU2 и оказавшись замкнутым на катушку,
103
начнет разряжаться, в цепи возникнет увеличивающийся ток, который создаст нарастающее магнитное поле катушки. По мере нарастания разрядного тока в цепи напряжение на обкладках конденсатора будет убывать, и в момент, когда конденсатор разрядится полностью, ток достигнет максимального значения 1т и в катушке создастся запас энергии магнитного поля ^1гт . Другими словами, если активное сопротивление цепи равно нулю, то за первую четверть периода вся энергия электрического поля конденсатора полностью переходит в энергию магнитного поля катушки. В начале второй четверти периода ток в цепи уменьшается, что сопровождается возникновением в катушке э. д. с. самоиндукции, благодаря чему катушка начинает работать генератором, посылая ток в разряженный конденсатор и вновь его заряжая, но уже в обратном направлении. По мере зарядки конденсатора напряжение на его обкладках снова увеличивается, достигая наибольшего значения в момент, когда ток, заряжающий конденсатор, станет равным нулю. Конденсатор оказывается перезаряженным, или, иначе говоря, в течение второй четверти периода энергия магнитного поля катушки перейдет в энергию электрического поля конденсатора. С начала третьей четверти конденсатор начнет снова разряжаться и к концу четверти он снова полностью разрядится; энергия электрического поля опять перейдет в энергию магнитного поля катушки. Разрядный ток конденсатора, достигнув своего максимального значения, начинает уменьшаться, но это уменьшение тока вызывает в катушке э. д. с. самоиндукции, которая, создавая ток, вновь зарядит конденсатор. В дальнейшем весь процесс будет повторяться, создавая в цепи периодические колебания энергии.
Таким образом, в цепи, состоящей из индуктивности и емкости, происходит превращение одного вида энергии в другой, а именно: энергия электрического поля конденсатора превращается в энергию магнитного поля катушки, и наоборот; другими словами, происходит взаимный обмен энергией между катушкой и конденсатором. В результате этого в цепи циркулирует переменный электрический ток с некоторой собственной частотой /0, величина которой зависит от соотношения L и С.
Если рассматриваемую цепь подключить к внешнему источнику тока, частота которого будет равна частоте собственных колебаний данной цепи, то наступит явление ре-104
зонанса. Если индуктивность и емкость соединены последовательно, то имеет место явление резонанса напряжений, а если они соединены параллельно, то наступает явление резонанса токов. Наличие в цепи активного сопротивления
не изменяет в этом случае периодического, или незатухающего, характера колебаний, так как потери энергии на нагревание активного сопротивления будут непрерывно пополняться внешним источником тока. Следовательно, при резонансе происходит обмен энергией между внутренними элементами цепи, внешний же источник в обмене энергией не принимает участия.
Частота питающего цепь тока, при которой наступает явление резонанса, определяется из условия xL = хс, или bL = t>c, откуда
1
2*уТС ’
(6,2)
где L и С выражены в практических единицах, т. е. в генри и фарадах.
Здесь необходимо заметить, что явления, наблюдаемые в резонирующей цепи, очень хорошо иллюстрируют взаимодействие электрического и магнитного полей как двух сторон единого электромагнитного поля.
Пример. В цепи, состоящей из последовательно соединенных катушки с г = 1 ом н L = 0,01 гн и конденсатора емкостью С = 25 мкф, наблюдается явление резонанса напряжений. Определить ток в цепи, его частоту и напряжение на катушке и на конденсаторе, если к зажимам цепи приложено напряжение V = 220 в.
Решение. Определяем частоту тока по формуле (6,2):
2-3,14 JZ0.01 -25- 10-е
Так как
х = — хс = 2-3,14- 318-0,01 — 2.3,14-318-25-10-е = 20 — 20 = 0,
то ток в цепи
Напряжения на зажимах ответственно будут равны
катушки и на зажимах конденсатора со-
t/K = 17* + = У (1г? + (1Х[У = JZ(22O-I)2 + (220-20)2 = 4400 в;
ис = ,хс
990_________-________
2-3,14-318-25-10-в
= 4400 в.
105
Отсюда видно, что напряжения Uv и Uc увеличились по сравнению с напряжением, приложенным к цепи, в 20 раз. Такое напряжение, очевидно, является опасным для данной цепи и обслуживающего персонала.
§ 11. МОЩНОСТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Мощность постоянного тока определяется произведением тока на напряжение. Для переменного тока при отсутствии сдвига фаз мощность выражается также произведением действующих значений напряжения и тока, но при наличии сдвига фаз произведение показаний вольтметра и амперметра, включенных в цепь переменного тока, не даст действительной мощности, измеренной ваттметром. В связи с этим в цепях переменного тока различают мгновенную, активную, реактивную, среднюю и кажущуюся, или полную, мощности.
Мгновенной мощностью называется произведение мгновенного значения напряжения на мгновенное значение тока, т. е.
р = ui.
На рис. 6,18 приведены кривые мощности в цепях с активным сопротивлением, с индуктивностью и емкостью, а на рис. 6,19 — в цепи с активным и индуктивным и в цепи с активным и емкостным сопротивлениями. Эти кривые показывают характер изменения мгновенной мощности в зависимости от сопротивления цепи переменного тока или в зависимости от характера нагрузки в цепи переменного тока.
Так как в цепи с активным сопротивлением и и i совпадают по фазе, го их произведение всегда будет положительным, т. е. все значения мощности положительны, и кривая мощности располагается выше оси абсцисс. С фи-
Рис. 6,18. Графики мгновенных мощностей в цепях переменного тока
106
Рис. 6,19. Графики мощностей в смешанных цепях переменного тока
зической точки зрения это значит, что при прохождении тока в цепи независимо от его направления мощность поступает от источника в цепь и в ней расходуется, т. е. движение энергии происходит только от источника в цепь. Эта мощность, расходуемая в активном сопротивлении, характеризует скорость превращения электрической энергии в тепловую или механическую энергию и называется активной мощностью.
В цепи переменного тока с индуктивностью, но при активном сопротивлении, равном нулю, в течение одной четверти периода произведение til положительно, а в течение следующей четверти — отрицательно, причем положительные и отрицательные амплитуды мощности по абсолютной величине равны. В течение третьей четверти периода произведение ui снова положительно, а в четвертой— снова отрицательно. Если мгновенная мощность положительна, то это значит, что цепь работает в качестве приемника электроэнергии, а если мощность отрицательна— цепь работает в качестве источника.
Так как в течение периода мощность два раза принимает положительные значения и два раза отрицательные, то можно сделать заключение, что в идеальной цепи с индуктивностью, не обладающей активным сопротивлением, в течение периода энергия два раза поступает от внешнего источника в цепь и два раза возвращается из цепи во внешний источник. Следовательно, в идеальной цепи с индуктивностью электромагнитная энергия не превращается в другие виды энергии, а происходит лишь взаимный периодический обмен энергией между внешним источником и магнитным полем цепи, т. е. источник, питающий цепь, своей энергии не расходует. То же самое происходит и в идеаль
107
ной цепи с емкостью. Только взаимный периодический обмен энергией происходит между внешним источником и электрическим полем конденсатора. В обоих случаях расхода энергии в цепи не происходит.
Мощность, не расходуемая в цепи и характеризующая скорость взаимного периодического обмена энергией между внешним источником и магнитным или электрическим полем цепи, называется реактивной мощностью. Среднее значение этой мощности за период равно нулю. Действующее значение реактивной мощности в любой момент времени определяется по формуле
Рр = UI sin <р,
где U—действующее значение напряжения, в;
I — действующее значение тока, а;
sin <р— синус угла сдвига между током и напряжением.
Единица измерения реактивной мощности — вольтам-пер реактивный.
В цепях переменного тока, содержащих г и L или г и С (см. рис. 6,19), мгновенная мощность также меняется периодически как по величине, так и по знаку. Однако положительная часть кривой имеет большую площадь, чем отрицательная. Это означает, что в цепь от внешнего источника поступает большее количество энергии, чем возвращается цепью источнику, а значит, в цепи имеется как активная, так и реактивная мощность; в цепи происходит как превращение электрической энергии в тепловую или механическую энергию, так и взаимный периодический обмен энергией между источником и цепью.
Средней мощностью называется отношение энергии, израсходованной в цепи за период, к продолжительности этого периода. Так как среднее значение реактивной мощности за период равно нулю, то средняя мощность цепи переменного тока представляет собой среднюю активную мощность цепи, или просто активную мощность. Она характеризует среднюю скорость превращения электрической энергии в тепловую или механическую энергию.
Средняя, или активная, мощность цепи переменного тока равна произведению действующих значений напряжения и тока, умноженному на cos <р, т. е.
P — UI cos <р.
Эта формула является основной, так как она применима к любой цепи переменного тока или к ее участку. Косинус 108
угла сдвига фаз cos <р в этой формуле называется коэффициентом мощности переменного гока. Если сдвиг фаз равен нулю, то cos<p=l и, следовательно, активная мощность будет наибольшей при тех же значениях тока и напряжения. Наоборот, если сдвиг фаз равен 90°, то cos<p=0 и, следовательно, активная мощность равна нулю. Во всех промежуточных случаях cos ср бывает больше нуля и меньше единицы.
Активная мощность измеряется в ваттах, киловаттах и мегаваттах.
Произведение действующих значений тока и напряжения называется полной мощностью переменного тока, т. е.
Pi = Ul.
Эта мощность измеряется не в ваттах, а в вольтампе-рах (ва) или в киловольтамперах (кеа). Полная мощность является расчетной величиной.
ГЛАВА 7
ТРЕХФАЗНЫЙ ТОК
§ 1. ПОЛУЧЕНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
Помимо однофазного переменного тока, основные свойства которого были рассмотрены в предыдущей главе, в электротехнике применяются многофазные системы переменных токов. Всякая многофазная система представляет собой совокупность нескольких переменных токов одинаковой частоты, отличающихся друг от друга по фазе. Из всех возможных многофазных систем наиболее широкое и почти исключительное распространение получила трехфазная система переменных токов, разработанная М. О. До-ливо-Добровольским в 1889 г.
Трехфазной системой переменных токов или просто трехфазным током называется совокупность трех переменных токов одинаковой частоты, отличающихся друг от друга по фазе на одну треть периода. При этом обычно предполагают, что амплитуды всех трех токов тождественны.
Система трехфазного тока, образующая единую трехфазную цепь, состоит из трех отдельных цепей. Каждая такая цепь трехфазной системы сокращенно называется фазой (не следует смешивать с понятием, характеризующим мгновенное состояние периодически изменяющейся величины). Ток каждой такой фазы представляет собой по своим свойствам обычный переменный ток, который по этой причине и получил название однофазного тока.
Одно из самых важных свойств трехфазного тока состоит в том, что в каждый данный момент времени сумма мгновенных значений входящих в его состав трех однофазных токов равна нулю. Это позволяет трехфазный ток передавать по трем проводам вместо шести. Вторым важным свойством трехфазного тока является создание вращающегося магнитного поля.
ПО
Трехфазный ток можно получить от трехфазных син-хронных генераторов. Устройство трехфазного генератора схематически показано на рис. 7,1. Он состоит из двух основных частей: неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части, называемой ротором. На статоре генератора уложены три одинаковые обмотки /, 2, 3, смещенные одна относительно другой по окружности статора на 120° (2/зл). Эти обмотки называются фазными обмотками или фазами. Ротор же представляет собой вращающийся электромагнит, поле которого постоянно.
Рис. 7,1. Схема трехфазного генератора
При вращении ротора в обмотках индуктируются переменные э. д. с. одной и той же частоты, имеющие одинаковые амплитуды, но сдвинутые одна от другой на 1/3 периода, т. е. отличающиеся одна от другой по фазе. Если каждую обмотку (фазу) генератора замкнуть на какой-либо приемник электроэнергии, то в генераторе возникнут три переменных тока, также отличающиеся друг от друга по фазе на '/з периода, т. е. в цепи будет трехфазный ток.
Если за начало отсчета времени принять момент, когда ток первой фазы проходит через свое нулевое значение, и если считать, что нагрузка на фазу активная, то тогда ток первой фазы может быть выражен уравнением
Z, — Im sin wt.
Ток второй фазы трехфазного генератора, отстающий от тока первой фазы на */з периода, определится уравнением
z2 = /msin(o)Z—120°).
Ток третьей фазы трехфазного генератора, отстающий от тока второй фазы на */з периода, определится уравнением
is = lm sin (ш/ — 240°).
111
Рис. 7,2. Развернутая п векторная диаграммы трехфазного тока
На рис. 7,2 представлены кривые этих токов и их векторная диаграмма.
Таким образом, каждая из обмоток трехфазного генератора является самостоятельным источником электрической энергии и может замыкаться на свой приемник электроэнергии. В этом случае для передачи энергии требуется шесть проводов. В результате получается так называемая несвязанная трехфазная система (см. рис. 7,1). Но на практике обмотки трехфазных генераторов обычно соединяются по схеме звезды или по схеме треугольника. Такими же способами соединяются и потребители трехфазного тока.
Зажимы обмоток трехфазного генератора принято называть началами и концами фаз, причем первые обозначаются буквой Н или буквами А. В, С, а вторые — буквой К или буквами X, У, Z. Положительным направлением э. д. с. и тока в обмотке генератора считают направление от конца фазы к ее началу, а в приемниках, наоборот,— от начала к концу.
§ 2. СОЕДИНЕНИЕ ПО СХЕМЕ ЗВЕЗДЫ
Под соединением звездой понимается такое соединение фаз генератора или потребителя, при котором концы всех фаз соединяются в общую узловую точку, а их начала — с проводами, соединяющими генератор и потребитель. Узловая точка называется нейтральной или нулевой, а провод, соединяющий нулевые точки генератора и потребителя, — нулевым или уравнительным. Провода же, соединяющие начала фаз генератора с началами фаз потребителя, называются линейными. Схема звезды с нулевым проводом называется четырехпроводной, а без нулевого про-112
вода — трехпроводной. На рис. 7,3, а изображена четырехпроводная схема трехфазной системы при соединении звездой.
Напряжения между началами и концами фаз или между линейными проводами и нулевым проводом называются фазными, а напряжения между началами фаз или между линейными проводами — линейными. Фазные напряжения обозначаются 17 А, Uв, Uc или U\, U2, U3, а так же 7/ср. Линейные напряжения соответственно обозначаются UAB, UBC, UCA, Ui2, U23, U3] или 17л. Токи в такой трехфазной системе разделяются также на фазные и линейные. Фазными называются токи, протекающие по фазам, а линейными — по линейным проводам. Первые обозначаются 7ф1, /ф2, /ф8 или /ф, а вторые — /л или /. В ряде случаев применяются и другие обозначения.
При соединении фаз генератора или потребителя звездой их линейные токи, как видно из схемы (рис. 7,3, а), равны соответствующим фазным токам, т. е. /ф = /л. Соотношение же между линейным напряжением Ол и фазным напряжением 77ф можно установить, рассмотрев векторную диаграмму этих напряжений при соединении фаз звез-
Рис. 7,3. Трехфазная система звезды: а — схема соединения; б — векторная диш рамма напряжений
8—2107
ИЗ
дой (рис. 7,3,6). На диаграмме имеются три равнобедренных треугольника ОВА, ОСВ и ОАС. Опустив перпендикуляр из вершины любого такого треугольника, например треугольника ОВА, на вектор линейного напряжения, получим прямоугольный треугольник ОаВ, из которого следует, что
~17л = иф cos 30° = ,
откуда
67л = И36/ф==1,7367ф.
Таким образом, при соединении фаз генератора или приемника звездой линейный ток равен фазному, а линейное напряжение в j/З раза больше фазного напряжения.
Четырехпроводная схема звезды применяется при неравномерной нагрузке на фазы, а трехпроводная — при равномерной, т. е. когда нагрузки всех трех фаз одинаковы по величине и характеру. Нулевой провод в схеме выполняет роль обратного, через который проходит сумма всех трех однофазных токов. При равномерной же нагрузке на фазы суммарный ток в нулевом проводе равен нулю и необходимость в таком проводе отпадает. В этом случае обратным проводом для тока каждой фазы являются провода других фаз системы.
В отсутствии тока в нулевом проводе при равномерной нагрузке можно убедиться, сложив мгновенные значения токов всех трех фаз. Производя такое сложение, получим
/0 = Ч + О + Ц — sin 0>^ + Л» sin — 120°) +
4- lm sin (u)Z— 240°) — lm [sin iot + sin («/— 120°) +
+ sin (и/ — 240°)] = Im (sin iot -f- sin wt cos 120° —
— cos a>/ sin 120° + sin oiZcos 240° — cos Wsin 240°) =
= Im (sin wt--sin cos u>t—
---sin iot — cos w/j = 0.
При неравномерной нагрузке нулевой провод необходим, иначе изменение нагрузки в одной фазе будет приводить к изменению тока и напряжения в двух других фазах, что на практике является нежелательным. Действительно, предположим, что нагрузкой на фазы (см. рис. 7,3, а) служат лампы на 220 в одинаковой мощности и что в третьей фазе все лампы выключены, во второй фазе включена одна
114
лампа, а в первой фазе — девять ламп. Так как третья фаза выключена, то в случае обрыва нулевого провода первая и вторая фазы окажутся включенными последовательно под линейное напряжение 220- 1,73 = 380 в. которое распределится между ними пропорционально сопротивлениям. Так как лампы первой фазы включены между собой параллельно, общее сопротивление этой фазы будет в девять раз меньше сопротивления второй фазы и, значит, на вторую фазу придется 9/io общего напряжения, т. е. ^ф2 = = IQ -380=342 в, а на первую фазу придется '/io общего напряжения, т. е. 67ф1=-Дг -380=38 в. Лампы фазы ОА
Рис. 7,4. Схема включения ламп звездой
будут гореть с очень плохим накалом, лампа, включенная в фазу ОВ, перегорит. Следовательно, нулевой провод всегда должен быть там, где нагрузка фаз неравномерная, как, например, в сети освещения.
На рис. 7,4 показана типовая схема включения ламп накаливания звездой. Как видно из схемы, предохранители и выключатели как в нулевом проводе, так и в ответвлениях от него не ставятся, так как перегорание предохранителя или выключение выключателя равносильно обрыву нулевого провода, последствия которого вредны.
§ 3. СОЕДИНЕНИЕ ПО СХЕМЕ ТРЕУГОЛЬНИКА
Соединением по схеме треугольника называется такое соединение фаз генератора или потребителя, при котором
8’
115
конец первой фазы соединяется с началом второй, конец второй — с началом третьей, конец третьей — с началом первой, а узловые точки соединяются с линейными проводами. На рис. 7,5,а представлена схема такого соединения.
При соединении треугольником линейные напряжения, как видно из схемы, в то же время являются фазными напряжениями, т. е. Ua = 77ф.
Рис. 7,5. Трехфазная система по схеме треугольника: а — схема соединения; б — векторная диаграмма
Соотношение между линейным током /л и фазным током /ф при соединении треугольником можно найти, рассматривая векторную диаграмму линейных и фазных токов при равномерной нагрузке фаз (рис. 7,5,6). На этой диаграмме линейные токи, представленные как разность векторов соответствующих фазных токов, являются основаниями равнобедренных треугольников с углом 120° при вершинах. Опуская перпендикуляр из вершины треуголь-116
пика ОРМ на вектор линейного тока /л1, получим прямоугольный треугольник ОРН, из которого следует, что
1 г j nr>o /
2 * л1 * ф1 COS 30 /ф^ Q >
откуда
Ля = V3 /ф] = 1,73/ф1
или в общем случае
Л = 1 Aj> ~ 1>73 /ф.
Таким образом, при соединении треугольником линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в 1^3 раза больше фазного тока.
При соединении треугольником приемников изменение нагрузки одной фазы не отражается на работе двух других фаз, как это происходит при соединении звездой. При соединении же треугольником фазных обмоток генератора создается замкнутый контур с небольшим сопротивлением. Для источников постоянного тока такое их соединение равносильно совместному короткому замыканию. Но в замкнутом контуре трехфазной системы, соединенной треугольником, при отключении внешней нагрузки ток равен нулю. Это объясняется тем, что алгебраическая сумма мгновенных значений трех э. д. с., сдвинутых взаимно по фазе на 120°, равна нулю:
е, + е2 4- е3 = 0.
Это свойство трехфазной системы нельзя забывать при соединении фазных обмоток генератора, так как при неправильном их соединении, или, как говорят, при неправильном чередовании фаз (например, конец первой фазы правильно соединен с началом второй, но конец второй фазы соединен не с началом третьей фазы, а с ее концом и т. д.), в замкнутом контуре сумма э. д. с. не будет равна нулю, а будет равна удвоенному значению фазной э. д. с. При небольшом сопротивлении контура это равноценно короткому замыканию.
Естественно, что указанное обстоятельство опасно для генератора, поэтому соединение треугольником обмоток генератора применяется довольно редко. Наоборот, соединение треугольником потребителей применяется весьма часто.
Возможность включения одних и тех же приемников
117
ТОка звездой и треугольником расширяет область их применения. Так, например, 127-вольтовые лампы накаливания при соединении треугольником могут быть включены в сеть с линейным напряжением 127 в, а при соединении звездой—в сеть с линейным напряжением 220 в. Подобным же образом 220-вольтовые лампы могут работать в сетях с линейным напряжением 220 и 380 в.
§ 4. МОЩНОСТЬ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
Трехфазный ток, как уже указывалось выше, есть совокупность трех однофазных токов. Поэтому мощность трехфазного тока равна сумме мощностей трех однофазных токов, т. е.
Р = Рф1 “Ь Рф2 + ^фЗ-
При равномерной нагрузке фаз полная мощность системы будет равна
Рt= ЗРф = 377ф/ф.
Заменяя фазный ток и напряжение через их линейные величины U и / как при соединении звездой (/ф =/ и 77ф = = , так и при соединении треугольником ^/ф =
77ф =77), получим
Р. = К377/ ва
1
И 1/3
или
Pt = V3UI-10-3 кеа.
Соответственно активная мощность трехфазной системы определится формулой
р=Узи/ cos <? вт или
Р — Узи1 -10-3 cos<p кет,
где <р — угол сдвига фаз между током и напряжением.
Реактивная мощность трехфазной системы находится по формуле
Рр = Из UI- 10-s sin квар.
Для трехфазной цепи справедливы и такие соотношения:
Р Рр . РР
cos<p=-p-; sin<p=p^; tg? = -p-.
118
Следует заметить, что если одни и те же приемники сначала соединить звездой, а затем треугольником, то потребляемые мощности в обоих случаях будут разные. Действительно, при переходе от соединения звездой к соединению треугольником напряжение на каждом приемнике возрастет в 1^3 раза и, следовательно, ток в приемнике тоже увеличится в /З раза. Помимо этого, при переходе от звезды к треугольнику линейный ток в р^З раза больше фазного тока. В результате линейный ток увеличится в Гз-Гз = 3 раза, а это значит, что и мощность системы при переходе от соединения звездой к соединению треугольником увеличится в три раза.
ГЛАВА 8
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Измерить какую-либо электрическую величину — это значит сравнить ее с другой однородной величиной, принятой за единицу измерения. Это сравнение обычно производится с помощью электроизмерительных приборов.
Электроизмерительные приборы классифицируются по ряду основных признаков: по принципу действия, роду измеряемой величины, роду тока, степени точности, характеру применения и способу получения отсчета.
По принципу действия электроизмерительные приборы делятся на приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, индукционной, тепловой, термоэлектрической, электронной, выпрямительной и вибрационной системы, а также приборы сопротивления.
По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы делятся на: 1) амперметры — для измерения тока, 2) вольтметры — для измерения э. д. с. и напряжения, 3) омметры — для измерения сопротивлений, 4) ваттметры — для измерения мощности, 5) счетчики — для измерения электроэнергии, 6) частотомеры — для измерения частоты переменного тока, 7) фазометры — для измерения угла сдвига фаз, 8) гальванометры — для измерения малых значений величин, 9) осциллографы — для измерения быстро изменяющихся величин — и другие приборы.
По роду тока электроизмерительные приборы делятся на: 1) приборы постоянного тока, применяемые только в цепях постоянного тока, 2) приборы переменного тока, применяемые только в цепях переменного тока, и 3) приборы постоянно-переменного тока, применяемые как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.
120
Таблица 8,1
Условные знаки, помещаемые на шкале электроизмерительных приборов
Условный знак Значение знака Условный знак Значение знака
(D । м? ж 4 ° ~~ f Класс точности прибора 0,5 Прибор постоян- ного тока Прибор переменного тока Прибор постоянного и переменного токов Прибор трехфазного тока Изоляция прибора испытана напряжением 2000 в Магнитный экран Вертикальное положение шкалы прибора Горизонтальное положение шкалы прибора Положение прибора К’ © ни- @ -/ ф о Знак высокого напряжения Магнитоэлектрическая система прибора Электродинамическая система прибора Электромагнитная система прибора Тепловая система прибора Индукционная система прибора Электростатическая система прибора Термоэлектрическая система прибора Вибрационная система прибора
121
По степени точности электроизмерительные приборы делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифры означают наибольшую допустимую погрешность, выраженную в процентах, от номинального значения шкалы прибора.
По характеру применения измерительные приборы делятся на стационарные и переносные, а по способу монтирования — на щитовые и пультовые. По конструкции защиты корпуса измерительные приборы бывают защищенного, брызгозащищенного, водозащищенного, герметического и взрывобезопасного исполнения.
По способу получения отсчета измерительные приборы делятся на: 1) приборы с непосредственным отсчетом, т. е. приборы непосредственно показывающие числовые значения измеряемой величины, 2) самопишущие приборы, т. е. приборы, которые автоматически записывают показания на движущейся ленте или цилиндре, как правило, смонтированных внутри прибора, 3) интегрирующие приборы, т. е. приборы, позволяющие получать суммарное значение измеряемой величины за время действия прибора, 4) компани-рующие приборы, или приборы сравнения, т. е. приборы, позволяющие сравнивать измеряемую величину с мерой.
Для определения системы прибора, его назначения, рода измеряемого тока, класса точности и г. п. на шкалах ставятся условные знаки (табл. 8,1).
В электрических измерениях широко применяются также электрические меры и эталоны. Электрическими мерами называются вещественные образцы, обладающие той или иной электрической величиной, значение которой известно. К числу таких мер относятся нормальные элементы, измерительные катушки сопротивления, катушки индуктивности, магазины сопротивлений, измерительные конденсаторы и магазины емкостей. Образцовые меры, выполненные с наивысшей точностью, носят название эталонов.
§ 2. ОСНОВНЫЕ ДЕТАЛИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРОВ
Многие из электроизмерительных приборов непосредственной оценки имеют ряд одинаковых деталей и приспособлений, на рассмотрении которых и остановимся.
Устройство для создания противодействующего момента. Всякий электроизмерительный прибор непосредственной оценки состоит из двух основных частей: подвиж-122
нои и неподвижной. Подвижная часть под действием вращающего момента, создаваемого измеряемой величиной, отклоняется. Этому отклонению противодействует момент сопротивления, называемый обычно противодействующим моментом. При установившемся положении подвижной системы противодействующий момент всегда равен вращающему моменту прибора, т. е. /Инр = Л4ир.
Для создания противодействующего момента в приборах используются механические или электромагнитные силы. Наиболее часто противодействующий момент создается при помощи спиральных пружин, изготовляемых
Рис. 8,1. Успокоители: а — воздушный; б — электоматитный
обычно из фосфористой или оловянисто-цинковой бронзы. Один конец пружины крепится к неподвижной части прибора, а другой — к оси прибора. Некоторые приборы имеют две пружины. Создаваемый пружинами противодействующий момент должен быть пропорционален углу закручивания и раскручивания.
Успокоители. Для быстрой установки подвижной части прибора в положение равновесия применяются так называемые успокоители, которые бывают двух типов — воздушные и электромагнитные. Воздушный успокоитель (рис. 8,1, а) состоит из металлической камеры /, поршняР, который при помощи выгнутого рычага 3 связан с осью вращения стрелки прибора. При повороте оси прибора поршень, двигаясь в камере, встречает сопротивление воздуха,
123
благодаря чему подвижная система быстро останавливается. Основными деталями электромагнитного успокоителя (рис. 8,1,6) являются алюминиевый диск 1, укрепленный на оси вращения стрелки, и подковообразный магнит 2. При движении диска между полюсами в нем индуктируются вихревые токи, которые, взаимодействуя с полем
Рис. 8,2. Шкалы приборов: а — равномерная; б — неравномерная
постоянного магнита, тормозят движение диска, обуслов-ливая тем самым быстрое успокоение подвижной части прибора.
Шкалы приборов. Шкала всякого электроизмерительного прибора представляет собой обычную металлическую пластинку, на поверхности которой нанесены деления.
Рис. 8,3. Устройство корректора
Каждому делению шкалы соответствует определенное значение измеряемой величины, что указывается на шкале цифрами. Числовая величина, соответствующая одному делению, называется ценой деления шкалы. Отсчет измеряемой величины производится по шкале при помощи указателя. По характеру расположения делений различают шкалы равномерные и неравномерные (рис. 8,2). Некоторые приборы имеют ножевидные стрелки
и зеркальные шкалы.
Корректор и арретир. Для установки стрелки в нулевое положение в тех случаях, когда стрелка невключенного прибора не стоит на нуле, применяется так называемый
124
корректор (рис. 8,3). Он состоит из поводка 1, укрепленного на оси прибора, и винта 2, выступающего снаружи корпуса прибора. Поворачивая винт, посредством поводка смещают точку закрепления пружины, создающей противодействующий момент, а тем самым и стрелку прибора.
Арретиром называется приспособление, с помощью которого можно закрепить подвижную часть у неработающего прибора.
Для уравновешивания подвижной части прибора применяются противовесы в виде стерженьков с грузиками, которые укрепляются на оси прибора.
§ 3. ПРИБОРЫ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Действие приборов магнитоэлектрической системы основано на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и подвижной катушки, по которой проходит измеряемый ток. На рис. 8,4 показаны устройство и общий вид
а
Рис. 8,4. Прибор магнитоэлектрической системы: а — схема устройства; б — внешний вид
одного из приборов этой системы. Прибор состоит из подковообразного магнита 1 с полюсными наконечниками 2, между которыми укреплен неподвижный цилиндр 3 и алюминиевая рамка с катушкой 4, свободно поворачивающаяся вокруг цилиндра. На оси рамки находится стрелка прибора, отклоняющаяся вместе с поворотом рамки. Противодействующий момент создают две спиральные пружины 5, через которые подводится измеряемый ток к об
125
мотке катушки. Конец стрелки перемещается над шкалой. Все детали прибора монтируются в корпусе, который изготовляется из металла или пластмассы.
При прохождении тока по обмотке рамки возникает магнитное поле, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает вращающий момент. Под действием этого момента рамка поворачивается, а вместе с ней и стрелка прибора на некоторый угол, при котором наступает равновесие подвижной системы прибора.
Угол поворота стрелки прибора прямо пропорционален току, протекающему по катушке прибора, благодаря чему магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу. Направление отклонения стрелки зависит от направления тока. Поэтому эти приборы пригодны только для цепей постоянного тока. При переменном токе средний за период вращающий момент равен нулю и стрелка не будет отклоняться.
Приборы магнитоэлектрической системы имеют следующие основные достоинства: равномерную шкалу, высокую чувствительность и большую точность, весьма малую чувствительность к внешним магнитным полям, малое потребление энергии и хорошую апериодичность, т. е. подвижная система прибора быстро успокаивается. Основными недостатками приборов этой системы являются: пригодность только для измерения постоянного тока, большая чувствительность к перегрузкам и тряскам, а также сравнительно высокая стоимость.
Приборы магнитоэлектрической системы обычно используются в качестве амперметров и вольтметров. Отличие между ними состоит в том, что амперметры имеют шунты, а вольтметры — добавочные сопротивления. Приборы этой системы также используются в качестве омметров и гальванометров. Все эти приборы выпускаются как технических, гак и лабораторных типов. Кроме того, приборы высших классов обычно изготовляют многопредельными и комбинированными, т. е. для измерения тока и напряжения.
§ 4. ПРИБОРЫ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
С целью использования приборов магнитоэлектрической системы для измерения переменного тока применяется ряд их модификаций, в частности приборы термоэлектрической и выпрямительной систем.
126
Термоэлектрические приборы
Термоэлектрические приборы представляют собой совокупность магнитоэлектрических приборов и гермопреобразователей, служащих для преобразования переменного тока в постоянный. На рис. 8,5 представлены схемы термоэлектрических приборов. Каждый такой прибор состоит из нагревательного элемента, одной или нескольких термопар и магнитоэлектрического прибора. Нагреватели, как правило, изготовляются из константановой или платиноиридие-вой проволоки, а термопары — из железной и константановой проволок. Термопреобразователи бывают контактные,
Рис. 8,5. Схемы приборов термоэлектрической системы
когда термопара соединена с нагревателем, и бесконтактные, когда термопара нагревается через воздушный промежуток или стеклянную бусинку. Термопреобразователи изготовляются в пластмассовом корпусе, а в приборах высокой чувствительности — в стеклянных вакуумных баллонах. Термопреобразователь помещается в одном корпусе с измерительным прибором или отдельно.
Сущность работы термоэлектрических приборов заключается в следующем. Измеряемый переменный ток, проходя по нагревательному элементу, создает разность температур между местом спая и его холодными зажимами, к которым подключен магнитоэлектрический прибор. В результате под влиянием термоэлектродвижущей силы по прибору потечет постоянный ток, величина которого пропорциональна количеству тепла, выделяемого измеряемым током в месте спая. Поскольку количество тепла пропорционально квадрату тока, то угол отклонения подвижной! системы пропорционален квадрату измеряемого тока.
Основными достоинствами термоэлектрических приборов являются: высокая чувствительность, независимость
127
показаний от изменения частоты в широких пределах, а также незначительное потребление электроэнергии. Недостатки этих приборов: чувствительность к перегрузкам и неравномерность шкалы. Термоэлектрические приборы, как правило, применяются в качестве амперметров и вольтметров.
Выпрямительные приборы
Выпрямительные, или детекторные, приборы представляют собой совокупность магнитоэлектрических приборов и так называемых полупроводниковых выпрямителей. Последние служат для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямители обычно соединяются по схемам
Рис. 8,6. Схемы выпрямительных приборов: а — однополупериодная; б — двухполупериодная
однополупериодного или двухполупериодного выпрямления (рис. 8,6), к которым и подключаются магнитоэлектрические приборы.
Детекторные приборы применяются для измерения небольших токов и напряжений в цепях переменного тока с частотой до 10 кгц и изготовляются в виде переносных комбинированных приборов — вольт амперметров и щитовых приборов — вольтметров и частотомеров.
§ 5. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
Действие приборов электромагнитной системы основано на втягивании железного сердечника в неподвижную катушку при прохождении по ней измеряемого гока. Устройство одной из наиболее распространенных конструкций 128
этой системы схематически показано на рис- 8,7, а. Прибор состоит из неподвижной катушки 1, плоского железного сердечника 2, закрепленного эксцентрично на оси прибора, спиральной пружины 3, воздушного успокоителя 4, стрелки, шкалы и корпуса.
При прохождении по катушке тока создается магнитное поле, под действием которого сердечник втягивается внутрь катушки, причем тем больше, чем больший ток проходит по катушке. Приближенно можно считать, что сила втягивания пропорциональна квадрату измеряемого тока, поэтому электромагнитные приборы имеют квадратичные, т. е. неравномерные, шкалы.
Рис. 8,7. Приборы электромагнитной системы: а — нормальный; б — астатический
Электромагнитные приборы пригодны для измерений как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока. Однако они применяются преимущественно для измерений в цепях переменного тока.
Основными достоинствами электромагнитных приборов являются: пригодность для постоянного и переменного токов, простота конструкции, малая чувствительность к перегрузкам, возможность изготовления для измерения больших токов без применения дополнительных устройств и сравнительно невысокая стоимость. К недостаткам этих приборов относятся: неравномерность шкалы, зависимость точности показаний от внешних магнитных полей и сравнительно малая точность.
Для устранения влияния внешних магнитных полей электромагнитные приборы изготовляют экранированными и астатического типа. В качестве магнитных экранов
9—2107
129
используются корпуса приборов, которые изготовляются из ферромагнитных материалов. Устройство астатического прибора показано на рис. 8,7,6. Как видно из схемы, прибор имеет два совершенно одинаковых измерительных механизма, но магнитные поля их, равные по величине, имеют противоположные направления. Благодаря этому внешнее магнитное поле настолько же ослабляет поле одного измерительного элемента, насколько усиливает поле другого, вследствие чего результирующий вращающий момент прибора не меняется от действия внешнего магнитного поля.
Приборы электромагнитной системы главным образом применяются в качестве амперметров и вольтметров. Эти приборы применяются как в качестве технических, так и в качестве лабораторных приборов. Последние обычно изготовляются астатического типа.
§ 6. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Действие электродинамических приборов основано на взаимодействии магнитных полей катушек, по которым протекает измеряемый электрический ток. В приборе имеются две катушки — одна из них неподвижная, а другая подвижная. На рис. 8,8 представлены схема устройства и внешний вид одного из приборов этой системы. Прибор состоит из
Рис. 8,8. Прибор электродинамической системы: а — схема устройства; б — внешний вид
130
неподвижной катушки 1, подвижной катушки 2, двух спиральных пружин, воздушного успокоителя 3, шкалы и корпуса.
При прохождении измеряемого тока по обеим катушкам, соединенным последовательно или параллельно, подвижная катушка стремится повернуться и занять такое положение, при котором магнитные потоки имели бы одинаковое направление. Сила взаимодействия между катушками пропорциональна произведению токов, проходящих в них. Если же по катушкам проходит одинаковый ток, то сила взаимодействия между ними пропорциональна квадрату измеряемого тока, а значит, и угол поворота подвижной системы прибора тоже пропорционален квадрату тока, проходящего по катушкам. Поэтому шкала электро-L динамических приборов неравномерная, квадратичная.
Приборы электродинамической системы пригодны для измерения как постоянного, так и переменного тока, потому что при одновременном изменении направления тока в обеих катушках направление силы взаимодействия не меняется. Эти приборы по точности и чувствительности являются наилучшими из приборов всех других систем, применяемых для измерения переменного тока Поэтому они применяются главным образом как лабораторные приборы переменного тока в качестве амперметров, вольтметров и ваттметров.
Достоинствами электродинамических приборов являются: возможность применения в цепях постоянного и переменного токов, высокая чувствительность и сравнительно большая точность приборов Недостатки: неравномерность шкалы, чувствительность к внешним магнитным •полям и перегрузкам, а также сравнительно высокая стоимость.
Для уменьшения влияния внешних магнитных полей электродинамические приборы иногда снабжаются железными сердечниками; в таком случае приборы называются ферродинамическими. Сталь значительно увеличивает магнитное поле прибора, благодаря чему его показания практически не зависят от влияния внешних магнитных полей и значительно увеличивается вращающий момент прибора. Кроме того, для уменьшения влияния внешних магнитных полей электродинамические приборы без железа делают экранированными или астатическими. В первом случае измерительный механизм прибора закрывают магнитным экраном — кожухом, сделанным из тонких листов электро
9*
131
технической стали. При наличии такого экрана магнитный поток внешнего поля замыкается по экрану, не проникая внутрь прибора.
Астатические же приборы отличаются от обычных тем, что у них имеется не одна, а две подвижные катушки. Эти катушки насажены на одну ось на некотором расстоянии одна от другой и соединены между собой последовательно, причем так, что токи в них идут навстречу. Внешнее магнитное поле, взаимодействуя с током этих катушек, создает дополнительные вращающие моменты, которые, действуя в противоположных направлениях, взаимно компенсируются, в результате чего исключается влияние внешнего магнитного поля.
Ферродинамические приборы обычно применяются как технические приборы низших классов точности в качестве ваттметров, частотомеров и фазометров. Кроме того, вследствие большого вращающего момента они изготовляются в виде самопишущих амперметров, вольтметров и ваттметров.
§ 7. ПРИБОРЫ ИНДУКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Работа индукционных приборов основана на взаимодействии токов, индуктируемых в подвижной части прибора, с магнитными полями неподвижных электромагнитов, в частности на принципе бегущего поля. Таким полем называется поле, в котором имеется направленное перемещение полюсов, например слева направо. Полный цикл перемещения полюсов совершается за один период тока, а затем процесс повторяется. Такое поле обычно получается при помощи трехстержневого электромагнита (рис. 8,9,а)- Схема образования бегущего поля показана для моментов времени Л, t2, ..., t9 развернутой диаграммы токов 1\ и г2, которые сдвинуты по фазе на 90°. Стрелками показано перемещение полюсов электромагнита.
Устройство одной из конструкций индукционных приборов с бегущим полем показано на рис. 8,9, б. Прибор состоит из электромагнита 1, имеющего три катушки, две из которых соединены последовательно. Между полюсами электромагнита вращается алюминиевый диск 2 с указательной стрелкой. Имеются также спиральная пружина <?, электромагнитный успокоитель 4 и шкала. Все части прибора смонтированы внутри корпуса.
132
При прохождении по катушкам переменных токов создается бегущее поле, которое, пересекая диск, индуктирует в нем вихревые токи. Последние в свою очередь, взаимодействуя с бегущим полем, создают вращающий момент, вызывающий поворот диска в сторону движения поля.
Рис. 8,9. Прибор индукционной системы: а — получение бегущего поля; б — схема устройства
Этому вращению противодействует спиральная пружина. В некоторых же конструкциях приборов вторую обмотку заменяют короткозамкнутым витком, благодаря чему в приборе создаются два потока, сдвинутые по фазе, которые и вызывают вращение подвижной части прибора.
Индукционные приборы пригодны только для измерений в цепях переменного тока строго определенной частоты, так как их показания зависят от частоты. Они имеют
133
незначительную точность и поэтому применяются главным образом в качестве технических ваттметров и счетчиков.
Достоинства этих приборов таковы: допускают большие перегрузки и имеют малую зависимость показаний от внешних магнитных полей и окружающей температуры. Недостатками являются возможность применения лишь для переменного тока и зависимость показаний от частоты.
§ 8. МЕТОДЫ И ПОГРЕШНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Все методы электрических измерений подразделяются на две основные группы: методы непосредственной оценки и методы сравнения.
Сущность методов непосредственной оценки состоит в том, что о значении измеряемой величины судят непосредственно по показанию прибора, шкала которого градуирована в единицах измеряемой величины. В этом случае методы непосредственной оценки называются прямыми. Если же измеряемую величину определяют по показанию нескольких приборов и известной зависимости, то методы измерения будут косвенными. Например, определить сопротивление можно по величинам тока и напряжения, используя при этом закон Ома.
Методы сравнения разделяются на три группы: I) нулевые методы; 2) дифференциальные методы и 3) методы совпадения. Эти методы также могут быть прямыми и косвенными. Наибольшее распространение из них получили нулевые методы и методы совпадения.
Сущность нулевых методов заключается в том, что действие, производимое измеряемой величиной, уравновешивается действием известной величины, благодаря чему при равновесии исчезает то или иное явление. Отсутствие тока или напряжения точно можно установить при помощи гальванометров. В качестве приборов сравнения при нулевом методе применяются, как правило, уравновешенные мосты.
Дифференциальные методы характеризуются сравнением измеряемой величины с мерой или известной величиной, а о значении измеряемой величины судят по разности одновременно производимых этими величинами эффектов. Для измерений дифференциальными методами применяются обычно неуравновешенные мосты.
Сущность метода совпадения состоит в том, что о значении измеряемой величины судят по отклонениям стрелки 134 л
прибора, которые возникают при очередном его включении в цепь измеряемой и в цепь известной величины. Такой метод, например, применяется при измерении сопротивлений при помощи одного вольтметра.
Естественно, что любые измерения производятся с некоторой погрешностью, которая является результатом наличия момента трения в подвижной системе прибора, несовершенства измерительного прибора и метода измерения, а также индивидуальных качеств измеряющего.
Под погрешностью понимается отклонение результатов измерения от действительного значения измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную погрешности измерения.
Абсолютной погрешностью измерения АЛ называется разность между величиной Ах, полученной при измерении, и ее действительным значением А, т. е.
ДА = Ах — А.
Величина абсолютной погрешности, взятая с обратным знаком, называется поправкой t\d——ЛА.
Отсюда действительное значение измеряемой величины будет
А = АХ + bd.
Относительная действительная погрешность — это отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в процентах, т. е.
/д ‘‘'X
Помимо относительной действительной погрешности, служащей для оценки точности произведенного измерения, для измерительных приборов устанавливается так называемая приведенная, или номинальная относительная погрешность, равная отношению абсолютной погрешности ДА к номинальной величине показаний прибора Аном, т. е.
₽Иом=-^--100%.
Эта погрешность определяет класс точности прибора любой системы.
135
§ 9. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Ток измеряется амперметрами, а напряжение — вольтметрами. Амперметр включается в цепь последовательно с приемниками энергии, а вольтметр — параллельно (рис. 8,10, а). При измерениях в цепях постоянного тока целесообразно пользоваться приборами магнитоэлектрической системы, а в цепях переменного тока можно пользоваться приборами любой другой системы.
Рис. 8,10. Схемы включения:
а — амперметра и вольтметра; б — шунта; в — добавочного сопротивления
Для расширения пределов измерения амперметров применяются так называемые шунты, благодаря которым в прибор ответвляется лишь часть измеряемого тока. Шунт представляет собой сопротивление, включаемое последовательно в цепь измеряемого тока, амперметр же включается параллельно шунту (рис. 8,10,6). Шунты изготовляются обычно из манганина, обладающего малым температурным коэффициентом, благодаря чему его сопротивление практически остается постоянным. По отношению к прибору шунты бывают внутренние и наружные. Кроме того, в переносных амперметрах часто применяются многопредельные шунты.
Сопротивление шунта определяется по формуле
1. г. г.
А* — ———— ИЛИ Г = —— ' ш /—/ и-'1и ' Ш п | >
А
где 7, 7Л—измеряемый ток и ток, проходящий через амперметр, а\
гА—сопротивление амперметра, ом;
п—коэффициент шунтирования, равный у- и по-1А
называющий, во сколько раз увеличивается предел измерения данного амперметра.
136
Роль шунта для амперметров переменного тока часто выполняют так называемые трансформаторы тока.
Для расширения пределов измерения вотьтметров применяются добавочные сопротивления, включаемые последовательно с вольтметром (рис. 8,10, в). Величина добавочного сопротивления определяется по формуле
гл = (т— 1)гк, где rv—сопротивление вольтметра, ом;
т— коэффициент, равный отношению измеряемого напряжения к номинальному напряжению вольтметра.
В цепях переменного тока для расширения пределов измерения вольтметров могут применяться так называемые трансформаторы напряжения.
§ 10. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Наиболее распространенными методами измерения сопротивлений являются метод амперметра и вольтметра, метод одного вольтметра, метод уравновешенного моста и метод непосредственного измерения при помощи омметра.
Метод амперметра и вольтметра
Этот метод измерения сопротивлений основан на законе Ома, причем приборы могут быть включены по двум схемам. Одна из этих схем (рис. 8,11,а) применяется при измерении сравнительно малых сопротивлений {rx^zrA, где гА—сопротивление амперметра), а другая (рис. 8,11,6) — при измерениях
сравнительно больших сопротивлений, когда гх > гА. При определении сопротивления соответственно пользуются формулами:
U U
Гх =----1Г’ ГХ = -Г — ГА,
~ rv
где U—показание вольтметра, в;
I—показание амперметра, а; rv— сопротивление вольтметра, ом.
б
Рис. 8,11. Схемы измерения сопротивлений по методу амперметра и вольтметра
137
Когда же нет необходимости в большой точности, то в обоих случаях при определении сопротивления можно пользоваться обычной формулой закона Ома.
Метод одного вольтметра
Для измерения сопротивления методом одного вольтметра необходимо иметь вольтметр с известным сопротивлением, источник питания и переключатель. Схема, по которой производится измерение, показана на рис. 8,12. При определении сопротивления гх надо переключатель поставить в положение 1 и отсчи-
тать показание прибора Ut. Затем переключатель перебросить в положение 2 и также записать показание прибора 1/2. Искомое сопротивление определяется по формуле
rv>
Рис. 8,12. Схема измерения со- где rv — сопротивление вольт-противления одним волымет- метра, ом.
ром Метод одного вольтметра
дает достаточно хорошие результаты в тех случаях, когда искомое сопротивление соизмеримо с сопротивлением вольтметра, в частности при измерении больших сопротивлений.
Метод уравновешенного моста
Принципиальная схема уравновешенного моста постоянного тока приведена на рис. 8,13, с. Мост состоит из трех известных сопротивлений ту, г2, гз и неизвестного гх, источника питания, гальванометра G и двух ключей и К Сопротивления, входящие в схему, называются плечами моста.
Величина и направление тока в гальванометре зависят от соотношения величин сопротивлений плеч моста, которые включены в виде замкнутого четырехугольника. Известные сопротивления можно подобрать так, что при замыкании ключей тока в гальванометре не будет и его стрелка будет стоять на нуле. Процесс подбора сопротив-138
в
Рис. 8,13. Уравновешенный мост постоянного тока: а — принципиальная схема; б — внешний вид
а
лений плеч для достижения такого положения называется уравновешиванием моста.
При равновесии моста, очевидно, потенциалы точек В и D одинаковы и, следовательно, будут равны
и АВ —UAD и Udc = Ljbc или
4n = Vx и /л = /^8-
Разделив почленно одно равенство на другое и решая полученное уравнение относительно искомого сопротивления гх, найдем
Для удобства вычислений при измерении отношения плеч обычно подбираются равными 0,1; 1,0; 10; 100 и другим подобным числам.
На практике часто применяется одно из видоизменений уравновешенного моста, так называемый линейный мост, который отличается от рассмотренного тем, что сопротивление регулируемых плеч заменяется калиброванной проволокой.
Приборостроительной промышленностью выпускаются различные типы уравновешенных мостов. Наиболее широко применяются универсальный мост УМВ и линейный мост ЛМВ-47, а также мост МВУ-49. На рис. 8,13,6 показан
139
мост типа УМВ Кроме того, для измерения малых сопротивлений применяются двойные мосты, а для измерения емкостей и индуктивностей—мосты переменного тока.
Метод омметра
Омметрами и мегомметрами называются приборы непосредственной оценки, предназначенные для измерения сопротивлений. Омметры применяются главным образом
Рис. 8,14. Омметр и его схема: а — последовательная; б — параллельная; в — внешний вид
для технических измерений относительно небольших сопротивлений, а мегомметры — для технических измерений больших сопротивлений.
Омметры представляют собой магнитоэлектрические приборы, снабженные добавочным сопротивлением гц и включаемые по определенным схемам (рис. 8,14). Они по-140
строены по принципу измерения сопротивления методом одного вольтметра. Действительно, если к прибору подвести постоянное по величине напряжение, то величина тока, проходящего через катушку прибора, и, следовательно, отклонения его подвижной части будут пропорциональны сопротивлению цепи прибора. Поэтому шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. В качестве же источника питания в омметрах применяются гальванические элементы или переносные аккумуляторы.
Омметры с последовательной схемой (рис. 8,14, а) более пригодны для измерения больших сопротивлений, а с параллельной схемой (рис- 8,14,6)—для измерения относительно малых сопротивлений. Нередко омметры имеют два предела измерения, которые выполняются обычно с двумя схемами соединения. На рис. 8,14, в показан общий вид подобного омметра типа М-471. Этот прибор имеет два предела измерения: 0—100 и 0—10 000 ом. Для измерения сопротивлений следует: а) проверить наличие источника питания и установить корректором стрелку на «оо»; б) нажать кнопку К и рукояткой магнитного шунта установить стрелку на нуль; в) подключить к зажимам 100 или 10 000 измеряемое сопротивление и, нажав кнопку К, произвести по соответствующей шкале отсчет сопротивления. Точность измерения зависит от постоянства напряжения источника питания. Поэтому необходима предварительная установка стрелки на нуль шкалы.
Мегомметры являются разновидностью омметров, показание которых не зависит от величины подводимого к ним напряжения. В качестве источника напряжения они имеют • небольшой генератор постоянного тока, приводимый во вращение рукой. На рис. 8,15 изображены принципиальная схема и общий вид мегомметра. Он представляет собой магнитоэлектрический прибор с двумя подвижными катушками, называемый обычно логометром. Сущность действия этого прибора заключается в следующем. В воздушном зазоре между сердечником и полюсами постоянного магнита имеется магнитное поле, в котором и находятся подвижные катушки. При отсутствии тока в катушках подвижная система прибора занимает безразличное положение, а при прохождении тока по катушкам возникают два магнитных поля противоположного направления. Эти поля взаимодействуют с полем магнита, но так, что вращающие моменты катушек ЛД и М2 направлены навстречу друг другу. Катушки, стремясь повернуться, занимают некото-
141
рое определенное положение, которое зависит только от отношения токов в катушках. Поскольку катушки подключены к одному и тому же источнику питания, то токи в них пропорциональны сопротивлениям, включенным в цепи. Следовательно, при включении искомого сопротивления гх в цепь одной из катушек изменяются величины
Рис. 8,15. Мегомметр типа М-1101: а — принципиальная схема; б — внешний вид
токов в обоих катушках логометра, а вместе с тем и угол отклонения стрелки прибора, которая, перемещаясь по шкале, покажет величину искомого сопротивления.
Мегомметр обычно применяется для измерения больших сопротивлений, в частности сопротивления изоляции электрических цепей и механизмов, а также для определения коротких замыканий в них. Мегомметр М-1101 имеет две шкалы измерения: 0—2 и 0—100 Мом. Рабочее напряжение прибора 500 в (при 120 об/мин). На панели прибора имеются три зажима с надписями: 3 — «земля», Л — «линия» и Э — «экран», а также переключатель пределов измерения с обозначениями «к£2» и «ЛЮ». Зажим Э служит для присоединения охранного кольца, применяемого иногда при измерении изоляции электрического кабеля.
§ 11. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ ТОКОВ
Методы измерения мощностей постоянного и переменного токов не совсем одинаковы. Поэтому рассмотрим эти методы раздельно.
142
Измерение мощности постоянного тока
Мощность постоянного тока, равная P=U1, может быть измерена косвенным путем — при помощи амперметра и вольтметра. На рис. 8,16 изображены возможные схемы включения приборов. Первая схема (рис. 8,16, с) обычно применяется для измерения малых мощностей, а вторая (рис. 8,16,6) —для измерения относительно больших мощностей. Измерение мощности в этих случаях сводится к умножению показаний приборов. Эту мощность можно
Рис. 8,16. Схемы измерения мощностей постоянного и однофазного тока:
а — больших мощностей; б — малых мощностей; в — ваттметром
также измерить с помощью электродинамического ватт-метра (рис. 8,16,в). Неподвижная катушка ваттметра, называемая токовой, включается последовательно с потребителем, а подвижная, называемая катушкой напряжения, — параллельно потребителю. В результате угол отклонения стрелки пропорционален мощности потребителя. Два зажима ваттметра, как правило, отмечаются звездочкой (*) и называются генераторными зажимами. Эти зажимы должны быть присоединены к одному проводу со стороны источника питания.
Измерение мощности переменных токов
Полная мощность однофазного переменного тока измеряется при помощи амперметра и вольтметра, а активная, равная P — UI cosip,— с помощью ваттметра электродинамической или индукционной системы. Схемы включения приборов при этом не отличаются от схем, приведенных на рис. 8,16. Правила включения электродинамического ваттметра применимы и для индукционного ваттметра.
143
Активная мощность трехфазного тока может быть измерена одним, двумя или тремя однофазными ваттметрами, а также одним трехфазным ваттметром. Одним ватт метром можно измерить мощность трехфазной системы только при равномерной нагрузке фаз. Для этого надо измерить мощность одной фазы (рис. 8,17, о) и умножить эту мощность на число фаз. При помощи двух ваттметров можно измерить мощность трехпроводной трехфазной системы при соединении как звездой, так и треугольником,
Рис. 8,17. Схемы измерения мощности трехфазной системы: а — одним ваттметром; б — трехфазным ваттметром; в — двумя ваттметрами
причем нагрузка на фазы может быть равномерной и неравномерной. В этом случае ваттметры включаются в цепь по схеме, представленной на рис. 8,17, в. Мощность же всей цепи определяется алгебраической суммой показаний обоих приборов, т. е.
Р — Рг + Р2 = ИЗ UI cos <р.
Укажем, что при измерении мощности методом двух ваттметров возможны три случая: 1) оба ваттметра дают отклонения в одном направлении; 2) ваттметры дают отклонения в разные стороны и 3) один ваттметр не дает показаний. При правильном включении обоих ваттметров их показания будут положительны в том случае, если угол сдвига между током и напряжением будет 60°><р>—60°. Если же по абсолютной величине <р > 60°, го при индуктивной нагрузке стрелка второго ваттметра отклонится в обратную сторону, а при емкостной нагрузке в обратную сторону отклонится стрелка первого ваттметра. При<р=60° один из ваттметров покажет нуль, а другой — всю мощ-144
ность трехфазного приемника. При равномерной нагрузке и при <р = 0 показания обоих ваттметров будут равны. Если при идентичном включении обоих ваттметров стрелка одного из них отклонится в обратную сторону, то следует изменить направление тока в одной из обмоток этого ваттметра и считать его показания отрицательными, т. е. в этом случае мощность системы будет равна разности показаний обоих ваттметров.
Трехфазный ваттметр представляет собой двухэлементный ваттметр, который имеет две подвижные катушки, действующие на общую подвижную часть прибора и конструктивно смонтированные в одном корпусе. Элементы трехфазного ваттметра включаются по схеме двух ваттметров. Трехфазный ваттметр обычно имеет семь зажимов (рис. 8,17,6) из которых четыре крайних—по два с каждой стороны — служат для включения токовых катушек, а три средних — для включения катушек напряжения. Трехфазный ваттметр показывает сразу всю активную мощность системы.
Измерение активной мощности четырехпроводной трехфазной системы при неравномерной нагрузке производится тремя однофазными ваттметрами, каждый из которых учитывает мощность только своей фазы. Результирующая мощность системы равна сумме показаний всех ваттметров-
Реактивная мощность наиболее просто измеряется в трехфазной цепи при равномерной нагрузке при помоши однофазного ваттметра, катушка напряжения которого включается на «чужие» фазы. Для получения мощности всей системы показание ваттметра умножают на 1,73. В других случаях реактивная мощность измеряется по специальным схемам включения или при помощи реактивных ваттметров.
§ 12. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Для измерения расхода электроэнергии в технике применяются особые измерительные приборы — счетчики, которые отличаются от ваттметров только тем, что у ваттметров указателем является стрелка, а у счетчиков — счетный механизм. Кроме того, у ваттметров стрелка поворачивается на определенный угол, а счетчики имеют неограниченный угол вращения подвижной части, каждый оборот которой пропорционален вполне определенному значению
10—2107 145
э
измеряемой величины. Поэтому полное число оборотов счетчика за некоторый промежуток времени, например за час, показывает количество электроэнергии в киловатт-часах, израсходованной за это время. Число оборотов учитывается счетным механизмом. Последний в основном состоит
Рис. 8,18. Счетчик индукционной системы:
а — схема устройства; б — внешний вид; в — схема включения; Z — U-образ-ный сердечник с последовательной обмоткой; 2 — сердечник с параллельной обмоткой; 3 — алюминиевый диск; 4 — постоянный магнит для торможения
из зубчатой передачи, нескольких роликов с нанесенными на них цифрами от 0 до 9 и прикрывающего передачу алюминиевого щитка с вырезанными в нем окошечками для отсчета измеряемой величины.
На рис. 8,18 приведены устройство а, внешний вид б и схема в включения индукционного счетчика, широко при-146
меняемого в цепях переменного тока. Действие счетчика тождественно действию ваттметра этой системы.
Для учета активной энергии в цепях трехфазного тока, как правило, применяются двухэлементные трехфазные счетчики индукционной системы. Учет же энергии в цепях постоянного тока производится счетчиками электродинамической системы.
§ 13. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ
Приборы для измерения частоты переменного тока называются частотомерами. Для измерения промышленной частоты применяются вибрационные и стрелочные частотомеры, причем последние в настоящее время наиболее распространены. В лабораторной практике находят применение и измерители частоты.
Рис. 8,19. Ферродинамическпй частотомер и его схема
Стрелочные частотомеры обычно изготовляются электромагнитной, электродинамической, ферродинамической или детекторной системы. Катушки таких приборов включаются в специально разработанные схемы, состоящие из сопротивлений, индуктивностей и емкостей. Причем эти схемы разработаны таким образом, чтобы отклонения подвижной системы прибора были пропорциональны частоте тока. На рис. 8,19 приведена схема включения и общий вид стрелочного частотомера ферродинамической системы.
Частотомер представляет собой логометр, в цепь одной пары катушек которого включено сопротивление г, а в цепь другой — индуктивность L и емкость С. Цепи катушек соединены между собой параллельно и подобно вольтметру включаются непосредственно на напряжение сети, частота которого измеряется. При прохождении по катушкам токов
10*
147
/] и /2 создаются два противоположно направленных вращающих момента, под действием разности которых подвижная система прибора поворачивается. При установившемся положении подвижной системы моменты катушек равны. В параллельных ветвях токи распределяются обратно пропорционально сопротивлениям. При низких частотах активное сопротивление г практически не зависит от частоты, а сопротивление х зависит, следовательно, как отношение этих сопротивлений, так и угол отклонения подвижной системы будут зависеть от частоты тока. Поэтому шкала приборов градуируется непосредственно в единицах частоты.
Следует отметить, что некоторые типы ферродинамиче-ских частотомеров работают по резонансной схеме. Причем параметры L и С подбираются так, чтобы резонанс напряжений в ветви с этими параметрами наступал при частоте, несколько меньшей нижнего предела измерений данного частотомера. В результате ток в резонансной ветви и, следовательно, отклонение подвижной системы прибора в большей степени зависят от измеряемой частоты. Такие частотомеры обычно снабжаются дополнительным устройством, состоящим из дросселя, конденсатора и нескольких катушек добавочных сопротивлений.
§ 14. ПРИБОРЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Для измерения разных электрических величин в практике применяются специальные электроизмерительные приборы. Кроме того, очень часто требуется не только измерить те или иные величины, но и иметь автоматическую фиксацию их значений. Эту задачу также выполняют специальные электроизмерительные приборы. К подобным приборам, в частности, относятся самопишущие приборы, фазометры, флюксметры, фарадометры и осциллографы.
Самопишущие приборы
Самопишущие приборы представляют собой электроизмерительные приборы той или иной системы, которые, помимо измерительного механизма, имеют еще дополнительные устройства, позволяющие записывать на бумажной ленте значения измеряемой величины. Эти приборы предназначаются для записи различных величин (тока, напряжения, мощности и т. п.), изменение которых во времени 148
Рис. 8,20. Самопишущий прибор
происходит сравнительно медленно, и запись значений измеряемых величин ведется в течение суток или недель, т. е. длительное время. По характеру записи приборы изготовляются с непрерывной записью и с точечной записью, причем первые наиболее распространены.
На рис. 8,20 изображен общий вид самопишущего прибора с непрерывной записью. Подвижная часть этого прибора, помимо стрелки-указателя, снабжена пером, непрерывно записываю щим чернилами на движущейся бумажной ленте значения измеряемой величины. Лента, обычно помещается в виде рулона на катушке в верхней части прибора, автоматически протягивается сверху вниз и наматывается на нижнюю катушку. В качестве привода для протягивания ленты применяется небольшой однофазный синхронный электродвигатель или часовой механизм, причем последний, как правило, имеет электрический подзавод.
Самопишущие приборы обычно изготовляются магнитоэлектрической и ферродинамической систем. Первые применяются в цепях постоянного тока
главным образом в качестве вольтметров и амперметров, а вторые— в цепях переменного тока, как правило, в качестве ваттметров и фазометров.
Фазометры
Для непосредственного измерения угла сдвига фаз или коэффициента мощности применяются фазометры. Шкала таких приборов обычно градуируется в единицах угла ср или cos ср, причем в первом случае шкала равномерная, а во втором — неравномерная.
На рис. 8,21 показаны устройство и общий вид щитового фазометра электродинамической системы. Он состоит из двух подвижных катушек 1 и 2, жестко скрепленных между собой под углом 90°, и неподвижной катушки 3. Подвижные катушки включаются в цепь параллельно, а неподвижная — последовательно. В цепь катушки 1 введено активное сопротивление г, а в цепь катушки 2—индуктив-
149
ность L. Это создает сдвиг фаз между токами в обеих катушках, близкий к 90°. Между неподвижной и каждой подвижной катушками возникают вращающие моменты, причем оба момента направлены навстречу друг другу. При установившемся положении подвижной части эти моменты равны между собой. Для постоянной частоты величины токов в катушках, а следовательно, и моменты не зависят от напряжения, т. е. прибор работает по схеме логометра.
Рис. 8,21. Электродинамический фазометр и его схема
Фазометры этого типа не имеют противодействующей пружины, и поэтому их стрелки до включения тока занимает на шкале неопределенное положение. Электродинамические фазометры не отличаются большой точностью и применяются для технических измерений.
Осциллографы
Осциллографы применяются для исследования быстро меняющихся электрических величин, например тока и напряжения. По принципу действия они разделяются на вибраторные и электронные. Вибраторные осциллографы обычно строятся по принципу магнитоэлектрических приборов, а в электронных используется свойство пучка электронов, движущихся в вакууме. Вибраторный осциллограф применяется для исследования периодических процессов сравнительно небольшой частоты (до нескольких тысяч герц). Электронные осциллографы, или, как их еще назы-150
вают, катодные осциллографы, используются для исследования периодических процессов высокой частоты.
Устройство магнитоэлектрического осциллографа схематически показано на рис. 8,22. Он состоит из трех основных частей: магнитоэлектрического вибратора, оптической системы и приспособления для наблюдения и фотографирования исследуемой величины.
Рис. 8,22. Оптическая схема осциллографа и вид осцил-
лограммы
Действие осциллографа заключается в следующем. Исследуемый ток пропускается по натянутой металлической петле (шлейфу) 5, помещенной между полюсами сильного постоянного магнита. Ток, взаимодействуя с полем постоянных магнитов, отклоняет петлю и укрепленное на ней небольшое зеркальце, т. е. петля вместе с зеркальцем повернется на угол, величина которого пропорциональна току в петле. Очевидно, что при прохождении переменного тока петля будет колебаться, отклоняясь пропорционально изменениям тока. Если при этом тонкий пучок света от лампы 1 через линзу 2, диафрагму 3 и призму 4 направить на зеркальце вибратора, то пучок света, отражаясь от зеркальца, частично будет проходить через линзу 6 и падать на съемочный барабан 7; другая же часть того же пучка света, проходя через линзу 8, направится на поверхность многогранного зеркального барабана 9, а от него — на ма-
151
товый стеклянный экран 10 для визуального наблюдения. При неподвижных барабанах на экране будет видна светлая полоса, а на фотобумаге — черная полоса. Если же оба барабана вращать с некоторой постоянной скоростью, то на экране будет видна кривая исследуемого тока, а на фотобумаге будет зафиксирована так называемая осциллограмма.
Рис. 8,23. Осциллограф типа МПС-2
Наиболее распространенным портативным осциллографом является осциллограф типа МПО-2, который позволяет наблюдать и регистрировать одновременно восемь различных кривых при помощи восьми вибраторов. На рис. 8,23 показан внешний вид этого осциллографа.
Основной частью электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка, устройство которой схематически показано на рис. 8,24. Трубка представляет собой стеклянную колбу, внутри которой создан высокий вакуум. На одном конце трубка имеет цоколь со штырями, а на другом— экран. Экран представляет собой слой люминесци-рующего вещества, нанесенного на внутреннюю поверхность 152
дна колбы и светящегося под действием пучка электронов. Цвет свечения в трубках осциллографов обычно зеленый. Внутри трубки размещены детали, служащие для получения электронов и управления их движением.
Сущность действия электронно-лучевой трубки заключается в следующем. При включении трубки под напряжение катод 1 нагревается и излучает электроны. Управляющий электрод 2, на который подается небольшой регулируемый отрицательный по отношению к катоду потенциал, оформляет вылетевшие с катода электроны в электронный пучок 3 соответствующей интенсивности и направляет его
Рис. 8,24. Электронно-лучевая трубка
на экран Луч электронов, проходя аноды 4 и 5 (на первый подается напряжение 300—1000 в, а на второй 1000—5000 в положительного знака по отношению к катоду), под действием электрического поля первого анода окончательно фокусируется на поверхности экрана и частично ускоряется, а под действием поля второго анода электроны луча ускоряются. Поэтому первый анод обычно называют фокусирующим, а второй — ускоряющим. Для улучшения фокусировки управляющий электрод 2 и первый анод имеют диафрагмы с отверстиями малого диаметра. В результате фокусировки на экране получается яркое светящееся пятно.
Естественно, для того чтобы на экране вместо светящегося пятна получить кривую, показывающую характер исследуемой величины, необходимо управлять электронным лучом и заставить его изменяться в полном соответствии с изменениями исследуемой величины. В электронных осциллографах такое управление, как правило, осуществляется с помощью электрического поля Для этого на пути движения луча электронов между вторым анодом и экраном
153
устанавливаются две пары отклоняющих пластин 6 и 7. Пластины первой пары расположены горизонтально, а второй — вертикально. При подаче напряжения на первую пару пластин создается электрическое поле, под действием которого электронный луч отклоняется в сторону пластин с большим потенциалом и соответственно смещается пятно на экране по вертикали. При подаче напряжения на вто-
Делитель g—j- напряжения
--------- пз
Делитель -о-«
Усилитель Верт.
А Делитель напряжения
П,
Усилитель гориз.
отклонения^! "г ----------
Выпрямитель питания трубки
*- Генератор j- разбертни
Выпрямитель
питания £ усилителей
а
Рис. 8,25. Блок-схема электронного осциллографа
рую пару пластин происходит смещение пятна по горизонтали. Смещение светящегося пятна на экране прямо пропорционально напряжению.
При подаче на горизонтальные пластины исследуемого переменного напряжения светящееся пятно смещается на экране по вертикали и образует прямую линию. Если теперь подать синусоидальное напряжение на вертикальные пластины от другого источника, то пятно будет описывать на экране замкнутые кривые, образуя так называемые неподвижные фигуры Лиссажу. Форма этих кривых зависит как от формы кривой исследуемого напряжения, так и от соотношения частот приложенных напряжений. Анализ фигур Лиссажу позволяет установить форму кривой исследуемого напряжения и его частоту.
Развертка электронного луча на экране с помощью синусоидального напряжения называется синусоидальной электронной разверткой. Основным недостатком такой раз-154
вертки является отсутствие непосредственного наблюдения на экране формы кривой исследуемого напряжения. Для получения на экране действительной формы кривой исследуемого напряжения электронный осциллограф снабжается генератором пилообразных напряжений, период которых обычно в два—три раза больше периода исследуемого напряжения. На рис. 8,25 приведена типовая блок-схема широко применяемого электронного осциллографа.
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ГЛАВА 9
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
§ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА
Под химическими источниками электрической энергии понимаются устройства, в которых происходит преобразование химической энергии в электрическую. В зависимости от характера химической реакции эти источники электроэнергии разделяются на две основные группы: 1) первичные, или иначе, гальванические, элементы и 2) вторичные элементы, или аккумуляторы.
Гальваническими элементами называются химические источники электроэнергии, в которых обычно происходят необратимые процессы преобразования химической энергии в электрическую. Гальванические элементы выпускаются небольшой мощности, поэтому они применяются главным образом для питания средств связи, в частности небольших радиостанций.
Всякий гальванический элемент состоит из положительного и отрицательного электродов и электролита. Электролит обычно наливается в стеклянный или какой-либо другой сосуд, куда и погружаются электроды. Электроды обычно представляют собой металлы и их окислы или металлоиды, а электролит — водные растворы кислот, солей или щелочей. На рис. 9,1 схематически показано устройство простейшего гальванического элемента — элемента Вольта. Он состоит из медного и цинкового электродов, погруженных в раствор серной кислоты.
Сущность действия элементов, и в частности элемента Вольта, заключается в следующем. Диссоциированные молекулы электролита образуют ноны. Отрицательные ионы, соединяясь с выделенными в электролит положительными 156
ионами отрицательного металлического электрода, образуют новое вещество. В результате электролит заряжается положительно, а металлический электрод — отрицательно. Положительный электрод, оставаясь нейтральным и выделяя электроны в электролит, заряжается положительно. Таким образом, создастся разность потенциалов между электродами, другими словами, возникает э. д. с. элемента. При замыкании элемента на какое-либо сопротивление г по нему
потечет ток в направлении от положительного электрода к отрицательному.
При прохождении электрического тока в элементе Вольта цинк, растворяясь переходит в раствор в виде положительных ионов. Последние, встречаясь с отрицательными ионами кислотного остатка SO4, образуют нейтральные молекулы цинкового купороса ZnSO4. Одновременно положительные ионы водорода, подходя к медному электроду, отнимают от него электроны и превращаются в нейтральные молекулы водорода Н2. Эти молекулы, выделяясь на поверхности электрода в его гонким слоем. В результ;
Рис. 9,1. Схема элемента Вольта
виде пузырьков, покрывают ге возникает новая э. д. с.—
так называемая э. д. с. поляризации, направленная против основной э. д. с., а также увеличивается внутреннее сопротивление элемента. Из-за этого явления элемент быстро выходит из строя, т. е. прекращает свою работу.
Явление, при котором возникает э. д. с. поляризации, называется поляризацией электродов. Для компенсации поля
ризации электроды окружают веществом, легко вступающим в химическую реакцию с водородом. Это вещество называется деполяризатором, а процесс компенсации — деполяризацией элементов. В качестве деполяризатора часто применяется перекись марганца, которая, соединяясь с во-дородом, образует воду, освобождая электрод от водородного слоя.
Таким образом, возникновение электрического тока в
157
элементе Вольта объясняется химической реакцией, происходящей между цинком и серной кислотой, вследствие чего химическая энергия этих веществ постепенно превращается в электрическую. Естественно, что элемент может действовать до тех пор, пока не израсходуются весь цинк и вся кислота, т. е. пока не израсходуются все активные материалы.
Основными величинами, характеризующими гальванический элемент, являются его э. д. с. и емкость. Емкостью элемента называется количество электричества, выраженное в ампер-часах, которое элемент может отдать при его разрядке потребителю. Емкость обозначается буквой С и определяется формулой
C = It, где / — ток, а\ t — время, час.
Емкость гальванических элементов зависит от количества активных веществ, совокупность которых принято называть электрохимической системой элемента. Емкость уменьшается при увеличении разрядного тока, непрерывной работе элемента и с понижением температуры, а также зависит от конечного напряжения, до которого элемент разряжается. Э. д. с. же каждого элемента данной электрохимической системы не зависит от количества активных веществ и практически остается постоянной величиной.
Существует много типов гальванических элементов, но в технике наиболее широко применяются марганцово-цин-ковые и ртутно-цинковые элементы. Рассмотрим устройство и работу этих элементов.
§ 2. МАРГАНЦОВО-ЦИНКОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Марганцово-цинковые элементы изготовляются четырех типов: элементы с жидким электролитом, водоналивные, наливные и сухие. Основные части и действие этих элементов одинаковы. Они отличаются друг от друга лишь по конструкции и по состоянию электролита.
Положительным электродом этих элементов является стержень из активированного угля круглой формы, а отрицательным — листовой цинк. Электролитом служит раствор нашатыря, деполяризатором —- смесь перекиси марганца с графитом. Действие элемента заключается в следующем. Молекула электролита распадается на два иона: отрицательный С1 и положительный NH.}. Отрицательные ионы, соединяясь с выделенными положительными ионами цинка, 158
образуют хлористый цинк ZnCl. Цинковая пластина за
счет выделения положительных ионов в раствор получает отрицательный заряд. Положительные ионы двигаются к углю и сообщают ему положительный заряд. Таким обра-
зом, между электродами создается разность потенциалов. Частицы водорода соединяются с деполяризатором, образуя воду и окись марганца.
Э. д. с. элемента равна 1,5 в, а внутреннее сопротивление колеблется от 0,3 ом в начале работы до 3 ом в конце работы. Емкость элемента колеблется от 2,5 до 3,0 а-ч в зависимости ог размера элемента и режима разрядки. При длительной работе элементы все же поляризуются, но при разомкнутой внешней цепи быстро восстанавливаются.
На рис. 9,2 изображен водоналивной элемент. Такие элементы изготовляются различных размеров; каждый размер обозначается своим номером и буквами, например З-ВЛ-27, где цифры, стоящие после букв, обозначают емкость элемента в ампер-часах.
Сухой элемент отличается от водоналивного тем, что он при из
Рис. 9,2. Марганцово-ции-ковый элемент:
1 — цинковая коробка-электрод; 2 — угольный электрод; 3 — дипо-ляриаатор; 4 — фильтровальная бумага: 5 — парафинированный картон; 6 — сухой нашатырь; 7 — заливочная смола; 8 — трубка для заливки воды и отвода газов; 9 — картонная обертка
готовлении заполняется электро
литом, который в элементе находится в виде клейстера.
состоящего из раствора нашатыря, сгущенного крахмала с небольшим количеством примеси хлористого цинка. Сухие
элементы изготовляются трех типов: универсальные, холодостойкие и летние — и соответственно этому имеют буквы У, X и Л, которые ставятся рядом с буквой С (сухой). Летние элементы замерзают и перестают работать при температуре ниже —15° С. Поэтому выбирать элементы следует сообразуясь с окружающей температурой на месте работы.
Сухие элементы так же, как и водоналивные, изготовля
ются различных размеров.
159
§ 3. РТУТНО-ЦИНКОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Ртутно-цинковые элементы, называемые обычно окисно-ртутными, выпускаются следующих типов: OP-1, ОР-2.ОР-3, ОР-4, ОР-1к, ОР-2к, ОР-Зк и ОР-4к. На рис. 9,3 изображен элемент типа ОР. В донышко металлического корпуса 1 впрессовано вещество отрицательного электрода, которым является амальгамированный цинк. В крышку 2 впрессовано активное вещество положительного электрода, представляющее собой окись ртути с примесью графита для увеличения
Рис. 9,3. Ртутпо-цпнковый элемент
электропроводимости. Электролитом служит водный раствор едкого калия плотностью 1,35 с добавкой окиси цинка. Электролитом пропитывается пористый сепаратор 3, представляющий собой щелочестойкую бумагу, капрон, целлофан или другие подобные материалы. Резиновое кольцо 4 служит для изоляции крышки от дна корпуса. Начальное напряжение элемента 1,17 в, а конечное —0,9 в. Удельная энергия этих элементов в четыре—семь раз больше, чем у марганцово-цинковых элементов.
§ 4. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В БАТАРЕИ
Гальванические элементы соединяются между собой последовательно, параллельно и смешанно. Соединенные по тому или иному способу несколько гальванических элементов называются батареей.
Последовательным соединением элементов называется такое соединение, когда минус первого элемента соединяется с плюсом второго, минус второго — с плюсом третьего и т. д. (рис. 9,4). При последовательном соединении элементов: а) емкость батареи равна наименьшей емкости эле; мента, входящего в батарею; б) напряжение батареи равно 160
сумме напряжений элементов, т. е. 67бат = L\ +1/2+ ’. • • + в) внутреннее сопротивление батареи равно сумме внутренних сопротивлений отдельных элементов.
Рис. 9,4. Последовательное соединение элементов
Параллельным соединением элементов называется такое соединение, когда положительные зажимы всех элементов соединяются в один узел, а отрицательные — в другой
Рис. 9,5. Параллельное соединение элементов
(рис. 9,5). Параллельно можно включать только одинаковые элементы, т. е. такие элементы, которые имеют одинаковые напряжения и одинаковые внутренние сопротивления. При параллельном соединении п элементов: а) напряжение батареи равно напряжению элемента; б) ток батареи равен сумме токов отдельных элементов, а емкость — сумме емкостей всех элементов, т. е.
Сват = G + С3 4-. •. + Сп;
11—2107
161
в) внутреннее сопротивление батареи равно внутреннему сопротивлению одного элемента, деленному на число элементов.
Смешанным соединением называется такое соединение, когда элементы соединяются между собой последовательно в группы, а группы соединяются между собой параллельно (рис. 9,6). При таком соединении напряжение батареи
Рис. 9,6. Смешанное соединение элементов
равно напряжению группы, емкость равна сумме емкостей групп, а внутреннее сопротивление — внутреннему сопротивлению группы, деленному на число групп, т. е.
_ би п
'Обат >
где п и т — соответственно число элементов группы и число групп.
§ 5. ТИПЫ АНОДНЫХ БАТАРЕЙ
Сухие марганцово-цинковые элементы применяются главным образом для питания анодных цепей радиостанций и для этой цели обычно выпускаются в форме стаканчиков и галет. Образцами батарей с стаканчиковыми элементами являются БАС-40, БАС-60 и БАС-80, а с галетными элементами — БАСГ-40, БАСГ-60 и БАСГ-80. Эти батареи изготовляются трех типов: летние, холодостойкие и универсальные. Соответственно этому в обозначениях батарей имеются буквы Л, X и У. Емкость батарей указывается цифрами, стоящими после буквенных обозначений.
162
На рис. 9,7 показана батарея БАСГ-80-Л-2.1, что означает: Б— батарея,/ — анодная, С — сухая, Г — с галетным элементом, 80 — номинальное напряжение 80 в, Л — летняя, 2,1—емкостью 2,1 а-ч. Батарея состоит из ряда элементов, последовательно соединенных путем соприкосновения. Каждый элемент батареи состоит из положительного электрода в виде галеты, картона, пропитанного электролитом,
Рис. 9,7. Общий вид батареи БАС-Г-80
отрицательного электрода в виде пластинки, на одной стороне которой нанесен электропроводный слой, и хлорвинилового кольца, которое стягивает названные детали и препятствует вытеканию электролита, но пропускает через себя выделяющиеся в элементе газы. Полученные блоки элементов стягиваются, покрываются изоляционным составом и обертываются парафинированной бумагой. Блоки элементов помещаются в общий футляр из картона.
Анодные батареи имеют, кроме крайних, промежуточные выводы. Это позволяет поддерживать стабильное разрядное напряжение и дает возможность иметь разные значения напряжения.
11*
ГЛАВА 10
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
§ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АККУМУЛЯТОРА
Электрическими аккумуляторами называются химические источники электроэнергии, в которых имеют место обратимые процессы преобразования электроэнергии в химическую и, обратно,— химической в электрическую. Другими словами, аккумуляторы способны сначала накопить элек трическую энергию от постороннего источника тока и затем отдать ее потребителю.
Процессы взаимного преобразования химической и электрической энергий в аккумуляторах называются электрохимическими процессами, а вещества, участвующие в этих процессах,— активными веществами. Совокупность же активных веществ, находящихся в аккумуляторе, называется электрохимической системой. Процесс накопления энергии в аккумуляторе называется его зарядкой, а процесс отдачи энергии — разрядкой.
Действие электрических аккумуляторов основано на явлении поляризации электродов. Действительно, если в раствор серной кислоты опустить два свинцовых электрода (рис. 10,1) и через них пропустить ток от постороннего источника, то вследствие разложения раствора на составные части —- электролиза — на положительном электроде будет выделяться кислород и свинец будет окисляться, а на отрицательном электроде будет выделяться в виде пузырьков водород, не вступающий во взаимодействие со свинцом, и свинец останется чистым. Следовательно, свинцовые электроды в растворе серной кислоты при электролизе становятся разнородными. В результате химического взаимодействия между указанными разнородными электродами и серной кислотой будут возникать э. д. с. величиной около 2 в. 164
Направление этой э. д. с. противоположно направлению э. д. с., приложенной от постороннего источника тока.
Электрохимические процессы в аккумуляторе, проте
кающие под влиянием прохождения постоянного тока, в ре-
зультате которых происходит окисление положительного электрода и возникновение э. д. с., называются электрохимической поляризацией электродов, на принципе которой и основано устройство аккумуляторов.
Электроды электрических аккумуляторов приготовляются заранее с помощью особой электролитической обработки (формирования). Электролитом же служат водные растворы кислот и щелочей.
Электрические аккумуляторы по роду электролита разделяются на
Рис. 10,1. Схема поляризации электродов
две основные группы: кислотные и щелочные аккумуляторы.
§ 2. КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
По устройству и назначению кислотные аккумуляторы весьма разнообразны. Они выпускаются одиночными и в виде моноблоков. Последние обычно называются аккумуляторной батареей. На рис. 10,2 показано устройство одного из типов одиночного аккумулятора. Аккумулятор состоит из трех основных частей: блока пластин, электролита и бака.
Пластины современных кислотных аккумуляторов представляют собой решетки с вмазанной в их ячейки активной массой. Решетки отливаются из сплава свинца с небольшим количеством сурьмы. Благодаря сурьме решетки обладают достаточной жесткостью и механической прочностью, а также кислотостойкостью.
Активная масса приготовляется в виде специальной пасты. Паста обычно изготовляется из свинцового порошка, представляющего собой механическую смесь свинца и глета, разведенного в растворе серной кислоты. В пасту, предназначенную для отрицательных пластин, к этому составу добавляется небольшое количество сернокислого бария. В ряде случаев паста для положительных пластин приготовляется из смеси сурика с небольшим количеством суль-
165
пробка
Зажим
проклодко
прохладно
Рис. 10,2. Устройство кислотного аккумулятора
кислота
фата аммония, а паста для отрицательных пластин — из смеси глета с небольшим количеством сурика и сернокислого бария. Смеси также разводятся в растворе серной кислоты. Сернокислый барий служит в качестве расширителя, т. е. вещества, предупреждающего спекание активной массы.
После вмазки пасты в решетки пластины просушивают, а затем формируют электрическим током, т. е. подвергают длительному разряд-заряду, в результате чего паста положительных пластин
переходит в перекись свинца РЬО2 темно-коричневого цвета, а паста отрицательных пластин — в чистый губчатый свинец РЬ светло-серого цвета. Таким образом, готовые положительные пластины
Рис. 10,3. Пластины кислотного аккумулятора
имеют темно-коричневый цвет, а отрицательные—светлосерый. На рис. 10,3 представлены положительная и отрицательная пластины.
166
Готовые положительные пластины аккумулятора соединяются между собой параллельно при помощи мостика с отдельным зажимом, называемого бареткой. Так же соединяются отрицательные пластины. Группа положительных пластин вставляется между отрицательными (рис. 10,4), образуя блок пластин аккумулятора. Следовательно, крайними в блоке являются отрицательные пластины и поэтому их всегда на одну больше, чем положительных. Для предохранения разноименных пластин от замыкания между ними
помещаются изоляционные прокладки, называемые сепараторами. В качестве сепараторов применяются микропористые эбонитовые или гофрированные фанерные листы, а также сепараторы из пористых пластмасс, стекловойлока и другие типы сепараторов.
Электролитом кислотных аккумуляторов служит раствор химически чистой серной кислоты в дистиллированной воде. Основной характеристикой электролита является удельный вес. Удельный вес для данного типа аккумуляторов устанавливается заводом-изготовителем и практически
Рис. 10,4. Блок пластин кислотного аккумулятора
колеблется от 1,2 до 1,35. Электролита наливается в аккумулятор столько, чтобы уровень его был на 10—15 мм выше краев пластин, т. е. чтобы пластины были всегда погружены в электролит полностью.
Баки кислотных аккумуляторов изготовляются из стекла, эбонита, целлулоида, винипласта и дерева. Для корабельных аккумуляторов применяются только эбонитовые баки. Последние исполняются как одиночными, так и
в виде моноблоков, где для каждого аккумулятора имеется ячейка. Бак каждого аккумулятора закрывается крышкой, в которой имеются два отверстия для вывода зажимов и отверстие для заливки электролита и отвода газов. Третье отверстие обычно закрывается специальной пробкой, которая позволяет выходить газу из аккумулятора и не позволяет выливаться электролиту. Для уплотнения между крышкой и баком прокладывается резина и углы крышки заливают аккумуляторной мастикой.
167
Электрохимические процессы в аккумуляторах
Активными веществами заряженного кислотного аккумулятора, как установлено выше, являются перекись свинца на положительной пластине, губчатый свинец на отрицательной пластине и водный раствор серной кислоты, т. е.
Рис. 10,5. Схемы электрохимических процессов:
а — во время разрядки: б — во время зарядки
электрохимическая система кислотного аккумулятора определяется формулой
(+) (-)
РЬО2 — H2SO4 — Pb.
При разрядке аккумулятора (рис. 10,5, а) к положительным пластинам перемещаются положительные ионы водорода диссоциированной серной кислоты, а к отрицательным — отрицательные ионы кислотного остатка SO4 той же кислоты электролита. Благодаря этому и участию нейтральных молекул H2SO4 в аккумуляторе происходят следу-дующие химические реакции:
а) на положительной пластине
РЬО, + Н2 + H2SO4 =
= PbSO4 4- 2Н,О;
б) на отрицательной пластине
Pb + SO4 = PbSO4.
Эти уравнения разрядки окончательно можно записать в виде общего уравнения
(+) (-) (+) (->
РЬО2 + 2H,SO4 + Pb = PbSO4 + 2Н2О + PbSO4.
аккумулятор заряжен аккумулятор разряжен
Таким образом, при разрядке аккумулятора происходит соединение серной кислоты с активной массой обеих пла-168
стин, которые по мере разрядки превращаются в сернокислый свинец (сульфат свинца). Когда активные вещества пластин полностью превратятся в сульфат свинца, т. е. пластины окажутся химически однородными, тогда э.д. с. аккумулятора исчезнет и он перестанет быть источником электроэнергии. Кроме того, выделяется вода, благодаря чему удельный вес электролита при разрядке уменьшается.
Для превращения разряженного аккумулятора в источник тока его необходимо зарядить. При зарядке (рис. 10,5,6) ток внутри аккумулятора направлен от положительных пластин к отрицательным, в соответствии с этим отрицательные ионы SO4 перемещаются к положительным пластинам, а положительные ионы водорода Н2 — к отрицательным. В результате этого у пластин происходят следующие реакции:
а) на положительной пластине
PbSO4 + SO4 4- 2Н2О = РЬО2 + 2H,SO4;
б) на отрицательной пластине
PbSO4 + Н2 = РЬ + H2SO4.
Общее уравнение зарядки в окончательном виде можно записать так:
(+) (-) (+) (-) PbSO4 + 2Н2О + PbSO4 = РЬО2 + 2H2SO4 + Pb.
аккумулятор разряжен аккумулятор заряжен
Таким образом, под действием зарядного тока сульфат свинца на положительной пластине переходит в перекись свинца, а сульфат свинца на отрицательной пластине — в губчатый свинец, т. е. пластины восстанавливаются. В электролите выделяется серная кислота, благодаря чему его удельный вес повышается. В этом случае в аккумуляторе снова возникает э. д. с. и он вновь становится источником электроэнергии.
Сравнивая между собой уравнения зарядки и разрядки, нетрудно установить, что они тождественны, но только реакция в каждом из них протекает в различных направлениях, т. е. химические процессы зарядки-разрядки обратимы. Поэтому все химические процессы при зарядке-разрядке аккумулятора можно написать так:
(+) (-) разрядка (+) (-)
РЬО2 + 2H2SO4 + Pb~^PbSO.. + 2Н2О + PbSO4 аккумулятор заряжен зарядка аккумулятор разряжен
169
На основании рассмотрения электрохимических процессов в кислотных аккумуляторах можно сделать следующие выводы: количество запасенной, а следовательно, и отдаваемой при разрядке аккумулятора электроэнергии зависит от количества активных веществ в аккумуляторе, участвующих в реакции, т. е. от количества перекиси свинца положительных пластин, губчатого свинца отрицательных пластин и количества электролита. Поэтому с целью большего получения электроэнергии от аккумулятора необходимо увеличивать количество активных веществ, а это приводит к увеличению размера аккумулятора. Кроме того, по величине удельного веса электролита можно судить о степени зарядки и разрядки аккумуляторов.
Электрические данные аккумулятора
Основными данными, или основными характеристиками, кислотного аккумулятора являются напряжение, внутреннее сопротивление, емкость и отдача.
Рис. 10,6. Кривые напряжения при заряд-разряде кислотного аккумулятора
Напряжение вполне заряженного кислотного аккумулятора в среднем равно 2 в. Но эта величина напряжения при зарядке и разрядке аккумулятора изменяется, возрастая при зарядке и уменьшаясь при разрядке (рис. 10,6). Вначале зарядки напряжение быстро поднимается до 2,2 в, затем в течение значительного времени медленно повы-170
шается до 2,6 в, после чего быстро поднимается в зависимости от типа аккумулятора до 2,6—2,75 в и в дальнейшем остается постоянным. Скачки напряжения объясняются резким увеличением концентрации электролита в порах активных веществ пластин. При выключении аккумулятора из-под зарядки напряжение на его зажимах падает до 2,2—2,1 в сразу.
Конец зарядки кислотного аккумулятора определяется по трем признакам: 1) напряжение на зажимах аккумулятора достигает 2,6—2,75 в и остается постоянным в течение двух часов; 2) удельный вес электролита достигает наибольшей величины и остается неизменным; 3) электролит кипит, и принимает молочный цвет вследствие бурного газовыде-ления.
При разрядке напряжение сначала быстро падает с 2,2 до 2 в, а затем медленно понижается до 1,7—1,8 в, после чего снова быстро падает. В это время разрядку прекращают, ибо в противном случае пластины покроются твердой белой коркой сульфата свинца крупнозернистого строения, который не разлагается при обычных зарядках. Напряжение в 1,7 или 1,8 в в зависимости от типа аккумулятора является признаком окончания его разрядки.
Внутреннее сопротивление у кислотных аккумуляторов весьма мало и составляет сотые доли ома. Образующийся при разрядке на пластинах сульфат свинца имеет плохую проводимость, поэтому внутреннее сопротивление кислотных аккумуляторов при разрядке увеличивается и соответственно при зарядке уменьшается.
Емкость аккумулятора определяется произведением тока в амперах на время зарядки или разрядки в часах и соответственно определяется формулами:
(73 75/3 и Ср /р/р.
За номинальную емкость аккумулятора принимается ем-кость десятичасового разряда до предельного напряжения. Емкость аккумулятора зависит:
а) от размеров аккумулятора — чем больше размеры, тем больше емкость;
б) от величины разрядного тока — чем меньше разрядный ток тем больше емкость. Объясняется это тем, что при большом разрядном токе поверхность пластин быстро покрывается сульфатом свинца, который препятствует активной массе внутри пластин вступать в реакцию, и, следовательно, их емкость не используется полностью; в) от тем-
171
псратуры электролита — с увеличением температуры электролита от —50 до +50° С емкость аккумулятора возрастает, так как уменьшается сопротивление электролита и улучшается процесс диффузии;
г) от удельного веса электролита — повышение удельного веса электролита увеличивает емкость аккумулятора;
д) от срока службы — по мере старения аккумулятора емкость его понижается.
Отдачу различают по емкости и по энергии. Отдача по емкости — это отношение разрядной емкости к зарядной, а отдача по энергии или к. п. д. — отношение энергии разрядки к энергии зарядки. Соответственно эти величины определяются формулами:
Uр^р^р
Отдача по емкости у кислотных аккумуляторов при нормальных режимах зарядки и разрядки составляет около 80—85%, а к. п. д,— 70—75%. При разрядках большими токами отдача уменьшается.
§ 3. ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Современные щелочные аккумуляторы по составу активной массы пластин разделяются на три основных вида: кад-миево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые аккумуляторы. Последние значительно отличаются от кад-миево-никелевых и железо-никелевых аккумуляторов и поэтому будут рассмотрены отдельно.
Кадмиево-никелевые аккумуляторы выполняются ламельной, безламельной и трубчатой конструкции, а железо-никелевые имеют только ламельную конструкцию. На рис. 10,7 показаны общий вид и устройство кадмиево-никелевого аккумулятора ламельной конструкции. Он состоит из стального гофрированного бака, блока пластин и электролита. Для предохранения от ржавления бак снаружи никелируется. В крышке бака имеются отверстия для вывода зажимов, заливки электролита и выхода газов.
Пластины кадмиево-никелевого аккумулятора ламельного типа состоят из ряда отдельных пакетов, внутри которых помещена активная масса. Оболочка пакетов делается из тонкой стальной ленты, имеющей большое число отверстий для прохода электролита. Пакеты положительных пластин изготовляются из никелированной ленты, по-172
этому положительные пластины имеют более светлый цвет, чем отрицательные. Длина пакетов и их число в пластине зависят от типа аккумулятора. Пакеты впрессовываются в стальные никелированные рамы. В качестве активной
Пробка
Ябонитобые полочки
Отрицательные пластины Положи-
тельные пластины \--боноВая ' изоляция о бан
И
Рис. 10,7. Кадмиево-никелевый аккумулятор: а — общий внд и устройство; б — блок пластин
массы для положительных пластин применяется гидрат окиси никеля Ni(OH)3 с примесью графита, для отрицатель^ ных пластин — металлический кадмий Cd с примесью окис-лов железа.
Все пластины собираются в блок (рис. 10,7) с общими зажимами на крышке бака. Положительные пластины почти в два раза толще отрицательных, их на одну больше, чем
173
отрицательных, и они всегда ставятся крайними. Для изолирования отрицательных пластин от положительных между ними прокладывают эбонитовые палочки или другие сепараторы. Крайние положительные пластины от стенок бака обычно не изолируются. Число пластин в блоке зависит от емкости аккумулятора.
В качестве электролита для кадмиево-никелевых аккумуляторов применяется водный раствор едкого калия с удельным весом 1,21. Для того чтобы увеличить срок службы щелочного аккумулятора, в электролит его добавляют небольшое количество едкого лития.
Железо-никелевые аккумуляторы по устройству почти не отличаются от кадмиево-никелевых. Положительная пластина остается такой же, как и в кадмиево-никелевом аккумуляторе. Отрицательная пластина по устройству такая же, как и у кадмиево-никелевого аккумулятора, но в качестве активной массы используется химически чистое активное железо. Другим существенным отличием железо-никелевого аккумулятора от кадмиево-никелевого является схема взаимного расположения положительных и отрицательных пластин. У железо-никелевого аккумулятора отрицательных пластин на одну больше, чем положительных, и они ставятся крайними. Бак железо-никелевого аккумулятора соединен электрически с блоком отрицательных пластин, а не положительных, как у кадмиево-никелевых аккумуляторов.
Химические реакции в кадмиево-никелевых и железо-никелевых аккумуляторах аналогичны и в основном сводятся к следующему. При разрядке аккумуляторов гидрат окиси никеля на положительных пластинах переходит в гидрат закиси никеля, а губчатый кадмий или губчатое железо на отрицательных пластинах — соответственно в гидрат окиси кадмия и гидрат окиси железа. При зарядке аккумуляторов реакции идут в обратном направлении, т. е. происходит восстановление активных веществ. Поэтому реакции разрядки и зарядки в обоих типах аккумуляторов могут быть выражены следующими уравнениями:
(Ч-) разрядьа Н-) (—)
2N1 (ОН)3 + КОН + Cd ~-+ 2Ni (OH)2+KOH+Cd (OH)2;
аккумулятор заряжен зарядка аккумулятор разряжен
(“) разпядка (—)
2Ni (ОН)3 + КОН + Fe -------> 2№(ОН)г + КОН + Fe(OH),.
аккумулятор заряжен зарядка аккумулятор разряжен
174
Характерной особенностью этих реакций является то, что концентрация раствора едкого калия не меняется, т. е, в химических реакциях он не принимает участия. Это позволяет ограничиться небольшим количеством электролита.
Электрические данные аккумуляторов
Напряжение щелочных аккумуляторов в среднем равно 1,25 в. Но оно при работе аккумулятора не остается постоянным, возрастая при зарядке и уменьшаясь при разрядке. На рис. 10,8 показаны кривые изменения напряжения ще-
и 1.8
О 1,5 3.0 4.5 6,0 7,5 9,0ч
Рис. 10,8. Кривые напряжения при заряд-разряде аккумуляторов:
а — железо-никелевого; б — кадмиево-никелевого
75
аккумулятора сравнительно медленно поднимается до 1,5— 1,6 в, после чего быстро возрастает до 1,7—1,75 в и затем снова медленно поднимается до 1,8—1,85 в. У железо-никелевого аккумулятора напряжение в начале зарядки быстро поднимается до 1,6 в, потом медленно увеличивается до 1,7—1,75 вив конце зарядки быстро возрастает до 1,85 в. Причиной крутого подъема зарядного напряжения является покрытие пластин пузырьками газов.
Напряжение начала разрядки железо-никелевого аккумулятора выше, чем у кадмиево-никелевого. Конец разрядки железо-никелевого аккумулятора характеризуется более крутым падением напряжения. Предельным напряжением при нормальной восьмичасовой разрядке считается 1,1 в, при трехчасовой — 0,8 в, а при одночасовой — 0,5 в.
Основным признаком конца зарядки этих аккумуляторов является количество ампер-часов, данных аккумулятору при зарядке, и дополнительным — величина напряжения.
Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов несколько выше, чем у кислотных, и измеряется также сотыми долями ома. Оно так же, как и у кислотных аккумуляторов не остается постоянным: при разрядке увеличивается, а при зарядке уменьшается.
Емкость щелочных аккумуляторов определяется так же, как и кислотных. Величина емкости щелочных аккумуляторов в основном зависит от количества активных веществ, с их увеличением емкость увеличивается. В незначительной степени емкость щелочных аккумуляторов зависит от величины разрядного тока. Кроме того, на емкость аккумуля тора существенное влияние оказывает температура электролита.
Номинальная емкость щелочного аккумулятора считается при температуре электролита +25°С. Повышение температуры от +25 до + 45° С ведет к увеличению емкости аккумулятора, а при дальнейшем увеличении температуры емкость резко уменьшается. При понижении темпера туры электролита ниже +20°С емкость аккумулятора уменьшается примерно на 0,5% на 1° снижения температуры.
Отдача щелочных аккумуляторов по емкости составляет 60—70%, а к. п. д. колеблется в пределах 50—60%. Объясняется это тем, что у этих аккумуляторов внутреннее сопротивление больше, чем у кислотных, поэтому они менее чувствительны к короткому замыканию.
176
§ 4. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Серебряно-цинковые аккумуляторы, как отмечалось выше, являются разновидностью щелочных аккумуляторов. На рис. 10,9 показаны внешний вид и блок пластин аккумулятора типа СЦС-45. Он представляет собой бачок из
Рис. 10,9. Серебряно-цинковый аккумулятор и блок его пластин
пластмассы с крышкой. На крышке имеются четыре зажима — два плюсовых и два минусовых, отверстие для заливки электролита и отверстие для выпуска газа с вентильной пробкой. На боковой поверхности имеются две черты, указывающие уровень электролита в аккумуляторе: верхняя — в заряженном состоянии и нижняя — в разряженном. Заливочное отверстие закрывается глухой металлической пробкой.
Пластины серебряно-цинкового аккумулятора, как положительные, так и отрицательные, могут иметь сеточную и проволочную конструкции (рис. 10,10). При сеточной конст< рукции на сетку из посеребренной меди или никелировая-
12—2107
177
ной стали намазывается активная масса. При проволочной конструкции серебряные проволочки запрессовываются в активную массу. Сетка и проволочки также являются то-коотводами пластин. Активной массой положительных пластин является окись серебра, а отрицательных — пористый цинк, получаемый из окиси цинка и металлического цинкового порошка. Положительные пластины обычно помещают
Рис. 10,10. Устройство пластин серебряно-цинкового аккумулятора
в капроновый мешочек, а отрицательные — две пластины вместе (рис. 10,10, в) — завертываются в целлофан и между ними устанавливается положительная пластина.
В качестве электролита применяется водный раствор едкого калия с удельным весом 1,4, который, как и в других щелочных аккумуляторах, в реакции не принимает участия.
Химические реакции, протекающие в серебряно-цинко-вом аккумуляторе при разрядке и зарядке, могут быть представлены в виде следующего уравнения:
_ 14") .. 1—1 разрядка (4") )
2AgO 4- Н,О + 2Zn > 2Ag + ZnO + Zn (ОН)2.
аккумулятор заряжен зарядка аккумулятор разряжен
Рабочее напряжение серебряно-цинкового аккумулятора 1,5—1,6 в. На рис. 10,11 изображены кривые напряжения при разрядке и зарядке серебряно-цинкового аккумулятора. Разрядка начинается с 1,85 в и продолжается до 1 в при нормальном десятичасовом режиме. В начале зарядки напряжение мгновенно повышается до 1,6 в, затем длительное время практически остается неизменным и потом снова имеет резкий подъем. Максимальное зарядное напряжение на аккумулятор не должно превышать 2,1 в во избежание порчи сепараторов.
178
Удельная емкость серебряно-цинкового аккумулятора в четыре — пять раз превышает емкость обычных аккумуляторов. Емкость этих аккумуляторов мало зависит от величины разрядного тока, хорошо сохраняется при низких температурах. Отдача по емкости и к. п. д. весьма высоки. При нормальных режимах разрядки и зарядки отдача по емкости приближается к 100%, а к. п. д. составляет около
Рис. 10,11. Кривые напряжения при заряд-разряде серебряно-цинкового аккумулятора
85%. Серебряно-цинковые аккумуляторы могут работать при относительно высоких температурах (до 80°С), допускают высокие скорости разряда и имеют высокие стартерные свойства.
§ 5. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Подобно другим источникам электроэнергии, аккумуляторы соединяются между собой последовательно, параллельно и смешанно. Несколько соединенных тем или иным способом аккумуляторов образуют батарею. Отдельные аккумуляторы. входящие в состав батареи, обычно называются элементами. Щелочные и кислотные аккумуляторы сравнительно небольшой мощности обычно выпускаются в виде батареи, а кислотные аккумуляторы большой емкости— в виде отдельных элементов.
Батареи кислотных аккумуляторов средней емкости применяются главным образом для запуска двигателей внутреннего сгорания и реактивных двигателей, а также для
12*
179
снятия пиковых нагрузок при работе в качестве резервных источников питания. Батареи большой емкости применяются на подводных лодках, как правило, для питания гребных электродвигателей и всех потребителей в подводном положении. Кислотные аккумуляторные батареи малой емкости и щелочные чаще всего применяются для питания радиоустановок, аварийного освещения и ряда других потребителей. Серебряно-цинковые батареи могут использоваться как для питания радиостанций, так и для запуска двигателей. Помимо этого, применяются аккумуляторные батареи специального назначения.
а
Рис. 10,12. Внешний вид аккумуляторных батарей: а — типа З-СТЭ-80; б — типа 15-СЦС-45
На рис. 10,12 показан общий вид кислотной батареи типа З-СТЭ-80 и серебряно цинковой батареи типа 15-СЦС-45. В табл. 10,1 приведены данные наиболее распространенных типов кислотных аккумуляторных батарей, а в табл. 10,2 — щелочных аккумуляторных батарей. В этих таблицах условные обозначения батарей расшифровываются следующим образом. Цифры, стоящие впереди букв, указывают на число элементов батареи, соединенных последовательно, а цифры после букв — номинальную емкость в ампер-часах. Буквы у кислотных батарей означают: СТ — стартерная, Э — бак сделан из эбонита, К — корабельная, А — авиационная, АО — аэродромная обслуживающая, САМ — самолетная, PH — радионакальная, РА — радио-анодная. У щелочных батарей буквы означают КН — кад-миево-никелевая, ЖН — железно-никелевая, СЦ — сереб-ряно-цинковая, С—самолетная, А—анодная, Н — на« кальная, М — модернизированная.
180
Таблица 10,1
Основные данные кислотных аккумуляторных батарей
Тип Рабочее напряжение, в Номинальная емкость, а-ч Номинальный зарядный ток, а Разрядный ток, а
при режиме разрядки максимально допустимый
10-часовом 5-мииут-ном
З-СТЭ-80 6 80 10 7 220
З-СТЭ-100 6 100 12 8,4 250 —
З-СТЭ-112 6 112 14 9,8 300 —
6-СТЭ-144 12 144 18 12,6 400 —
6-СТК-135 12 135 16 12,2 340 —
12-А-ЗО 24 30 3,5 3 107 210
12-САМ-28 24 28 4 5,6 — 750
12-САМ-55 24 55 8,5 11 — 1500
12-А 0-50 24 50 6,8 4,8 225 360
2-РНП-80 4 80 8 8 —— —
40-РАЭ-З 80 3 0,2 — — —
Таблица 10,2
Основные данные щелочных аккумуляторов
Тип Рабочее напряжение, в Номинальная емкость, а-ч Номинальный зарядный ток, а Разрядный ток, а
8-часового режима 5-часового режима 1-часового режима S » О Н s а о а w с л J. S И S
64-АКН-2.25 80 2,25 0,56 0,28 0,45 2,25
32-АКН-2.25 40 2,25 0,56 0,28 0,45 2,25 —
4-НКН-10 5 10 2,5 1,25 2 10 —
10-НКН-22М 12,5 22 5,5 2,75 4,4 22 —
17-НКН-22 21,25 22 5,5 2,75 4,4 22 —
5-НКН-45 6,25 45 11,25 5,65 9 45 —.
10-НКН-45 12,5 45 11,25 5,65 9 45 —
5-НКН-ЮОм 6,25 100 25 12,5 20 100 —
10-НКН-1С)0м 12,5 100 25 12,5 20 100 —
10-ЖН-22м 12,5 22 5,5 2,75 4,4 22 —
5-ЖН-45м 6,25 45 11,25 5,65 9 45 —
17-ЖН-45м 21,25 45 11,25 5,65 9 45 —
5-ЖН-60м 6,25 60 15 7,5 12 60 —
Ю-ЖН-ЮОм 12,5 100 25 12,5 20 100 —
15-СЦС-45 24 45 8 5,65 9 45 16)00
З-СЦ-25 4,8 25 5 3,3 5 25 —
Укажем, что аккумуляторы серебряно-цинковой батареи 15-СЦС-45 помещены в контейнер из листовой нержа-
181
веющей стали, имеющей откидную крышку. На дне контейнера и в крышке имеются резиновые коврики, предназначенные для амортизации и создания воздушного зазора. Аккумуляторы в контейнере расположены в два ряда: в одном восемь, а в другом семь аккумуляторов и один пустой бачок. Подключение батареи осуществляется посредством штепсельного разъема.
§ 6. САМОРАЗРЯД И НЕИСПРАВНОСТИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Саморазрядом называется такой процесс разрядки аккумулятора, при котором аккумулятор, находясь в бездействии, теряет свою емкость.
Саморазряд кислотных аккумуляторов происходит вследствие: 1) утечки тока через пленку электролита на поверхности аккумулятора, 2) наличия побочных химических реакций в аккумуляторе и 3) частичного короткого замыкания разноименных пластин, что происходит из-за образования токопроводящих мостиков. Саморазряд кислотных аккумуляторов сильно увеличивается при загрязнении электролита посторонними примесями. Он увеличивается также с повышением температуры и удельного веса электролита. Саморазряд у кислотных аккумуляторов протекает довольно интенсивно. Так, при нормальном саморазряде аккумуляторы ежедневно теряют 1—2% своей емкости. При неправильной же эксплуатации аккумуляторов саморазряд может достигнуть чрезмерной величины.
К характерным неисправностям кислотных аккумуляторов относятся: остаточная сульфатация, разрушение пластин, короткое замыкание между пластинами и загрязнение электролита.
Под остаточной сульфатацией понимается покрытие пластин твердой коркой сульфата свинца крупнозернистого строения, которая при обычных зарядках не разлагается. Признаками остаточной сульфатации служат быстрая зарядка и разрядка аккумулятора, причем напряжение при зарядке гораздо выше, а при разрядке ниже, чем у нормальных аккумуляторов. Причинами остаточной сульфатации являются: а) систематическая недозарядка, б) длительное хранение аккумулятора в разряженном или недо-заряженном состоянии, в) разрядка ниже допустимого пре-182
дела, г) разрядка и зарядка чрезмерными токами и д) чрезмерно большой удельный вес электролита. Следовательно, чтобы не допустить остаточной сульфатации, необходимо производить полную зарядку, не оставлять батарею в разряженном состоянии больше 12 час, не разряжать аккумуляторы ниже 1,7—1,8 в, заряжать и разряжать аккумуляторы рекомендуемыми токами, следить за удельным весом электролита, не допуская превышения нормы. В случае же образования сульфатации она устраняется путем специального цикла заряд-разрядов.
Под разрушением пластин аккумулятора понимается выпадение активной массы и осыпание ее с поверхности пластин. Разрушение происходит от продолжительной работы аккумуляторов, резких толчков и коробления пластин при чрезмерных разрядных и зарядных токах и в особенности при коротких замыканиях. Признаками разрушения пластин являются увеличение времени зарядки и уменьшение времени разрядки. Высыпавшаяся активная масса удаляется путем промывки дистиллированной водой блока пластин и бака.
Загрязнение электролита может произойти вследствие некачественной серной кислоты и применения водопроводной или дождевой воды вместо дистиллирова'нной. Это вызывает газообразование неработающего аккумулятора и большой его саморазряд. Поэтому приготовлять электролит необходимо только из химически чистой серной кислоты и дистиллированной воды.
Щелочные аккумуляторы, находясь в бездействии, также разряжаются. Основная причина нормального саморазряда щелочных аккумуляторных батарей заключается в том, что гидрат перекиси никеля, который имеется в активной массе положительных пластин, будучи нестойким, самопроизвольно разлагается, вследствие чего теряется энергия. Этот процесс идет очень интенсивно в первое время после зарядки. Поэтому щелочные аккумуляторы в течение первого месяца теряют до 11% емкости, а в дальнейшем саморазряд уменьшается и максимальная потеря емкости не превышает 15%. Саморазряд сильно увеличивается при загрязнении электролита посторонними примесями, а также с повышением температуры и удельного веса электролита.
Характерными неисправностями щелочных аккумуляторов являются: 1) снижение емкости; причины — загрязнение электролита углекислым газом воздуха, низкий удель
183
ный вес электролита, систематические недозарядки и низкий уровень электролита; 2) высокий саморазряд; причины — плохая изоляция между отдельными элементами батареи и посторонние примеси в электролите; 3) малая емкость и сильный нагрев при зарядке; причина — пластины замыкаются накоротко выпавшей активной массой; 4) вспенивание электролита; причина — загрязнение электролита; 5) усиленное образование солей; причины — высокий уровень электролита, неплотности в выводах и большой удельный вес электролита.
Саморазряд серебряно-нинковых аккумуляторов незначителен. За три месяца хранения они теряют не более 15% емкости. Они не боятся хранения в разряженном состоянии. Срок службы этих аккумуляторов зависит от их назначения.
§ 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Аккумуляторные батареи, выпускаемые промышленностью, обычно снабжаются инструкциями по их эксплуатации Эти инструкции должны выполняться точно и аккуратно, так как всякие отклонения от них приводят к порче аккумулятора. Ниже приводятся краткие указания по приготовлению электролита и хранению аккумуляторных батарей.
Приготовление электролита
Для приготовления электролита применяется чистая безводная серная кислота с удельным весом 1,84 и дистиллированная вода. Можно также применять приготовленный раствор этой кислоты. Готовить электролит надо в чистой стеклянной, эбонитовой или фарфоровой посуде. В посуду надо сначала налить требуемое количество дистиллированной воды, а затем постепенно тонкой струей лить кислоту в воду, помешивая раствор стеклянной палочкой. При работе с кислотой надо пользоваться специальной одеждой, надевать защитные очки и иметь для нейтрализации 5% раствор соды.
В табл. 10,3 приведены удельные веса электролита для некоторых типов кислотных аккумуляторов.
184
Таблица 10,3
Удельный вес электролита кислотных аккумуляторов
Тип Место установки аккумуляторов Удельный вес электролита в конце зарядки, приведенный к температуре -|-15о С
Стартерные аккумуляторы 12-А-ЗО, 12-АО-50 12-САМ-28, 12-САМ-55 В неотапливаемых помещениях: с температурой до —35° С с температурой до —10° С В отапливаемых помещениях: с температурой до +30° С с температурой более +30° С 1,285 1,270 1,270 1,240 1,285 1,264
В табл. 10,4 и 10,5 приведены данные для приготовления
нужного электролита.
Таблица 10,4
Количество чистой безводной серной кислоты удельного веса 1,84, необходимое на 1 л воды для получения нужного электролита при 15° С
Удельный вес раствора Количество серной кислоты на 1 л воды, г Удельный вес раствора Количество серной кислогы на 1 л воды, г Удельный вес раствора Количество серной кислоты на 1 л воды, г
1,019 25 1,175 320 1,372 900
1,035 50 1,180 330 1,386 950
1,060 100 1,185 340 1,398 1000
1,090 150 1,187 350 1,420 1100
1,113 200 1,195 370 1,438 1200
1,115 210 1,200 380 1,456 1300
1,120 220 1,205 390 1,473 1400
1,130 230 1,210 400 1,490 1500
1,135 240 1,229 450 1,510 1600
1,140 250 1,248 500 1,530 1700
1,145 260 1,265 550 1,543 1800
1,150 270 1,280 600 1,556 1900
1,155 280 1,297 650 1,568 2000
1,160 290 1,312 700 1,580 2100
1,165 300 1,326 750 1,593 2200
1,170 310 1,340 800 1,606 2300
1.357 850
185
Таблица 10,5
Содержание чистой серной кислоты удельного веса 1,84 в 1 Л раствора при 15° С
Удельный вес раствора Количество серной кислоты в 1 л раствора, г Удельный вес раствора Количество серной кислоты в 1 л раствора, г Удельный вес раствора Количество серной кислоты в 1 л раствора, г
1,00 0 1,180 292 1,438 776
1,007 12 1,190 310 1,453 805
1,014 23 1,200 328 1,468 834
1,022 34 1,210 346 1,483 863
1,029 46 1,220 364 1,198 894
1,037 58 1,231 382 1,515 926
1,045 71 1,2’41 401 1,530 958
1,052 81 1,252 421 1,547 990
1,060 93 1,263 441 1,563 1022
1,067 105 1,274 461 1,580 1054
1,075 117 1,285 483 1,597 1091
1,083 130 1,297 504 1,615 1128
1,091 145 1,308 527 1,635 1168
1,100 158 1,320 548 1,652 1200
1,108 172 1,332 572 1,671 1249
1,116 186 1,345 596 1,693 1293
1,125 199 1,357 619 1,710 1340
1,134 214 1,370 643 1,732 1386
1,143 229 1,383 669 1,753 1442
1,152 244 1,397 697 1,775 1491
1,162 259 1,410 721 1,790 1539
1,171 275 1,424 748 1,820 1636
Пример. Определить, сколько надо взять чистой безводной серной кислоты с удельным весом 1,84 на 25 л дистиллированной воды для приготовления электролита с удельным весом 1,21.
Решение. По табл. 10,4 находим, что на 1 л воды необходимо 400 г безводной кислоты. Следовательно, на 25 л воды надо взять 25 - 400= 10 000 г (10 кг) кислоты, что составляет 10; 1,84 = 5,5 л.
Таким образом, смешав 25 л дистиллированной воды и 5,5 л безводной кислоты, получим 25 + 5,5 = 30,5 л электролита с удельным весом 1,21.
Пример. Определить, сколько надо взять чистой безводной серной кислоты с удельным весом 1,84 для приготовления 25 л электролита с удельным весом 1,21.
Решение. По табл. 10,5 находим, что 1 л электролита с удельным весом 1,21 содержит 346 г безводной кислоты. Электролит в количестве 25 л должен содержать 346 • 25 = 8,65 кг кислоты.
1 л безводной кислоты весит 1,84 кг, поэтому для получения 8,65 кг надо взять 8,65 ; 1,84 = 4,7 л кислоты.
Таким образом, для получения 25 л электролита удельного веса 1.21 следует взять 4,7 л чистой безводной кислоты и 25 — 4,7 — 20,3 л дистиллированной воды,
1Ь6
Пример. Для приготовления эчектролита имеется раствор серной кислоты с удельным весом 1 453 Определить, сколько надо взять такого раствора и дистиллированной воды для приготовления 30 л электролита с удельным весом 1,231.
Решение. По табл. 10,5 находим, что 1 л электролита с удельным весом 1,231 содержит 382 г чистой безводной кислоты. Очевидно, что 30 л электролита с удельным весом 1,231 должны содержать 382 • 30 = 11460 г (11,46 кг) кислоты. По той же табл. 10,5 находим, что 1 л раствора с удельным весом 1,453 содержит 805 г безводной кислоты; следовательно, для получения 11,46 кг надо взять 11,46-0,8= 14,3 л раствора с удельным весом 1,453.
Таким образом, для получения 30 л электролита с удельным весом 1,231 следует взять 14,3 л раствора серной кислоты с удельным весом 1,453 и 30— 14,3= 15,7 л дистиллированной воды.
Удельный вес электролита обычно измеряется кислотомером (рис. 10,13). При измерении эбонитовую трубку по-
гружают в электролит
Рис. 10,13. Кислотомер: 1 — ареометр: 2 — стеклянная трубка: 3 — резиновая груша; 4 — пробка; 5 — эбонитовая трубка
и, сжав грушу, засасывают такое количество электролита, чтобы ареометр всплыл: по его показаниям определяют удельный вес электролита.
Рис. 10,14. Измерение уровня электролита
Приготовленному электролиту надо дать остыть до температуры ниже +30° С и затем произвести его заливку в аккумуляторы. Небольшие аккумуляторы надо заливать при помощи груши, а остальные — через стеклянную или эбонитовую воронку Уровень электролита в баке должен
187
быть на 10—15 мм выше верхних краев пластин блока. Измерение уровня электролита производится при помощи стеклянной трубочки (рис. 11,14), которая опускается в аккумулятор до пластин, плотно закрывается пальцем и вынимается.
Хранение кислотных аккумуляторов
Аккумуляторы, бывшие в эксплуатации, могут храниться двумя способами: в заряженном состоянии — с электролитом и в разряженном — без электролита. Перед постановкой на хранение в заряженном состоянии надо произвести длительную зарядку с перерывами, затем нормальную разрядку и снова нормальную зарядку, после чего закрыть пробки, протереть аккумуляторы и ежемесячно производить подзарядку. Хранение в разряженном состоянии без электролита производится следующим образом. После цикла «нормальная зарядка —нормальная разрядка — нормальная зарядка» батарея разряжается номинальным током, из нее выливается электролит, аккумуляторы закрываются пробками, которые заливаются парафином. Некоторые типы батарей, в частности З-СТЭ-80 и ей подобные, после разрядки промываются дистиллированной водой до устранения следов кислоты. Хранить батареи надо в сухих чистых помещениях при температуре от + 3 до + 15° С.
§ 8. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Электролитом для щелочных аккумуляторов служит раствор едкого калия в дистиллированной воде с удельным весом 1,21. Приготовлять электролит следует в чистой стеклянной, железной или эбонитовой посуде, куда сначала надо положить необходимое количество размельченного едкого калия, а затем осторожно наливать дистиллированную воду. При приготовлении электролита из концентрированного раствора надо вливать раствор в воду тонкой струей и размешивать его чистой стеклянной палочкой. Приготовленный электролит надо охладить, измерить его удельный вес, довести его до требуемой величины, добавить едкого лития в количестве 20 г на 1 л электролита, а затем залить электролит в аккумуляторы. После этого в бак наливается несколько капель технического вазелинового масла.
188
Если электролит приготовляется из концентрированного раствора, то в этом случае можно пользоваться данными табл. 11,6, где указано количество воды, которое необходимо добавить к 1 л раствора едкого калия различной концентрации для получения необходимого электролита.
Таблица 11,6
Количество воды в граммах, которое необходимо добавить к 1 л раствора едкого калия для получения электролита определенного удельного веса
Удельный вес раствора Требуемый удельный вес электролита
1Д8 1,19 1,20 1,21 1,24 1,26 1,28
1,397 1250 1138 1027 931 628 545 415
1,410 1335 1218 1102 1006 748 604 467
1,424 1115 1292 1173 1073 806 659 520
1,438 1512 1385 1261 1147 880 726 584
1,453 1622 1495 1361 1152 963 802 654
1,468 1725 1587 1453 1311 1040 874 719
1,483 1829 1685 1564 1430 1118 946 786
1,498 1944 1796 1650 1520 1205 1026 860
1,514 2050 1897 1748 1622 1286 1100 929
1,530 2156 1997 1842 1713 1365 1174 996
1,546 2252 2088 1929 1795 1473 1240 1056
1,563 2391 2200 2055 1916 1543 1337 1147
1,580 2512 2334 2164 2020 1634 14'20 1223
1,597 2645 2462 2284 2135 1735 1515 1310
1,615 2783 2593 2410 2255 1843 1610 1400
1,643 2950 2752 2565 2399 1965 1731 1505
Смена электролита производится один раз в год или через каждые сто циклов работы. Перед сменой электролита надо разрядить батарею номинальным разрядным током до 1 в на элемент, вылить электролит, промыть бак и залить новый электролит.
При приготовлении электролита надо надевать защитные очки, резиновый фартук и резиновые перчатки, а также иметь 2% раствор борной кислоты.
Приготовление электролита для первичной заливки сухих серебряно-цинковых аккумуляторов производится из химически чистого едкого калия и дистиллированной воды, причем раствор насыщается окисью цинка. При доливке аккумуляторов в процессе эксплуатации применяется тот же
189
электролит, но без окиси цинка. Заливка электролита производится так же, как и у обычных щелочных аккумуляторов.
Хранение щелочных аккумуляторов
Щелочные аккумуляторы, бывшие в эксплуатации, можно хранить как в сухом виде, так и в полуразряжен-ном состоянии. Для постановки на хранение в сухом виде надо разрядить батарею током восьмичасового режима до напряжения 1 в на элемент, вылить электролит и, не промывая аккумуляторов, плотно закрыть отверстия пробками, а затем очистить аккумуляторы от солей, смазать вазелином баки и другие металлические части аккумуляторов.
При хранении аккумуляторов в полуразряженном состоянии надо:а) после нормальной зарядки разрядить батарею на 25—50% емкости; б) очистить баки от грязи и смазать их вазелином; в) разъединить между собой элементы, проверить уровень электролита в баках, добавить несколько капель вазелинового масла и закрыть отверстия бака резиновыми пробками. При хранении надо периодически открывать пробки для выпуска газов, а также очищать аккумуляторы от ползучих солей. Хранить аккумуляторы надо в сухом и чистом помещении с температурой от +5 до +25° С.
Серебряно-цинковые аккумуляторы можно хранить как в заряженном, так и в разряженном состоянии, но предпочитают обычно последний способ хранения.
§ 9. ЗАРЯДКА И РАЗРЯДКА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Аккумуляторы нуждаются в систематическом пополнении израсходованной энергии. Зарядку аккумуляторов можно производить только постоянным током: от генераторов постоянного тока, преобразователей переменного тока в постоянный, а также от сети постоянного тока.
Различают два основных вида зарядки аккумуляторных батарей: первичную (формировочную) и нормальную, т. е. очередную.
При подготовке к нормальной зарядке необходимо: 1) произвести внешний осмотр аккумуляторной батареи; 2) измерить напряжение контрольных элементов с помощью пробника (рис. 10,15), который состоит из корпуса 1 с ножками, рукояткой и кнопкой, вольметра 2 и нагрузочного сопротивления 3; при измерении в гнездо корпуса ввинчи-190
Рис. 10,15. Измерение напряжения аккумулятора с помощью пробника
вается нагрузочное сопротивление для получения двойного номинального тока аккумулятора; затем, ставя пробник на зажимы элемента и не нажимая кнопку, измеряют э. д. с., а при нажатии кнопки — напряжение аккумулятора под нагрузкой; 3) проверить плотность зажимов междуэлемент-ных соединений, проверить удельный вес и уровень электролита в элементах; 4) приготовить схему соединения аккумуляторной батареи для зарядки; 5) установить величину зарядного тока по паспорту, а если такой возможности нет, то величину зарядного тока можно определить для щелочных аккумуляторов, разделив емкость батареи на 4, а для кислотных — на 8; 6) открыть пробки аккумуляторов и включить в работу вентиляцию; 7) если известно количество ампер-часов, отданных при разрядке батареи, то определить емкость зарядки; если неизвестна полярность зарядного устройства, то определить ее с помощью вольтметра магнитоэлектрической системы.
Основных способов зарядки кислотных аккумуляторных батарей три:
1. Зарядка при постоянном напряжении. Сущность ее заключается в том, что к аккумуляторной батарее подводят зарядное напряжение U3 больше э. д. с. батареи Е6 и не изменяют его до конца зарядки. В результате зарядный ток 13 все время уменьшается и достигает минимальной величины, что следует из уравнения
/ _ Сз
где г6—внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи.
191
Данный способ зарядки обычно применяется для частич-ной подзарядки аккумуляторных батарей.
2. Зарядка при постоянной величине зарядного тока. Сущность ее заключается в том, что в течение всей зарядки величина зарядного тока поддерживается неизменной. Недостатком этого способа является чрезмерное газовыделе-ние к концу зарядки и перегрев батареи. Поэтому этот способ применяется при продолжительных зарядках малыми токами, в частности при формировании батареи и при уничтожении остаточной сульфатации пластин.
3. Ступенчатая зарядка. Сущность ее заключается в том, что зарядку начинают током 1,2 /н и поддерживают его неизменным до напряжения 2,4 в на элементе. После этого ток уменьшают в два раза и поддерживают его до тех пор, пока аккумуляторы не будут полностью заряжены.
Железо-никелевые и кадмиево-никелевые аккумуляторы допускают три вида зарядки:
1. Нормальная зарядка. Сущность ее заключается в том, что зарядка производится номинальным зарядным током в течение шести—семи часов.
2. Форсированная зарядка, которая производится в течение 4,5 час: первые 2,5 час — двойной величиной номинального зарядного тока и затем остальные 2 час—нормальным зарядным током.
3. Усиленная зарядка, которая производится 12 час в две ступени: 6 час — нормальным зарядным током и 6 час— током, равным половине номинального.
Указанные аккумуляторы не боятся перезарядок, так как они даже повышают активность пластин, разрыхляя их активные массы.
Зарядка серебряно-цинковых аккумуляторов может производиться двумя способами: при постоянном напряжении и при постоянной величине зарядного тока. Последним способом лучше вести зарядку в течение 5—10 час, но можно допускать и более кратковременные режимы зарядки, если температура Электролита не превышает 60° С. При постоянном напряжении обычно производится подзарядка. Следует иметь в виду, что пик зарядного тока в момент включения разряженной батареи 15-СЦС-45 может достигнуть 250— 300 а. Недозарядок серебряно-цинковые аккумуляторы не боятся, но они нежелательны.
При разрядке аккумуляторных батарей необходимо выполнять следующие правила:
1. Батарею не разряжать до напряжения, ниже указан-192
ного в инструкции Для данного разрядного тока; если предельное напряжение неизвестно, то признаком конца разрядки является быстрое падение напряжения.
2. Не производить разрядок током, большим, чем указано в инструкции, и глубоких разрядок без особой на то необходимости, имея в виду, что такие разрядки ведут к разрушению аккумуляторов.
3. Разряженные аккумуляторные батареи следует включать на зарядку возможно скорее, особенно если разрядка производилась небольшим током длительно.
Отметим, что приведение в действие как нормально заряженных, так и сухо заряженных батарей производится согласно инструкции заводов-изготовителей.
13—2107
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ТРАНСФОРМАТОРЫ
ГЛАВА 11
ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Машины, преобразующие механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую в механическую, называются электрическими машинами. В зависимости от рода тока различают электрические машины постоянного и переменного тока.
Электрические машины постоянного тока, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами, а машины, преобразующие электрическую энергию в механическую,— электродвигателями.
История развития электрических машин постоянного тока связана с именами выдающихся русских ученых Э. X. Ленца, Б. С. Якоби, А. Г. Столетова и Д. А. Лачинова. В 1833 г. Ленц, обобщив закон электромагнитной индукции, сформулировал принцип обратимости электрических машин. Якоби в 1834 г. построил первый в мире электродвигатель постоянного тока для промышленных целей. Столетов исследовал магнитные свойства ферромагнитных материалов, создав основу расчета магнитных цепей электрических машин. Лачннов разработал оригинальные конструкции электрических машин постоянного тока.
Принцип работы генераторов постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. На рис. 11,1,а.приведена принципиальная схема работы генератора. Якорь машины, изображенный в виде витка, вращается с постоянной скоростью в однородном магнитном поле между двумя полюсами. Концы витка присоединены к двум медным полукольцам (коллектору), насаженным на вал и изолирован-194
НЫ.М друг от друга и от вала. На полукольца наложены неподвижные тетки, соединяющие виток с внешней цепью.
Если якорь машины с помощью внешней силы, например первичного двигателя, привести во вращение, то виток будет пересекать магнитный поток и в нем будет индуктироваться переменная э. д. с. (рис. 11,1,6) направление которой опре-
Рис. 11,1. Генератор постоянного тока;
а — принципиальная схема; б — переменная э. д. с.; в — пульсирующий ток
деляется по правилу правой руки. Мгновенное значение этой э. д. с. определяется по закону электромагнитной индукции
е = Blv,
где v — скорость движения витка относительно поля;
I — активная длина витка, т. е. длина двух сторон витка, пересекающих магнитный поток;
В — магнитная индукция, перпендикулярная к плоскости витка.
Под влиянием этой э. д. с. в замкнутой цепи потечет электрический ток. Естественно, что этот ток будет взаимодействовать с магнитным полем, в результате чего создадутся электромагнитные силы, которые согласно закону Ленца, будут противодействовать движению витка.
Таким образом, при вращении якоря в витке индуктируется переменная э. д. с.; при замыкании внешней цепи по витку течет переменный ток, а по внешней цени течет постоянный ток (рис. 11,1, в). Выпрямление переменного тока в постоянный на зажимах внешней цепи осуществляется автоматически при помощи коллектора.
Рассмотрим принцип действия коллектора генератора (рис. 11,2,6). На схеме обозначено: а и б — коллекторные
13*
195
пластины; 1 и 2— стороны витка; А и В — щетки, которые установлены на нейтральной линии, т. е. линии, проходящей по середине между полюсами. Значение э. д. с. витка на нейтральной линии всегда равно нулю.
Очевидно, когда проводник / находится под северным полюсом, щетка А касается пластины б, а щетка В — пластины а и во внешней цепи ток течет от щетки А к щетке В,
Рис. 11,2. Схема работы коллектора
как указало стрелками. При прохождении же витка через нейтральную линию э. д. с. равна нулю и, следовательно, в витке и во внешней цепи тока не будет. Наконец, при переходе проводника 1 в область южного полюса и соответственно проводника 2 в область северного полюса индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление на обратное. Но в момент изменения направления э. д. с. в проводниках щетка А переходит с пластины б на пластину а и Щетка В соответственно переходит с пластины а на пластину б. Тем самым щетки переключают концы витка по отношению к внешней цепи, в результате чего ток во внешней цепи течет в прежнем направлении. Другими словами, в витке индуктируется переменная э. д. с. и течет переменный ток, а во внешней цепи — пульсирующий ток, т. е. ток, переменный по величине и постоянный по направлению.
Для того чтобы во внешней цепи получить постоянный по величине ток, на якоре на одинаковом расстоянии друг от друга укладывают несколько витков и соответственным образом увеличивают число коллекторных пластин. Так, например, если на якорь уложить не один, а два витка 1—3 196
и 2—4, расположив их под углом 90° друг к другу и соединив с четырьмя пластинами коллектора (рис. 11,3,а), то выпрямленные полуволны э. д. с. et и е2 этих витков сместятся относительно друг друга на 90° (рис. 11,3, б). Общая же э. д. с. генератора изобразится кривой Е, полученной сложением отдельных значений э. д. с. в витках для каждого момента времени.
Рис. 11,3. Выпрямление э. д с. и тока:
а — схема генератора; б — кривые э. д. с.
При достаточно большом количестве витков и соответственном числе коллекторных пластин э. д. с. генератора практически не изменится. В этом случае во внешней цепи будет течь постоянный ток, если ее сопротивление будет постоянно.
§ 2. УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Устройство генератора постоянного тока схематически показано на рис. 11,4. Он состоит из двух основных частей: 1) неподвижной, служащей для создания магнитного потока, и 2) вращающейся, в которой индуктируется электродвижущая сила. Между этими частями машины имеется воздушный зазор, который в машинах небольшой мощности составляет 1—3 мм, а в больших машинах доходит до 10—12 мм. Рассмотрим кратко устройство основных частей машины.
Неподвижная часть машины состоит из станины (рис. 11,6), основных и добавочных полюсов. Основные полюсы служат для создания основного магнитного потока.
197
Каждый основной полюс состоит из сердечника и надетой на него катушки, по которой проходит ток возбуждения. Катушки основных полюсов, соединенные между собой тем или иным способом, составляют обмотку возбуждения машины. Сердечники полюсов заканчиваются полюсными наконечниками, назначение которых — улучшить распределение магнитного потока. Дополнительные полюсы, устанав
ливаемые между главными полюсами, служат для улучше-
Рис. 11,4. Четырехполюсный генератор постоянного тока
стали. Станина, как правило,
ния условий коммутации, т. е. процесса, который происходит на коллекторе машины. Дополнительный полюс, как и основной, состоит из сердечника с насаженной катушкой. Катушки дополнительных полюсов, соединенные между собой, образуют обмотку, которая включается последовательно с обмоткой якоря. Все сердечники для ограничения вихревых токов изготовляются из тонких изолированных листов электротехнической изготовляется из стали и
служит для крепления отдельных частей, а также как маг-
нитопровод машины.
Машины постоянного тока изготовляются как двухполюсными, так и многополюсными, причем число основных полюсов всегда четное. Полюсы вместе с ярмом станины составляют магнитную систему машины.
Вращающаяся часть машины, имеющая вид барабана, называется якорем. Он состоит из сердечника, укрепленного на валу, обмотки и коллектора. Сердечник набирается из тонких листов электротехнической стали, а для улучшения охлаждения якоря в сердечнике, как правило, делаются вентиляционные каналы. На поверхности сердечника имеются пазы. Обмотка якоря изготовляется из медной проволоки в виде секций (рис. 11,5, а), которые закладываются в пазы сердечника и укрепляются в них при помощи деревянных клиньев и бандажей. Обмотка якоря выполняется двух типов: петлевая или параллельная (рис. 11,5,6)
198
и волновая или последовательная (рис. 11,5, в). Концы секций обмотки припаиваются к коллекторным пластинам при помощи петушков или хомутиков.
Рис. 11,5. Обмотка якоря генератора: а — секция; б — петлевая; в — волновая
Коллектор, являющийся составной частью якоря, представляет собой барабан (рис. 11,6), состоящий из ряда кли-
Рис. 11.6. Генератор постоянного тока в разобранном виде:
2 — станина; 2 — якорь; 3 — подшипниковые шиты; 4 — траверса со щеткодержателями; 5 — крышка от зажимов: 6 — коллектор
невидных медных пластин, изолированных друг от друга и от корпуса миканитовыми прокладками. Ток с коллектора снимается при помощи щеток, которые имеют с коллектором скользящий контакт. Щетки представляют собой угольные или графитные бруски, укрепленные в щеткодер-
199
жителях. Щеткодержатели при помощи хомутиков укрепляются на пальцах щеточной траверсы или рамы, от которой щеткодержатель изолирован. Щеточная траверса крепится на одном из подшипниковых щитов. Перемещением траверсы достигается изменение положения щеток на коллекторе. Число пальцев на траверсе равно числу полюсов машины.
На рис. 11,6 показана машина постоянного тока в разобранном виде, где, кроме основных элементов, изображены подшипниковые щиты. В этих щитах устанавливаются подшипники. В машинах постоянного тока обычно применяются шариковые и роликовые подшипники, а в больших машинах — подшипники скольжения.
§ 3. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА И НАПРЯЖЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА
При вращении якоря машины в магнитном поле в его обмотке согласно закону электромагнитной индукции наводится э. д. с. При этом в проводниках обмотки якоря, рас
Рис. 11,7, Упрощенная схема генератора
положенных под разными полюсами (рис. 11,7), индуктируются э. д. с. различного направления, но благодаря симметрии эти э. д. с. равны по величине. Поскольку обмотка якоря, всегда замкнута, то сумма э. д. с. обмотки всегда равна нулю. Следовательно, при разомкнутой внешней цепи ток в обмотке якоря также будет равен нулю. При замкнутой же внешней цепи проводники, расположенные под разноименными полюсами, образуют параллельные ветви, число которых равно числу полюсов для простой петлевой обмотки и двум — для простой волновой обмотки. В рассматриваемой схеме проводники образуют две параллельные ветви, каждая из которых будет давать во внешнюю цепь ток, равный поло
вине тока якоря (рис. 11,8). Из рисунка видно, что проводники, образующие какую-либо одну параллельную цепь, включены между щетками машины и э. д. с. их действуют согласованно. Следовательно, э. д. с. машины в
200
каждый момент времени равна сумме этих э. д. с. Это суммирование осуществляют щетки машины.
Известно, что величина э. д. с. индуктируемой в проводнике якоря, пропорциональна числу магнитных линий, пересекаемых этим проводником в секунду. Поэтому если обозначить через р число пар полюсов машины, Ф — магнит
Рис. 11,8. Упрощенная схема обмотки якоря
ный поток одного полюса, п — число оборотов машины в минуту, то согласно закону электромагнитной индукции средняя величина э. д. с. в проводнике будет равна
с 60 •
Так как э. д. с. машины равна э. д. с. одной параллельной ветви обмотки якоря, то, обозначая через общее число активных проводников якоря, а через а — число пар параллельных ветвей, найдем
r~ N „ п N
Е~ 6 60 ’ Ф-
В готовой машине р, N и а остаются постоянными величинами. Поэтому, заменив все постоянные величины одним
, . г PN
коэффициентом С = g^, можно написать уравнение э. д. с. машины в следующем виде:
Е = С пФ.
Это уравнение показывает, что э. д. с. готовой машины постоянного тока зависит только от числа оборотов машины и магнитного тока. Следовательно, при работе машины ее э. д. с. можно менять путем изменения скорости вращения якоря или величины магнитного потока. Кроме того, в
201
генераторном режиме э д. с. является причиной возникновения тока, а в двигательном — противодействием току.
При работе машины в режиме генератора э. д. с. Е больше напряжения U на величину падения напряжения /ягя в обмотке якоря. Следовательно, уравнение электри ческого равновесия для генератора запишется так:
U = E — /яг„
где U— напряжение на зажимах генератора;
/я — ток в обмотке якоря;
гя — сопротивление обмотки якоря.
Уравнение электрического равновесия, или, другими словами, уравнение равновесия, э. д. с. характеризует первое основное условие работы машины, которое называется условием равновесия э. д. с. Вторым условием работы машины, как это будет показано ниже, является условие равновесия моментов.
§ 4. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ ГЕНЕРАТОРА
При работе генератора вхолостую, т. е. без нагрузки, в нем существует только основное магнитное поле — поле полюсов. При работе же генератора под нагрузкой, т. е. когда по обмотке якоря проходит ток, в нем существуют поле полюсов и поле якоря, создаваемое током якоря. Поле полюсов и поле якоря, накладываясь друг на друга, образуют результирующее поле машины. На рис. 11,9 эти поля показаны раздельно. Результирующее поле отличается от основного поля как по величине, так и по характеру распределения. Объясняется это тем, что направление поля якоря и поля полюсов в одних местах совпадает, отчего результирующее поле в этих местах усиливается, а в других не совпадает — результирующее поле в этих местах уменьшается.
Кроме того, результирующее поле смещается в сторону вращения якоря и соответственно этому смещается нейтральная линия, называемая в этом случае физической нейтралью. Очевидно, что для нормальной работы коллектора надо и щетки перемещать на новую линию. В противном случае замыкание секций обмотки якоря накоротко щетками в момент их переключения будет происходить при наличии э. д. с. в секции. В результате под щетками будут образовываться искры, что при неблагоприятных условиях может привести к образованию на коллекторе кругового огня.
202
Рис. 11,9. Магнитные поля генератора; полюсов; б — якоря; в — результирующее поле машины
203
поперечным полем якоря.
Рис. 11,10. Схема включения добавочных полюсов
Помимо ухудшения коммутации, поле якоря частично размагничивает машину, что приводит к уменьшению ее э. д. с. Это в свою очередь приводит к снижению напряжения на зажимах генератора. Та часть поля якоря, которая вызывает искажение основного поля машины, называется Другая часть поля якоря, вызывающая размагничивание машины, называется продольным полем якоря.
Явление воздействия поля якоря на основное поле машины называется реакцией якоря. Искажение основного поля полем якоря называется поперечной реакцией якоря, а ослабление основного поля полем якоря — продольной реакцией якоря. Поперечная реакция, искажая поле машины, вызывает искрение на коллекторе, а продольная реакция, размагничивая машину, изменяет ее основные величины.
Для уменьшения вредного влияния реакции якоря в большинстве машин постоянного тока применяются специальные устройства — добавочные полюсы (рис. 11,10). Они устанавливаются между основными полюсами по оси нейтральной линии и создают дополнительный магнитный поток, направленный навстречу потоку якоря, ослабляя тем самым действие последнего. Магнитное поле якоря изменяется с изменением нагрузки машины, поэтому для компенсации поля якоря обмотку дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря и по ней, следовательно, проходит ток якоря. Отметим также, что в некоторых машинах для компенсации и реакции якоря применяется еще компенсационная обмотка, укладываемая обычно на сердечниках основных полюсов.
§ 5. КОММУТАЦИЯ ТОКА
Под коммутацией понимается процесс переключения секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, сопровождаемый замыканием секций накоротко и из-204
меиением величины и направления тока в секциях обмотки якоря.
Переключение совершается во время прохождения секции через нейтральную линию, причем в этот момент секции замыкаются щетками накоротко. Весь процесс переключения одной секции показан на рис. 11,11. За время этого переключения ток в короткозамкнутой, или, иначе, коммутируемой, секции изменяется от + до — , проходя через нуль. При этом плотность тока под щеткой будет меняться.
Направление движения якоря
Рис. 11,11. Коммутация тока
Физическая сущность коммутационного процесса состоит в том, что в коммутируемой секции вследствие быстрого изменения тока возникает э. д. с. самоиндукции eL, которая препятствует быстрому изменению тока и может в момент 'схода щетки с коллектора вызвать искру между сбегающим краем щетки и пластиной коллектора. Кроме того, в коммутируемой секции могут возникнуть еще э. д. с. от пересечения внешнего поля и ряда других факторов, которые также ухудшат процесс коммутации. Все это может привести к образованию на коллекторе сильного искрения.
Для уменьшения вредного действия самоиндукции и, следовательно, для улучшения коммутации надо скомпенсировать э. д. с. самоиндукции. С этой целью искусственно смещают щетки с нейтральной линии у генераторов в сторону вращения якоря. Благодаря этому секция в момент ее короткого замыкания будет пересекать внешнее магнитное поле и в ней будет индуктироваться новая э. д. с., направленная навстречу э. д. с. самоиндукции eL и компенсирую
205
щая последнюю. Эта новая э. д. с. обозначается ек и называется коммутирующей. Однако такой способ получения коммутирующей э. д. с. малоэффективен, так как нагрузка на якорь, как правило, переменная, а следовательно, и угол смещения щеток будет переменным. Поэтому для получения коммутирующей э. д. с. и, следовательно, улучшения коммутационного процесса обычно используются добавочные полюсы, магнитный поток которых автоматически изменяется с изменением тока якоря.
§ 6. КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПО СПОСОБУ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Магнитный поток в генераторах постоянного тока создается током возбуждения, который можно получить или от постороннего источника или от самого генератора. В зависимости от этого генераторы разделяются на две группы: 1) генераторы с независимым возбуждением и 2) генера-
Рис. 11,12. Принципиальные схемы генераторов постоянного тока: а — независимого возбуждения; б — параллельного возбуждения; в — последовательного возбуждения; г — смешанного возбуждения
торы с самовозбуждением. В первых питание обмотки возбуждения производится от постороннего источника, в частности от аккумуляторной батареи или от генератора постоянного тока небольшой мощности,— возбудителя. Наоборот, в генераторах с самовозбуждением питание цепи возбуждения осуществляется от самого генератора. У генераторов независимого возбуждения цепь возбуждения и цепь якоря электрической связи не имеют, а у генераторов с самовозбуждением цепи электрически соединены между собой.
206
Генераторы с самовозбуждением по способу соединения обмоток возбуждения делятся на генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. На рис. 11,12 показаны принципиальные схемы генераторов постоянного тока.
Очевидно, что каждый генератор рассчитан на определенный режим работы. Такой режим работы характеризуется номинальной мощностью, номинальным напряжением, номинальным током, номинальной скоростью вращения и т. д., которые обычно указываются на щитке генератора.
Основные величины, определяющие работу генераторов, зависят друг от друга. Эта зависимость устанавливается с помощью характеристик, которые обычно изображаются в виде кривых. Наиболее важными характеристиками генератора являются:
1. Характеристика холостого хода, представляющая собой зависимость э. д. с. генератора от тока возбуждения при постоянной скорости вращения и разомкнутой внешней цепи, т. е
Е — при п = const и / = 0.
2. Внешняя характеристика, представляющая собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянной скорости вращения и неизменном сопротивлении цепи возбуждения, т. е.
U—f(T) при п = const и rB = const.
3. Регулировочная характеристика, представляющая собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянном напряжении и постоянной скорости вращения, т. е.
/в ==/(/) при п — const и U = const.
Основные характеристики позволяют в наглядной форме производить анализ свойств генератора, которые в основном определяются способом возбуждения машины.
§ 7. ГЕНЕРАТОР НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
И ЕГО СВОЙСТВА
Генератор постоянного тока, обмотка возбуждения которого не соединена с якорем, называется генератором независимого возбуждения. На рис. 11,13 приведена его
207
Рис. 11,13. Схема генератора независимого возбуждения
принципиальная электрическая схема, где обозначены: Я — якорь генератора; ОБ — обмотка возбуждения; РР — регулировочный реостат, служащий для изменения тока возбуждения. Внешняя цепь представлена в виде лампового реостата.
Генератор возбуждается нормально при разомкнутой внешней цепи. Для возбуждения генератора необходимо пустить первичный двигатель в ход и развить номинальную скорость вращения. Затем, замкнув цепь возбуждения и изменяя ток в ней при помощи регулировочного реостата, довести напряжение до номинальной величины.
Очевидно, что при разомкнутой внешней цепи генератор работает вхолостую и поэтому напряжение на его зажимах равно э. д. с., т. е. U=E. Характеристика холостого хода изображена на рис. 11,14, а. При увеличении тока
Рис. 11,14. Характеристики генератора независимого возбуждения:
а — холостого хода; б — вцешняя
208
возбуждения характеристика получает восходящую ветвь, а при уменьшении — нисходящую. Разница в значениях ординат восходящей и нисходящей ветвей при одних и тех же значениях тока возбуждения объясняется явлением гистерезиса. Отрезок ОА соответствует величине остаточного намагничивания.
Характеристика холостого хода дает возможность судить о степени насыщения машины. Она имеет начальный ненасыщенный участок, средненасыщенный участок (колено) и сильнонасыщенный конечный участок. Генератор обычно работает на колене кривой, так как на ненасыщенном прямолинейном участке напряжение генератора неустойчиво, а на насыщенном участке затруднена регулировка напряжения.
При работе генератора с нагрузкой напряжение на его зажимах не остается постоянным, а изменяется при изменении нагрузки и определяется по уравнению равновесия э. д. с., т. е.
U — E — 1ягя.
Изменение напряжения генератора при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной устанавливается внешней характеристикой (рис. 11,14,6). Действительно, если поддерживать постоянными число оборотов генератора и ток возбуждения и увеличивать нагрузку, т. е. ток во внешней цепи от нуля до /н, то напряжение генератора будет уменьшаться. Это уменьшение напряжения объясняется двумя причинами: 1) увеличением по мере роста нагрузки падения напряжения 1ягя в обмотке якоря; 2) усилением действия продольной реакции якоря, которая, размагничивая генератор, уменьшает его э. д. с., а следовательно, и напряжение генератора.
Изменение напряжения обычно выражается в процентах от номинального напряжения Un по формуле
\u=-Uo~Uh -100%.
Это изменение составляет 5—10% в генераторах независимого возбуждения.
Для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора следует по мере увеличения нагрузки увеличивать ток возбуждения путем выведения регулировочного реостата.
Таким образом, генератор независимого возбуждения обладает следующими свойствами: 1) возбуждается как при
14—2107
209
разомкнутой, так и при замкнутой внешней цепи, так как цепь возбуждения независима от цепи якоря; 2) при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке изменение напряжения незначительно, т. е. при работе генератора напряжение на его зажимах достаточно стабильно; 3) боится коротких замыканий, поскольку в момент замыкания э. д. с. генератора продолжает оставаться значительной, а сопротивление внешней цепи равно нулю.
Генераторы независимого возбуждения применяются в качестве генераторов низкого напряжения (5—24 в) и генераторов высокого напряжения (500 в и выше), а также в качестве генераторов большой мощности, требующих широкой и плавной регулировки напряжения.
§ 8. ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ И ИХ СВОЙСТВА
Генераторы с самовозбуждением разделяются, как уже отмечалось, на генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Самовозбуждение этих генераторов основано на явлении остаточного намагничивания.
Действительно, при вращении якоря в поле остаточного намагничивания в его обмотке индуктируется небольшая э. д. с. Величина этой э. д. с. обычно составляет 3—5% от
Эта э. д. с., как только цепь якоря будет замкнута на обмотку возбуждения, создаст в цепи возбуждения небольшой ток, который в свою очередь создаст небольшой магнитный поток. Если этот поток совпадет по направлению с потоком остаточного намагничивания, то магнитное поле машины усилится, что увеличит индуктируемую в якоре э. д. с. и снова усилит ток в обмотке возбуждения и т. д., пока не установится требуемое напряжение генератора.
Кроме того, процесс самовозбуждения и величина установившегося напряжения холостого хода зависят от величины сопротивления цепи возбуждения. Сопротивление, при котором генератор не возбуждается, принято называть критическим сопротивлением возбуждения.
Таким образом, для самовозбуждения генератора необходимы следующие условия: а) наличие магнитного поля остаточного намагничивания; б) совпадение потока обмотки возбуждения с потоком остаточного намагничивания; в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического при данной скорости вращения.
Отметим, что для улучшения процесса самовозбужде-210
Ния надо внешнюю цепь оставлять разомкнутой и вращать якорь с номинальной скоростью. Если поле остаточного намагничивания мало, то необходимо подмагнитить машину от постороннего источника. Наконец, если при наличии всех условий регулировочный реостат выведен полностью и машина не возбуждается, необходимо увеличить скорость вращения якоря.
Генератор параллельного возбуждения
Генератор постоянного тока, обмотка возбуждения которого присоединена параллельно якорю, называется генератором параллельного возбуждения. На рис. 11,15 изображена его принципиальная электрическая схема. Обозначения на схеме те же, что и на схеме генератора независимого возбуждения.
Напряжение на зажимах генератора параллельного возбуждения определяется по формуле
U = Е — 1лгя.
Ток в цепи возбуждения определяется по закону Ома
r =
в ге
Ток якоря разветвляется на ток возбуждения и ток нагрузки в соответствии с первым законом Кирхгофа
/й = / + 4.
14*
211
На рис. 11,16 изображены характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения и его внешняя характеристика.
Внешняя характеристика показывает, что напряжение на зажимах генератора при увеличении нагрузки уменьшается. Это уменьшение напряжения вызывается: 1) увеличением падения напряжения 1ягя в обмотке якоря вследствие возрастания тока якоря; 2) уменьшением э. д. с. генератора за счет усиления действия продольной реакции
Рис. 11,16. Характеристики генератора параллельного возбуждения: а — холостого хода; б — внешняя
якоря; 3) уменьшением тока возбуждения вследствие уменьшения напряжения, что также вызывает уменьшение его э. д. с., а следовательно, и напряжения.
Внешняя характеристика генератора показывает также, что при некотором токе /кр, называемом обычно критическим током, дальнейшее уменьшение сопротивления внешней цепи вызывает не увеличение тока нагрузки, а уменьшение его (пунктирная часть кривой). Это объясняется тем, что при значительно пониженном напряжении на зажимах ток возбуждения становится настолько малым, что небольшое его уменьшение вызывает резкое уменьшение э. д. с. генератора. Другими словами, происходит самораз-магничивание генератора. При коротком замыкании генератор сохраняет небольшую э. д. с., обусловливаемую остаточным намагничиванием, которая и поддерживает в якоре ток, обычно и называемый током короткого замыкания.
Уменьшение напряжения при увеличении нагрузки от нуля до номинальной у генераторов параллельного возбуждения составляет 8—15% т. е. оно больше, чем у ге-
нератора независимого возбуждения.
Регулировочная характеристика генератора параллель
212
ного возбуждения подобна характеристике генератора независимого возбуждения.
Таким образом, основные свойства генератора параллельного возбуждения кратко можно сформулировать так: 1) генератор возбуждается при разомкнутой внешней цепи и не возбуждается, если он замкнут накоротко или на малое сопротивление, так как в последнем случае ток в обмотку возбуждения не пойдет; 2) при изменении нагрузки от нуля до номинальной напряжение генератора уменьшается в большей степени, чем у генератора независимого возбуждения; 3) генератор не боится короткого замыкания, так как ток возбуждения будет равен нулю, т. е. генератор размагнитится, а ток в якоре будет определяться остаточной э. д. с. Величина установившегося тока короткого замыкания обычно меньше номинального тока генератора и поэтому его действие неопасно для генератора.
Генераторы параллельного возбуждения нашли широкое применение в качестве возбудителей и зарядных агрегатов, а также небольших источников питания.
Генератор последовательного возбуждения
Генератор постоянного тока, обмотка возбуждения которого включена последовательно с якорем, называется генератором последовательного возбуждения. На рис. 11,17, а представлена его электрическая схема. При работе генера
тора имеет место равенство
U = E — 1й(га + гс),
где гс — сопротивление последовательной обмотки возбуждения.
Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 11,17,6. Она показывает, что напряжение на зажимах генератора сначала повышается по мере увеличения нагрузки, затем, достигнув наибольшего значения, вследствие увеличения падения напряжения в обмотках якоря и возбуждения и усиления действия
Рис. 11,17. Схема и внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения
213
реакции якоря быстро падает. Следовательно, напряжение генератора при изменении нагрузки изменяется в широких пределах и простое регулирование его трудновыполнимо. Поэтому генераторы последовательного возбуждения в современных установках применяются лишь в качестве специальных генераторов.
Генератор смешанного возбуждения
Генератор постоянного тока, имеющий параллельную и последовательную обмотки возбуждения, называется генератором смешанного возбуждения. На рис. 11,18, а показана его электрическая схема. Параллельная обмотка служит для создания основного потока машины, а последовательная — для поддержания стабильности напряжения
Рис. 11,18. Схема и внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения
на зажимах генератора при изменении нагрузки. Действительно, при увеличении нагрузки возрастает ток в последовательной обмотке, в результате чего увеличивается магнитное поле генератора и, следовательно, компенсируется уменьшение напряжения генератора, вызванное увеличением тока якоря. Благодаря этому напряжение на зажимах генератора при изменении нагрузки от нуля до номинальной остается почти неизменным, что наглядно показывает внешняя характеристика (рис. 11,18,6). Последовательная обмотка является как бы автоматическим регулятором напряжения.
Напряжение на зажимах генератора смешанного возбуждения определяется по формуле
и = Е — 1я (гя + д).
214
Рассмотренный выше способ соединения обмоток возбуждения генератора, при котором магнитные потоки обмоток возбуждения складываются, называется согласным или компаундным соединением. Иногда же применяется встречное, или противокомпаундное соединение, при котором магнитный поток последовательной обмотки ослабляет поток, создаваемый параллельной обмоткой. Такое соединение применяется в тех случаях, когда генератор работает в условиях частых перегрузок и коротких замыканий (например, сварочная машина). В этих случаях последовательная обмотка почти размагничивает машину и понижает ток до значения, безопасного для целости генератора.
Генератор смешанного возбуждения обладает следующими свойствами: 1) возбуждается как при разомкнутой, так и при замкнутой внешней цепи; 2) при изменении нагрузки от нуля до номинальной напряжение генератора практически остается неизменным; 3) при согласном включении обмоток возбуждения генератор боится короткого замыкания, так как последовательная обмотка поддерживает напряжение на зажимах генератора, вследствие чего ток короткого замыкания будет большой и обмотка якоря может сгореть. Наоборот, при встречном включении обмоток возбуждения генератор не боится короткого замыкания, так как последовательная обмотка размагничивает его.
Генератор смешанного возбуждения, обладая хорошими свойствами, и в частности устойчивостью напряжения, широко применяется как в качестве основных источников постоянного тока, так и в качестве преобразователей.
§ 9. МОЩНОСТЬ И к. П. Д. ГЕНЕРАТОРОВ
Мощность, развиваемая генератором, называется полной мощностью. Она характеризует скорость преобразования механической энергии в электрическую и определяется произведением тока генератора /я и его э. д. с. Е:
Ра = Е1я.
Мощность, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, называется полезной мощностью. Эта мощность определяется формулой
P=UI,
где U — напряжение на зажимах генератора;
/ — ток во внешней цепи.
215
Отношение полезной мощности генератора к мощности первичного двигателя, развиваемой при вращении якоря генератора, называется коэффициентом полезного действия
генератора, т. е.
р III
Г!=Л^’100= 736Рнех '100%>
где Рмм— механическая мощность, подводимая к генератору от первичного двигателя.
К. п. д. генератора — величина непостоянная, он меняется при изменении нагрузки, достигая максимума при нагрузках в пределах от 75 до 100% номинальной. К- п. д. генераторов малой мощности достигает 80—85%, а генераторов большой мощности — 90—95%.
§ 10. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Под параллельной работой генераторов понимается такая их работа, когда два или несколько генераторов подключаются параллельно на общую сеть. Параллельная работа генераторов применяется в тех случаях, когда мощность потребителей в электрической сети превышает мощность одного генератора.
Осуществление параллельной работы генераторов постоянного тока возможно при выполнении следующих условий: 1) напряжения генераторов должны быть одинаковы; 2) зажимы «плюс» и «минус» включаемого генератора должны быть соединены с одноименными зажимами работающего генератора; 3) генераторы, включаемые в параллельную работу, должны быть одинаковы по системе возбуждения.
В качестве примера на рис. 11,19 приведена схема параллельного соединения двух генераторов смешанного возбуждения. На схеме обозначены: Я — якоря генераторов; ШО— параллельные обмотки возбуждения; СО — последовательные обмотки возбуждения; гр — регулировочный реостат; У/7 — уравнительный провод; % — нагрузка.
Если один из генераторов работает на сеть и требуется включить параллельно ему второй генератор, то необходимо произвести следующие операции: 1) пустить в ход подключаемый генератор и развить напряжение на его зажимах на 2—3 в больше, чем напряжение сети; 2) замкнуть двухполюсный автомат и 3) перевести часть нагрузки с работающего генератора на подключенный.
216
Перевод нагрузки производить только при помощи регулировочных реостатов. При переводе нагрузки необходимо сопротивление реостата работающего генератора плавно вводить, а сопротивление реостата подключенного генератора плавно выводить. В результате ток возбуждения первого генератора будет уменьшаться, а второго — увеличиваться. Соответственно этому будут изменяться
Рис. 11,19. Параллельная работа генераторов смешанного возбуждения
э. д. с. генераторов. Токи же генераторов определятся из уравнения электрического равновесия, т. е.
Г _ Сс г ________ ^2 Uc
1 гЯ1 2 ся2 ’
где Е} и Е2 — э. д. с. соответствующих генераторов;
гя[, г«2 — сопротивления генераторов;
С/с— напряжение сети.
Следовательно, изменяя сопротивления регулировочных реостатов, можно распределить нагрузку между генераторами поровну или полностью перевести с одного генератора на другой.
Уравнительный провод служит для устойчивости параллельной работы генераторов. Если по каким-либо причинам э. д. с. одного генератора стала меньше, чем второго, то ток от генератора с большей э. д. с. по уравнительному проводу пойдет в последовательную обмотку генератора с меньшей э. д. с., тем самым усилит возбуждение последнего и, следовательно, увеличит его э. д. с. При равенстве э. д. с. обоих генераторов тока в уравнительном проводе не будет. Таким образом, при помощи уравнительного провода э. д. с. и напряжение на зажимах параллельно рабо
217
тающих генераторов автоматически регулируется, чем Поддерживается устойчивость их параллельной работы.
Отметим, что в тех случаях, когда э. д. с. одного из генераторов резко снизится, его необходимо отключить от сети, так как в противном случае он перейдет в режим электродвигателя. Для такого отключения обычно устанавливаются реле или автоматы обратного тока.
ГЛАВА 12
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Электрические машины постоянного тока, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются электрическими двигателями постоянного тока. Принцип их действия основан на явлении взаимодействия проводника с током и магнитного поля. Действительно, при прохождении тока через виток от постороннего источника питания (рис. 12,1, а) в результате взаимодействия тока и магнитного поля возникает электромагнитная пара сил, направление которой определяется по правилу левой руки, а величина — по формуле
/= вп,
где В— магнитная индукция, перпендикулярная к плоскости витка;
I — активная длина витка;
I—величина тока, протекающего по витку.
Под влиянием этой силы виток придет в движение. В результате виток будет пересекать магнитное поле и в нем возникнет э. д. с. е, которая согласно закону Ленца будет противодействовать причине своего возникновения. Следовательно, если через обмотки якоря и возбуждения машины постоянного тока пропустить ток от постороннего источ. ника, то машина будет вращаться, т. е. работать как электродвигатель. Это вращение машины происходит вследствие взаимодействия магнитных полей якоря и полюсов. На рис. 12,1,6 показан характер этого взаимодействия.
Таким образом, машина постоянного тока обратима, т. е. может работать в качестве генератора и в качестве электродвигателя, причем в первом случае она создает тормоз-
219
Рис. 12,1. Электродвигатель постоянного тока: а — схема работы; б — взаимодействие магнитных полей полюсов и якоря
ной момент, а во втором—вращающий. Действительно, индуктируемый ток, проходящий по обмотке якоря генератора, взаимодействуя с магнитными потоками полюсов, создает момент сил, направленный противоположно направлению вращения якоря, в чем легко убедиться, применяя правило левой руки (рис. 12,2, б). Если через обмотку якоря пропустить ток в противоположном направлении от посто
Рис. 12,2. Схемы работы ма-шин постоянного тока: а — в режиме двигателя; б — в режиме генератора
роннего источника тока, то изменится направление сил взаимодействия между током и магнитным полем. Вращающий момент, созданный этими силами, будет совпадать по направлению с направлением вращения (рис. 12,2,а). В данном случае машина будет работать в режиме электродвигателя.
По устройству электродвигатель и генератор постоянного тока одинаковы, только коллектор в двигателе служит не для выпрямления тока, а для распределения тока в обмотке якоря так, чтобы он в провод
220
никах под разноименными полюсами имел разные направления, ибо только в этом случае силы будут действовать согласованно.
По способу возбуждения электродвигатели постоянного тока так же, как и генераторы, делятся на четыре типа: 1) электродвигатели независимого возбуждения; 2) электродвигатели параллельного возбуждения; 3) электродвигатели последовательного возбуждения и 4) электродвигатели смешанного возбуждения.
§ 2. ПУСК, ОСТАНОВКА И РЕВЕРС ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
При вращении электродвигателя постоянного тока проводники его якоря пересекают магнитное поле полюсов, вследствие чего в них идуктируется э. д. с., направление которой, как и в генераторе, определяется по правилу правой руки, а величина по формуле
£- = СлФ.
Направление индуктируемой э. д. с. в обмотке якоря двигателя обратно направлению тока, текущего в обмотке якоря. Поэтому эта э. д. с. называется обратной или противоэлектродвижущей силой электродвигателя.
В генераторе э. д. с. Е больше напряжения U на падение напряжения 1ягя в якоре. В двигателе, наоборт, напряжение больше обратной э. д. с. Е на ту же величину Д/"я> т. е.
и=Е + 1ягя.
(12,1)
. Это уравнение выражает первой основное условие работы электродвигателя, которое называется условием равновесия э. д. с.
Из этого уравнения определяется и ток в якоре электродвигателя как отношение разности между напряжением и обратной э. д. с. Е к сопротивлению якоря G, т. е.
U—E
При пуске двигателя в ход его якорь еще не вращается, обратная э. д. с. равна нулю и, следовательно, ток в якоре будет равен
221
Так как сопротивление якоря мало (0,01—0,15 ом), то по нему пройдет ток очень большой величины. Например, если напряжение
включения пускового
реостата в цепь якоря электродвигателя
сети равно 110 ей сопротивление обмотки якоря гя =0,02 ом, то ток в якоре в момент пуска прямым включением в сеть будет равен
, и НО сспп я ~ гя — 0,02 — 5500 а.
Такой большой ток опасен для двигателя. Поэтому при пуске двигателя в ход, когда его обратная э. д. с. равна нулю, для ограничения пускового тока последовательно с якорем включается так называемый пусковой реостат ПР, как это показано на рис. 12,3. При включении реостата пусковой ток двигателя будет равен
U
п гя + гп
где г„ — сопротивление пускового реостата, которое подбирается так, чтобы пусковой ток /п был больше номинального тока /н двигателя лишь в 1,5—2 раза.
При включении двигателя в сеть его якорь приходит в движение и постепенно увеличивает скорость. При нарастании скорости двигателя обратная э. д. с. начинает увеличиваться, пусковой реостат постепенно выводят и в конце пуска совершенно выключают из цепи якоря. При этом обратная э. д. с. достигает значения, близкого к напряжению сети, а ток уменьшается до номинальной величины.
В специальных установках пуск двигателя может производиться прямым включением их в сеть или путем без-реостатного изменения напряжения, подводимого к двигателю при пуске. В первом случае двигатели рассчитываются на 4—6-кратный пусковой ток, а во втором применяются специальные преобразователи. Безреостатный пуск непосредственно от корабельной сети допускается также для электродвигателей малой мощности, спаренных с нерегулируемыми механизмами.
Для остановки электродвигателя необходимо быстро ввести пусковой реостат, а затем выключить рубильник. Если же пусковой реостат имеет минимальную защиту, то 222
для остановки электродвигателя необходимо только выключить рубильник.
Направление вращения электродвигателя зависит от направления тока в обмотках якоря и возбуждения. Поэтому реверс, т. е. изменение направления вращения электродвигателя, можно произвести двумя путями: 1) изменить направление тока в обмотке возбуждения, оставив направление тока в якоре прежним; 2) изменить направление тока в якоре, оставив направление тока в обмотке возбуждения прежним. Если же изменить направление тока в якоре и в обмотке возбуждения одновременно, направление вращения двигателя не изменится.
§ 3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Основными параметрами электродвигателей постоянного тока, характеризующими их работу, являются число оборотов, вращающий момент, мощность и коэффициент полезного действия.
Число оборотов электродвигателя
Число оборотов двигателя постоянного тока можно определить из уравнения его обратной э. д. с., т. е. Е = СпФ, откуда
Заменяя обратную э. д. с. ее значением E—U— 1ягя, получим
Из формулы видно, что число оборотов двигателя прямо пропорционально напряжению, приложенному к зажимам якоря, и обратно пропорционально основному магнитному потоку машины. Следовательно, число оборотов электродвигателя можно регулировать двумя способами: 1) изменением напряжения, приложенного к зажимам якоря, или 2) изменением основного магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, т. е. изменением тока возбуждения.
223
Изменение напряжения и изменение тока возбуждения производится регулировочными реостатами, включенными соответственно в цепь якоря и в цепь обмотки возбуждения. Реостатом в цепи якоря достигается уменьшение числа оборотов двигателя, а реостатом в цепи возбуждения — увеличение их против номинального.
Вращающий момент электродвигателя
Рис. 12,4. Силы, действующие на якорь двигателя
Электродвигатель приходит во вращение, как ранее уже отмечалось, благодаря взаимодействию между проводниками с током обмотки якоря и магнитным полем полюсов. Это взаимодействие в общем случае может быть приведено к паре сил F, плечо которых равно диаметру якоря D (рис. 12,4). Эта пара сил и создает вращающий момент двигателя который математически можно записать так:
MB = FD.
Поскольку для данного двигателя диаметр якоря и число проводников обмотки якоря — величины постоянные, а силы F получаются от взаимодействия тока /я в якоре и магнитного потока Ф полюсов, то вращающий момент двигателя зависит исклю
чительно от последних двух величин и, следовательно, может быть выражен формулой
Мв = СМ/ЯФ,
где Сы—постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных данных двигателя.
Эту зависимость вращающего момента двигателя от тока якоря /я и магнитного потока Ф можно получить и математическим путем. Для этого обе части уравнения (12,1) умножим на ток якоря /я, тогда получим
Д7я = Д/(( + /^,
где UIB — мощность, подводимая к якорю двигателя:
/ягя — мощность, идущая на нагрев якоря;
Е/я — электрическая мощность, преобразуемая в механическую.
224
Кроме того, механическая мощность якоря двигателя может быть выражена как произведение вращающего момента Мв, создаваемого парой сил F (рис. 12,4), на угловую скорость вращения якоря со, т. е.
= Л1ВО>.
Отсюда следует, что вращающий момент электродвигателя равен
Н (О
Заменив в данном уравнении PMeIi ее значением Е1Я, получим
Заменяя э. д. с. Е ее выражением из формулы с г. л N
Е=2рФ эд- и угловую скорость со через число оборотов
со= -gQ- можно написать
60
Произведя сокращения и обозначив постоянные вели-чины через найдем
Мв = см/яф.
Отсюда следует, что вращающий момент данного электродвигателя меняется только с изменением тока якоря и Магнитного потока машины
Электродвигатель при работе преодолевает нагрузку, приложенную к его валу, называемую моментом сопротивления или тормозным моментом. На основании закона равновесия в двигателе при установившейся скорости вращения должно выполняться следующее равенство:
/Ив = Л/т,
где 7ИТ — тормозной момент, или момент сопротивления.
Это уравнение выражает второе основное условие работы электродвигателя, которое называется условием равновесия моментов.
Процесс работы электродвигателя протекает следующим образом. При изменении нагрузки, если вращающий
15—2107
225
момент электродвигателя станет меньше, чем тормозной момент, число оборотов электродвигателя будет уменьшаться. Это уменьшение скорости двигателя вызовет уменьшение его обратной э. д. с., что в свою очередь вызовет увеличение тока в якоре, потребляемого из сети, и вращающего момента. Увеличение тока будет происходить до тех пор, пока снова не наступит равенство моментов. Если же вращающий момент станет больше тормозного, число оборотов возрастет, а вместе с тем увеличится и егоэ.д. с. и, следовательно, уменьшится ток в якоре. Уменьшение тока происходит, как и в первом случае, до установления равенства моментов. Далее двигатель будет работать с постоянной скоростью, пока нагрузка не изменится снова. Это означает, что электродвигатель саморегулируется.
При работе двигателя под нагрузкой также, как и в генераторе, возникает реакция якоря. Поэтому, когда щетки двигателя расположены на геометрической нейтрали, поперечное поле якоря искажает основное поле полюсов, ослабляя его под сбегающим краем полюсов и усиливая под набегающим. В результате этого физическая нейтраль смещается в сторону, обратную направлению вращения электродвигателя.
Для ослабления действия реакции якоря, как и в генераторах, применяются добавочные полюсы, благодаря которым щетки в двигателях, как правило, не сдвигаются с геометрической нейтрали.
Мощность и к. п. д. электродвигателя
Мощность, потребляемая электродвигателем из сети, равна
Pn = Ul,
где U — напряжение на зажимах двигателя;
I — ток, потребляемый им из сети.
Полезная мощность, развиваемая электродвигателем на валу, меньше потребляемой мощности на величину механических, магнитных и тепловых потерь в двигателе. Поэтому к. п. д. электродвигателя, представляющий собой отношение полезной мощности к потребляемой, равен
^ = ДД'100%’
где Р — полезная мощность на валу электродвигателя, вт. 226
Коэффициент полезного действия современных электродвигателей постоянного тока колеблется от 70 до 95% в зависимости от мощности, причем к. п. д. тем выше, чем больше мощность электродвигателя.
§ 4. ТОРМОЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Торможение электродвигателей применяется для быстрой остановки вращающихся двигателей. Находят применение два способа торможения двигателей постоянного тока: механическое и электродинамическое. Механическое
торможение осуществляется при помощи колодочных, ленточных и пружинных, в частности дисковых, тормозов.
Дисковый электромагнитный тормоз (рис. 12,5) устроен так: на вал 1 двигателя надет тормозной диск 2. К нему под действием пружины 6 прижимается тормозной башмак <?, являющийся якорем электромагнита 4, и этим осуществляется торможение электродвигателя. При наличии тока в катушке 5 электромагнита якорь 3, сжимая пружину 6, отходит от тормозного диска и электродвигатель растормаживается. При помощи рукоятки 7 якорь электромагнита можно отжать
Рис. 12,5. Дисковый тормоз
вручную.
Электродинамическое торможение, как правило, осуществляется в виде так называемого реостатного торможения, когда якорь вращающегося электродвигателя отключается от сети и замыкается на реостат (рис. 12,6). При этом якорь, продолжая вращаться по инерции в магнитном поле, развивает э. д. с., которая создает ток обратного на-
15*
227
Рис- 12,6. Схема реостатного торможения
электродвигателя, г п. л. двигателя и
правления. Этот ток называется тормозным током. От взаимодействия тормозного тока с магнитным полем полюсов электродвигатель быстро останавливается.
§ 5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Свойства электродвигателей постоянного тока оцениваются по так называемым рабочим и регулировочным характеристикам. Рабочие характеристики представляют собой зависимости: п, Ме, Р2 и <i=f(Iv) при U= = const и rB— const.
Здесь п — число оборотов в минуту, /Ив— вращающий момент на валу 2 — полезная мощность двигателя, т] — /я — ток в якоре электродвигателя.
Так как Pz = UIBt\, т. е. полезная мощность пропорциональна току, то рабочие характеристики иногда представляют в виде зависимостей: л, Мв, I и t\—f(P2) при £7= = const и rB = const.
Наиболее важными рабочими характеристиками являются и МВ=/(1Я), причем первая часто называется
скоростной или внешней характеристикой электродвигателя.
Под регулировочными характеристиками понимаются зависимости числа оборотов от тока возбуждения при постоянном напряжении, т. е. п=/(1в) при £7= const и /я = = 4-
Эти характеристики определяют возможности и способы регулирования числа оборотов электродвигателей.
§ 6. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Электродвигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого присоединена параллельно якорю, называется электродвигателем параллельного возбуждения. На рис. 12,7 изображена его принципиальная электрическая схема.
На схеме обозначены: Я — якорь; ШО — обмотка возбуждения; РР—регулировочный реостат; ПР — пусковой 228
Рис. 12,7. Схема электродвигателя параллельного возбуждения
реостат. Схема предусматривает такое положение, при котором цепь возбуждения остается замкнутой как при пуске двигателя, так и во все время его работы. Если этого не предусмотреть, то при разрыве цепи возбуждения в момент, когда двигатель, находится под нагрузкой, его обратная э. д. с. станет равной нулю и его якорь может сгореть. Если же разрыв цепи возбуждения произойдет в момент работы электродвигателя вхолостую, то число оборотов значительно возрастет, или, как говорят, электродвигатель пойдет вразнос. То же может быть и при пуске электродвигателя.
Для пуска электродвигателя надо замкнуть рубильник на сеть и плавно выводить пусковой реостат. Регулировочный реостат при пуске должен быть полностью выведен и обмотка возбуждения должна находиться под полным напряжением сети. Это надо для того, чтобы двигатель при пуске развивал необходимый вращающий момент при возможно меньшем токе якоря.
Особенностью электродвигателя параллельного возбуждения является то, что его ток возбуждения не зависит от тока нагрузки. Это значит, что при неизменном напряжении источника питания вращающий момент электродвигателя, равный Л/В=СМ=/ЯФ, изменяется только в зависимости от тока в якоре. Эта зависимость показана на рис. 12,8, а. Она представляет собой прямую линию. Небольшое отклонение объясняется действием реакции якоря.
Скоростная характеристика л =/fAJ та кже представлена на рис. 12,8,а. Она показывает, что при увеличении нагрузки на валу двигателя и при постоянных U и /в число оборотов уменьшается незначительно. Это объясняется тем, что изменение числа оборотов происходит (см. формулу 12,1) по причинам: а) увеличения падения напряжения в якоре 1ягя> что ведет к уменьшению скорости вращения, и б) усиления продольной реакции якоря, которая, размагничивая машину, повышает число оборотов. Однако влия
229
ние падения напряжения сильнее, поэтому число оборотов, как правило, с увеличением нагрузки уменьшается.
Уменьшение оборотов при изменении нагрузки от нуля до номинальной составляет 3—5% номинальных. Это постоянство числа оборотов является весьма ценным свойством электродвигателей параллельного возбуждения. Скоростная характеристика таких электродвигателей, малоза-висящая от нагрузки, называется жесткой.
На рис. 12,8,6 изображена регулировочная характеристика. Эта характеристика показывает, что, изменяя реостатом ток возбуждения, можно регулировать скорость двигателя в широких пределах. В этом отношении двигатели параллельного возбуждения являются лучшими из электрмче-
Рис. 12,8. Характеристики электродвигателя параллельного возбуждения: а — рабочие; б — регулировочная
ских двигателей, так как они позволяют плавно и в широких пределах регулировать скорость как на холостом ходу, так и под нагрузкой.
Таким образом, основные свойства электродвигателя параллельного возбуждения кратко можно сформулировать так:
1. Скорость двигателя при колебаниях нагрузки от холостого хода до номинальной изменяется незначительно.
2. Электродвигатель допускает регулировку скорости в широких пределах и, кроме того, может работать вхолостую.
3. Электродвигатель развивает вращающий момент, пропорциональный току в якоре (Ф = const), и потребляет ток из сети, прямо пропорциональный нагрузке на валу.
4. При пуске электродвигатель развивает сравнительно небольшой вращающий момент и поэтому при пуске с перегрузкой может не пойти в ход, т. е. не тронуться с места. 230
5. Электродвигатель боится обрыва цепи возбуждения, так как в этом случае при работе вхолостую он пойдет вразнос, а при работе под нагрузкой может сгореть обмотка якоря.
§ 7. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Электродвигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого соединена последовательно с якорем, называется электродвигателем последовательного возбуждения. На рис. 12,9 приведена его принципиальная электрическая схема.
Рис. 12,9. Электродвигатель последовательного возбуждения: а — схема; б — рабочие характеристики
На схеме обозначены: Я — якорь; СО—обмотка возбуждения; ПР — пусковой реостат. Как видно из схемы, Весь ток, потребляемый двигателем из сети, проходит и через якорь и через обмотку возбуждения, т. е. ток якоря одновременно является и током возбуждения (1Я=1В). Вследствие этого магнитный поток не остается постоянным, а изменяется пропорционально току в якоре, т. е. пропорционально нагрузке на валу электродвигателя. Следовательно, вращающий момент, пропорциональный произведению тока якоря на магнитный поток Л1е = СМ/ЯФ, пропорционален квадрату тока якоря:
МВ = С/2.
Это означает, что с увеличением нагрузки на валу двигателя вращающий момент резко возрастает (рис. 12,9, б). Кроме того, по сравнению с электродвигателем параллель
231
ного возбуждения при одной и той же нагрузке на валу электродвигатель последовательного возбуждения потребляет из сети меньший ток. При пуске двигателя последовательного возбуждения под нагрузкой, когда ток в якоре выше номинального, электродвигатель развивает большой пусковой вращающий момент.
Рассматривая формулу для определения числа оборотов электродвигателя
w U ^я ('’я "Ь Гс) СФ
нетрудно видеть, что с уменьшением нагрузки число оборотов двигателя резко увеличивается (рис. 12,9,6). Это объясняется тем, что с уменьшением нагрузки уменьшается магнитный поток и падение напряжения в якоре и обмотке возбуждения. Поэтому на холостом ходу и при малых нагрузках двигателя, когда ток в якоре и магнитный поток малы, число оборотов достигает большой величины, т. е. двигатель идет вразнос, что опасно с точки зрения механической прочности якоря.
Рабочие характеристики двигателя представлены на рис. 12,9,6. Пунктирная часть кривых соответствует недопустимому режиму работы электродвигателя.
Скорость вращения электродвигателя последовательного возбуждения можно регулировать как регулировочным реостатом, включенным в цепь якоря, так и регулировочным реостатом, включенным параллельно обмотке возбуждения. На практике применяется главным образом второй способ регулирования.
Основные свойства электродвигателя последовательного возбуждения можно сформулировать так:
1. При изменениях нагрузки скорость вращения электродвигателя резко меняется.
2. Электродвигатель можно пускать в ход только под нагрузкой, так как в противном случае его разнесет; работать электродвигатель может также только над нагрузкой.
3. При пуске под нагрузкой и перегрузках электродвигатель развивает большой вращающий момент и имеет малую скорость вращения.
§ 8. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Электродвигатель постоянного тока, имеющий две обмотки возбуждения — параллельную и последовательную, называется электродвигателем смешанного возбуждения.
232
Схема такого электродвигателя приведена на рис. 12,10, где приняты следующие обозначения: Я — якорь; ШО — параллельная обмотка возбуждения; ПР — пусковой реостат; СО — последовательная обмотка возбуждения.
В зависимости от способа соединения обмоток возбуждения электродвигатели смешанного возбуждения бывают: 1) с согласным включением обмоток, когда их магнитные
*1 I-
Рис. 12,10 Электродвигатель смешанного возбуждения: а — схема; б — рабочие характеристики
потоки складываются; 2) со встречным включением обмоток возбуждения, когда их магнитные потоки направлены навстречу друг другу. Соответственно этим соединениям могут иметь место следующие соотношения:
С—/„ (гя + гс).
С (Фш ± Фс) ’ /ИВ = СМ/Я(ФШ±ФД
где Фш—магнитный поток параллельной обмотки;
Фс — поток последовательной обмотки.
Знак « + » относится к согласному включению, а знак «—» — к встречному.
Встречное включение применяется в тех случаях, когда необходимо получить абсолютно жесткую скоростную характеристику электродвигателя.
233
Электродвигатели смешанного возбуждения с согласным включением обмоток возбуждения в свою очередь бывают двух типов: 1) компаундированные электродвигатели последовательного возбуждения и 2) компаундированные электродвигатели параллельного возбуждения. В электродвигателях первого типа преобладает действие последовательной обмотки, а в электродвигателях второго типа—действие параллельной обмотки возбуждения.
Компаундированные электродвигатели последовательного возбуждения развивают большой пусковой вращающий момент и резко уменьшают скорость вращения при увеличении нагрузки. При наличии параллельной обмотки число оборотов таких электродвигателей на холостом ходу не превышает обычно двойного нормального числа оборотов.
Свойства компаундированных электродвигателей параллельного возбуждения приближаются к свойствам электродвигателей параллельного возбуждения. Последовательная обмотка служит для усиления пускового вращающего момента.
Рабочие характеристики компаундированных электродвигателей параллельного и последовательного возбуждения показаны на рис. 12,10,6. Характеристики электродвигателей первого типа обозначены п± и Mi, а второго типа — п-i и М2. Как видно из рисунка, характеристики таких электродвигателей близки к соответствующим характеристикам электродвигателей параллельного и последовательного возбуждения.
Число оборотов электродвигателей смешанного возбуждения регулируется так же, как и у электродвигателей параллельного возбуждения.
§ 9. КОНСТРУКЦИЯ СУДОВЫХ МАШИН постоянного ТОКА
Под конструкцией понимается схема устройства и работы машины. Конструкция предусматривает взаимное расположение частей и элементов машины, способы их соединения, а также материал, из которого изготовляются отдельные элементы машины. Заметим, что термин «конструкция» часто употребляется и для обозначения самой машины.
В качестве машин постоянного тока на кораблях наиболее широко применяются машины серии ПН морского исполнения. Указанная серия включает следующие типы ма-234
шин: ПН-2,5, ПН-5, ПН-10, ПН-17,5, ПН-28,5, ПН-45, ПН-68, ПН-85, ПН-100, ПН-145, ПН-205, ПН-290, ПН-400, ПН-550, ПН-750, ПН-1000, ПН-1320 и ПН-1750. Эти типы машин могут быть использованы как генераторы и как электродвигатели и рассчитаны на продолжительную работу при номинальной мощности и температуре окружающего воздуха не выше 40° С.
Генераторы указанных типов изготовляются мощностью от 0,37 до 130 кет и напряжением 115, 115/160, 230, 230/320 в, а некоторые 360 в; электродвигатели — от 0,25
Рис. 12,11. Машины постоянного тока: а —типа ПН-17.5; б — типа ПНВ-100
до 200 кет при напряжении НО, 220 и 440 в. Диапазон скоростей находится в пределах: для генераторов — от 970 до 2860 об/мин-, для электродвигателей — от550 до 2870 об/мин.
Генераторы, как правило, имеют смешанное возбуждение, и только генераторы, предназначенные для зарядки аккумуляторных батарей, имеют параллельное возбуждение. Все электродвигатели, кроме ПН-2,5, имеют параллельное возбуждение с легкой последовательной обмоткой.
По форме исполнения электродвигатели бывают защищенными, брызгозащищенными, водозащищенными, герметическими и взрывобезопасными. Генераторы выполняются обычно только защищенного или брызгозащищенного исполнения.
По расположению вала электродвигатели подразделяются на горизонтальные и вертикальные. Генераторы, как правило, имеют горизонтальное расположение вала. Для
235
удобства монтажа защищенные и брызгозащищенные двигатели выполняются горизонтальными со станиной на лапах и фланцевым щитом (ПНФ) и вертикальными со станиной без лап (ПНВ). Генераторы выполняются только со станиной на лапах. На рис. 12,11 показаны машины постоянного тока типа ПН-17,5 в защищенном исполнении и типа ПНВ-100 в вертикальном брызгозащищенном исполнении с фланцем.
Соединение машин серии ПН с другими машинами обычно производится при помощи эластичной муфты.
Помимо указанных типов электродвигателей, изготовляются специальные судовые двигатели для так называемых кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы.
ГЛАВА 13
ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА
Электрические машины переменного тока, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами переменного тока.
Принцип действия генераторов переменного тока так же, как и генераторов постоянного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Действительно, если в постоянном магнитном поле (рис. 13,1) вращать якорь (виток abed), концы обмотки которого присоединены к двум кольцам, и при помощи неподвижных щеток А и Б подключить на эти кольца внешнюю цепь, то в якоре будет индуктироваться переменная э. д. с. и, следовательно, по цепи будет течь переменный ток. Применяя правило правой руки, можно определить направление этого тока.
В рассматриваемом генераторе индуктируется переменный ток, изменяющий свое направление два раза за один оборот якоря. Другими словами, частота тока, вырабатываемого генератором, имеющим одну пару полюсов, будет равна числу оборотов якоря в 1 сек. В общем случае, когда генератор имеет р пар полюсов, частота индуктируемого тока определится формулой
£!L J 60 ’
где f — частота электрического тока;
п — скорость вращения якоря, измеряемая числом оборотов в 1 мин.
Отсюда следует, что скорость вращения машины переменного тока п находится в строгом постоянном отношении к частоте переменного тока f, т. е. с изменением скорости
237
вращения машины одновременно (синхронно) меняется и частота переменного тока.
Электрические машины переменного тока, скорость вращения которых находится в строгом постоянном отношении к частоте тока, называются синхронными машинами. Как правило, синхронные машины возбуждаются постоянным током от специального генератора — возбудителя.
Рис. 13,1. Схема работы генератора переменного тока
Синхронные машины, как и машины постоянного тока, обратимы, т. е. они могут работать в качестве генераторов и электродвигателей.
Синхронные генераторы подразделяются на генераторы однофазного тока и генераторы трехфазного тока. Синхронные генераторы однофазного тока применяются довольно редко. В настоящее время основными источниками переменного тока как в промышленности, так и на кораблях флота являются трехфазные синхронные генераторы.
Первый трехфазный синхронный генератор построил в 1888 г. М. О. Доливо-Добровольский.
§ 2. УСТРОЙСТВО И ТИПЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Синхронный генератор состоит из двух основных частей: неподвижной части, называемой статором и, вращающейся части, называемой ротором. На статоре обычно укладывают обмотку якоря, а на роторе—обмотку возбуждения. Такая форма исполнения синхронных генерато-238
ров яйляется основной, и только сравнительно небольшие машины мощностью до 100 кеа и напряжением до 500 в иногда изготовляются подобно генераторам постоянного тока—с вращающимся якорем и неподвижными полюсами. Переменый ток от якоря такого генератора отводится во внешнюю цепь при помощи щеток, наложенных на контактные кольца.
Ниже будут рассматриваться только синхронные генераторы основной формы исполнения, т. е. синхронные генераторы с неподвижным якорем, которые изготовляются практически на любую мощность (до 900 000 ква) и напряжением до 15 000 в, а в некоторых случаях и до 35000 в. Стандартная частота переменного тока принята 50 гц. Очевидно, для генерирования такой частоты каждый синхронный генератор должен иметь определенную скорость вращения и определенное число пар полюсов. В табл. 13,1 приведены скорости вращения синхронных генераторов в зависимости от числа пар полюсов.
Таблица 13,1
Скорости вращения синхронных генераторов при 50 гц
два основных типа: синхронные генераторы с неявно выраженными полюсами (рис. 13,2, а) и синхронные генераторы с явно выраженными полюсами (рис. 13,2,6).
Рис. 13,2. Основные типы синхронных генераторов
239
Статор (рис. 13,3, а) обоих синхронных генераторов представляет собой станину, внутри которой укреплен полый стальной сердечник, собранный, подобно сердечнику якоря машин постоянного тока, из листовой стали толщиной 0,35-—0,5 мм. На внутренней поверхности статора, в пазах, уложены три фазные обмотки. Эти обмотки сдвинуты одна относительно другой на две трети полюсного деления по окружности (рис. 13,3,6), с тем чтобы взаимный сдвиг э. д. с. в каждой фазе был равен 120 электрическим градусам, или одной трети периода.
Рис. 13,3. Статор синхронного генератора:
а — общий вид; б — схема обмотки
Каждая фазная обмотка имеет два вывода —начало и конец, которые можно соединять звездой или треугольником. Начало обмотки первой фазы принято обозначать буквой А, начало второй—В и третьей — С, концы фазных обмоток обозначаются соответственно буквами X, У и Z. Все шесть концов отдельных фазных обмоток подключаются к зажимам щитка, укрепленного на наружной поверхности статора. К зажимам щитка присоединяется внешняя цепь, потребляющая вырабатываемую энергию синхронного генератора.
Ротор синхронного генератора с явно выраженными полюсами представлен на рис. 13,4, а. Он состоит из укрепленного на валу стального обода, к которому прикреплены сердечники полюсов с насаженными катушками, образующими обмотку возбуждения. Концы этой обмотки присоединены к двум бронзовым кольцам, глухо насаженным на 240
вал ротЬра. На кольца наложены неподвижные щетки (на рисунке! не показаны), через которые подводится постоянный ток обмотки возбуждения. Источником постоянного тока служит обычно возбудитель—небольшой генератор постоянного тока, якорь которого укреплен на одном валу с ротором синхронного генератора.
Рис. 13,4. Роторы синхронных генераторов: а — явнополюсный; б — неявнополюсный
Для получения в обмотке статора синусоидальной э.д. с. надо распределить магнитное поле по окружности статора, т. е. в воздушном зазоре, также по закону синуса. С этой целью полюсным наконечникам придают такую форму, при которой воздушный зазор увеличивается от середины к краям полюса. Вследствие этого магнитное поле распределяется синусоидально по окружности статора, достигая максимальной напряженности у середины полюса.
Ротор синхронного генератора с неявными полюсами (рис. 13,4,6) представляет собой стальной цилиндр. На его наружной поверхности, в пазах, уложена обмотка возбуждения, концы которой так же, как и у ротора с явно выраженными полюсами, соединены с кольцами, укрепленными на валу ротора. По поверхности колец скользят шетки, через которые и осуществляется питание обмотки возбуждения от возбудителя. Синусоидальное распределе
16—2107 241
ние магнитного потока достигается путем соответствующего распределения обмотки возбуждения по окружности ротора.
Рис. 13,5 Трехфазный синхронный генератор:
а — внешний вид; б — электрическая схема; 1 — обмотки статора; 2 — обмотка ротора; В — возбудитель; РР — регулировочные реостаты
На рис. 13,5 показаны общий вид трехфазного синхронного генератора и его электрическая схема.
§ 3. Э. Д. С. И РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
При вращении ротора синхронного генератора, когда через его обмотку возбуждения проходит постоянный ток, в обмотках статора индуктируются синусоидальные э. д. с., причем одинаковой амплитуды, одинаковой частоты, но сдвинутые по фазе на 120 электрических градусов.
242
Величина э. л. с., индуктируемой в каждой фазной обмотке, определяется по формуле
= 4,44c/wO,
где с—обмоточный коэффициент, учитывающий сдвиг фаз между отдельными витками катушки;
w— число витков одной фазы обмотки статора.
Линейные э. д. с. в трехфазном синхронном генераторе при соединении его обмоток треугольником равны фазным э д. с., а при соединении звездой в 1,73 раза больше фазных э. д. с., т. е.
£л= 1,73£ф = ГЗ£ф.
Однако эти э д с. три работе синхронного генератора не остаются постоянными, а изменяются с изменением величины и характера нагрузки на генератор. Действительно, при разомкнутой внешней цепи, когда ток в статоре равен нулю, в машине существует только основное магнитное поле—поле полюсов При замкнутой внешней цепи, когда по обмотке статора проходит ток, возникает новое магнитное поле — поле якоря (статора). Часть этого поля, замыкаясь вокруг проводников обмотки якоря помимо ротора, обусловливает реактивное сопротивление якоря. Другая часть этого поля, замыкаясь через воздушный зазор и полюс ротора, как и в машинах постоянного тока, накладывается на основное поле полюсов и ослабляет или усиливает его. Это явление называется реакцией якоря синхронного генератора.
Таким образом, изменение э. д. с. синхронного генератора при его работе объясняется влиянием реакции якоря. Рассмотрим это явление в трех случаях: 1) при активной нагрузке синхронного генератора; 2) при индуктивной нагрузке синхронного генератора и 3) при емкостной нагрузке синхронного генератора.
При активной нагрузке, когда ток совпадает по фазе с э. д. с., реакция якоря почти не уменьшает основного магнитного поля, а лишь искажает его, что наглядно показано на рис. 13,6, а. Это объясняется тем, что при активной нагрузке э. д. с. в фазе статора, а следовательно, и ток достигают наибольшего значения в тот момент, когда против фазы находится середина полюса. В этот момент поле якоря направлено перпендикулярно к полю ротора и вызывает ослабление поля ротора на набегающие края полюса
16* 243
и усиливает его на сбегающие края полюса. Поэтому происходит только смещение оси результирующего поля в сторону отставания, а по величине оно остается почти неизменным. Поле статора, направленное перпендикулярно к полю ротора, называется поперечным полем, а реакция, вызываемая им,— поперечной реакцией якоря.
При только индуктивной нагрузке синхронного генератора ток в якоре отстает по фазе от э. д. с. на 90°, т. е. ток в фазе статора достигает своего максимума тогда, когда полюс ротора уже уйдет от обмотки фазы на 90° (рис. 13,6,6). В этом случае поле якоря направлено навстречу полю ротора, т. е. оно размагничивает генератор, а значит, и уменьшает его э.д. с. Такая реакция якоря называется продольной.
При только емкостной нагрузке синхронного генератора ток в якоре опережает по фазе э. д. с. на 90°, т. е. он достигает своего максимума тогда, когда полюс ротора еще не дошел до обмотки фазы на 90° (рис. 13,6,в). Поле якоря совпадает по направлению с полем ротора, т. е. намагничи
244
вает генератор, а значит, и увеличивает его э. д. с. Такая реакция также называется продольной.
При смешанной нагрузке, очевидно, будут иметь место как поперечная, так и продольная реакции якоря.
Таким образом, в синхронном генераторе реакция якоря вызывает изменение магнитного поля машины и, как следствие этого, изменение его э. д. с. и напряжения, что нежелательно.
§ 4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Синхронный генератор обычно может работать в двух режимах: вхолостую или под нагрузкой. В условиях эксплуатации может иметь место так называемый режим внезапного короткого замыкания, который обычно длится доли секунды. Этот режим является весьма сложным процессом и поэтому здесь не рассматривается.
Рис. 13,7. Характеристики синхронного генератора: а — холостого хода; б — внешние
При работе синхронного генератора вхолостую напряжение на его зажимах равно э. д. с., а характеристика холостого хода (рис. 13, 7, а) имеет такой же вид, как и характеристика холостого хода генератора постоянного тока.
При работе синхронного генератора под нагрузкой токи, проходящие по фазным обмоткам статора, вызывают изменение напряжения на зажимах генератора из-за падения напряжения в обмотках статора и реакции якоря. Величина и фаза тока, протекающего во внешней цепи и в обмотках статора, зависят от напряжения генератора и от активных и реактивных сопротивлений внешней цепи и самого генератора.
При нагрузке синхронного генератора ток, проходя по обмоткам статора, вызывает падение напряжения в них.
245
Влияние же реакции якоря на напряжение генератора зависит от характера нагрузки, и, как выше было установлено, при активной нагрузке падение напряжения меньше, чем при индуктивной. На рис. 13,7,6, приведены внешние характеристики синхронного генератора, показывающие зависимость напряжения на зажимах генератора от величины и характера нагрузки. Изменение напряжения на зажимах синхронного генератора определяется по формуле
с/н
Рис. 13,8. Упрощенная векторная диаграмма синхронного генератора
Это изменение напряжения в современных синхронных генераторах колеблется от 5—7% при активной нагрузке (cos <р=1) до 25—30% при индуктивной нагрузке. Для поддержания напряжения на зажимах генератора необходимо увеличивать его магнитный поток, что достигается увеличением тока в цепи возбуждения генератора при помощи реостата (см. рис. 13,5,6). Однако простое ручное регулирование напряжения на зажимах синхронного генератора вследствие большого падения напряжения малоэффективно. Поэтому все современные синхронные генераторы, как правило, снабжаются автоматическими регуляторами напряжения.
Напряжение на зажимах синхронного генератора при работе его под нагрузкой может быть определено при помощи так называемой
упрощенной векторной диаграммы э. д. с. синхронного генератора (рис. 13,8). Действительно, результирующий магнитный поток генератора, изображенный вектором Ф, создает э. д. с. генератора Е, вектор которой отстает от вектора потока на угол 90°. Небольшая часть этой э. д. с. будет израсходована на преодоление активного сопротивления обмотки статора 1г и реактивного сопротивления обмотки статора 1х, т. е. на компенсацию э. д. с. самоиндукции. Основная же часть этой э. д. с. будет являться напряжением на зажимах генератора. Поскольку все эти величины представляют собой геометрическую сумму э. д. с. 246
генератора, то математически эту сумму можно записать так:
E = U + Tr + Ix.
Вектор 1г совпадает по фазе с вектором тока, а вектор 1х опережает его на 90°. Следовательно, вектор напряжения U представляет собой замыкающий вектор диаграммы. Угол ср — сдвиг между напряжением и током.
§ 5. МОЩНОСТЬ И К. П. Д. СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Мощность, подводимую к синхронному генератору от первичного двигателя, можно представить в виде двух слагаемых: мощности, отдаваемой генератором в сеть, и мощности, расходуемой в самом генераторе. Мощность, отдаваемая генератором в сеть, называется полезной мощностью, а мощность, расходуемая внутри машины,— потерями. Последние в синхронном генераторе, как и в генераторе постоянного тока, слагаются из: а) механических потерь, возникающих вследствие трения вала в подшипниках и ротора о воздух; б) магнитных потерь, представляющих потери в стали машины; б) электрических потерь в обмотках статора и г) добавочных потерь, возникающих главным образом в результате действия потока рассеяния статора. Кроме того, имеются потери на возбуждение машины.
Полезная (активная) мощность синхронного генератора трехфазного тока определяется по формуле
Р — Из UI cos <р-10-3 кет,
где U — линейное напряжение, в;
I—линейный ток, а.
Однако о мощности синхронного генератора судят не по активной, а по полной (кажущейся) номинальной мощности, измеряемой в киловольтамперах (кеа):
Р = ГзU1-10~3 кеа.
Это объясняется тем, что обмотки генератора рассчитываются на определенный полный ток, а активная мощность генератора зависит от характера нагрузки, т. е. от cos ср. При активной нагрузке, когда coscp = l, генератор, например, мощностью 50 кеа разовьет активную мощность 50 кет. При работе же на нагрузку, при которой coscp = 0,8,
247
этот же генератор даст активную мощность Р = 0,8-50= =40 кет.
Отношение полезной мощности, отдаваемой генератором во внешнюю цепь, к механической мощности, получаемой от первичного двигателя, называется коэффициентом полезного действия синхронного генератора.
Для трехфазного синхронного генератора это отношение можно выразить формулой
J/3 67 cos у • 10~3
71 0,736Рмпх и,и/о-
Коэффициент полезного действия современных синхронных генераторов весьма высок и колеблется от 80 до 97%.
§ 6. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Параллельная работа синхронных генераторов, как и параллельная работа генераторов постоянного тока, применяется в случаях, когда мощность, расходуемая в сети, больше мощности одного генератора. На рис. 13,9 приведена схема параллельного включения двух трехфазных синхронных генераторов.
Синхронные генераторы можно включать на параллельную работу двумя методами: 1) методом точной синхронизации и 2) методом самосинхронизации, который получил широкое применение в последние годы.
Рис. 13,9. Параллельная работа синхронных генераторов: а — схема; б — кривые напряжений; в ~ дна! раммы напряжений и расположение ламп синхроноскопа
248
Для включения синхронных генераторов на параллельную работу методом точной синхронизации необходимо выполнить следующие условия:
1) напряжения включаемых параллельно генераторов должны быть равны по величине, но в любой момент времени противоположны по направлению (рис. 13,9,6), т. е.
2) частоты включаемого и работающего генераторов должны быть равны, т. е. /Г1 = /г2;
3) чередование фаз включаемого генератора должно соответствовать чередованию фаз работающего генератора, в частности At -> Bj -> Q у первого и А2 -> В2 -> С2 у второго генератора.
Для выполнения указанных условий генератор, включаемый на параллельную работу, синхронизируется, т. е. приводится в состояние, удовлетворяющее вышеуказанным условиям параллельной работы.
Процесс синхронизации и включение производятся следующим образом: если генератор Г2 работает на внешнюю сеть, а генератор Гi надо включить параллельно ему, то необходимо пустить генератор и довести его скорость вращения до синхронной; одновременно, регулируя ток возбуждения, добиться равенства напряжений генераторов и установить противоположность их направления; после этого при условии правильного чередования фаз включить синхронный генератор на параллельную работу.
Выполнение первого условия параллельной работы — равенства напряжений генераторов — устанавливают по показаниям вольтметров. Для соблюдения остальных условий параллельной работы устанавливают специальные приспособления — синхроноскопы.
Простейший синхроноскоп состоит из ламп накаливания, включаемых обычно по схеме «на вращение света» (рис. 13,9). Как видно из схемы, одна лампа включается между одноименными, а две другие — между разноимен-' ными фазами. Рассмотрим эту схему.
При одинаковом чередовании фаз напряжения обоих генераторов могут быть изображены двумя звездами с одинаковым чередованием векторов (рис. 13,9, в). Для наглядности можно совместить нулевые точки этих звезд и считать, что одна из звезд векторов неподвижна, а другая вращается относительно первой со скоростью, пропорциональной разности частот генераторов, в ту или иную сторону в зависимости от соотношения частот генераторов.
249
Поэтому разность между напряжениями генераторов будет все время меняться от нуля до двойного фазного напряжения. Поскольку лампы включены «на вращение света», то, как следует из диаграммы напряжений, лампы будут загораться и гаснуть неодновременно, причем последовательность загорания и потухания ламп будет зависеть от относительной скорости вращения звезд напряжений и, следовательно, относительной скорости вращения генераторов. При расположении ламп по кругу поочередное их загорание и потухание будет создавать впечатление вращения света то в одну сторону, то в другую, причем скорость вращения определяется разностью частот генераторов. В тот момент, когда лампа Ai — Л2 гаснет, а две другие загораются одинаково ярким светом и вращение света останавливается, надо замкнуть рубильник приключаемого генератора. Надписи «медленно» и «быстро», сделанные на стекле, прикрывающем лампы синхроноскопа, дают возможность судить, в какую сторону надо изменить скорость вращения приключаемого генератора.
Рассмотрим выполнение третьего условия — чередование фаз генераторов. Оно зависит от порядка прохождения полюсов под обмотками соответствующих фаз, работающих на сеть генераторов, иначе говоря, от стороны их вращения. Правильное чередование фаз генератора будет А -> В С в сторону правого вращения, а если изменить сторону вращения полюсов ротора, то чередование фаз будет А -> С -> В. Определить правильность чередования фаз генераторов можно по фазным лампам синхроноскопа при включении «на вращение света». Если лампы загораются и гаснут одновременно и нет вращения света, то порядок чередования фаз генераторов не соблюден. Для получения правильного чередования фаз генераторов необходимо поменять местами любые два провода, идущие к рубильнику от приключаемого генератора.
Невыполнение хотя бы одного из указанных условий при включении на параллельную работу синхронных генераторов влечет за собой возникновение между генераторами значительных уравнительных токов, опасных как для генераторов, так и для вспомогательной аппаратуры.
Ламповые синхроноскопы часто заменяются специальными стрелочными синхроноскопами, работающими на разности частот сети и приключаемого генератора. Такие синхроноскопы позволяют довольно точно установить момент синхронизма. Применяются также автоматические сицхро-250
носкопы, которые синхронизацию и включение синхронных генераторов производят без участия обслуживающего персонала.
Метод самосинхронизации генераторов применяется с целью увеличения быстроты и надежности синхронизации. Сущность этого метода заключается в том, что синхронный генератор, включаемый на параллельную работу, предварительно разворачивается до скорости, близкой к синхронной, и без возбуждения включается в сеть, после чего в обмотку возбуждения подают постоянный ток и генератор автоматически втягивается в синхронизм.
Недостатком метода самосинхронизации является то, что в момент включения в сеть невозбужденного синхронного генератора наблюдается толчок тока, достигающий обычно 5—7-кратного значения номинального тока. Однако указанный недостаток благодаря малой продолжительности не оказывает существенного влияния на включаемую синхронную машину.
Для того чтобы перевести нагрузку с работающего синхронного генератора на подключенный, необходимо увеличить мощность приводного двигателя этого генератора, т. е. увеличить вращающий момент первичного двигателя.
§ 7. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
Одним из недостатков синхронных генераторов является наличие специального возбудителя. Поэтому синхронные
Рис. 13,10. Схемы синхронных генераторов с самовозбуждением: а — выпрямительная; б — коллекторная
251
машины небольшой мощности в ряде случаев, как и генераторы постоянного тока, изготовляются с самовозбуждением, т. е без возбудителя. На рис. 13,10, а приведена схема синхронного генератора, самовозбуждение которого осуществляется от статора с помощью селеновых выпрямителей. При вращении ротора, имеющего небольшое остаточное магнитное поле, в фазных обмотках статора индуктируются небольшие э. д. с. Под влиянием этих э. д. с. возникают токи, которые выпрямляются и поступают в обмотку возбуждения. В результате магнитное поле генератора усиливается и генератор возбуждается. При работе генератора питание обмоток возбуждения осуществляется через трансформаторы Тр и блоки селеновых выпрямителей В. В качестве трансформаторов нередко применяются стабилизирующие трансформаторы, благодаря чему напряжение на зажимах генератора автоматически стабилизируется.
Синхронные генераторы с вращающимся якорем в большинстве случаев изготовляются также с самовозбуждением (рис. 13,10,6). На якоре таких генераторов, как правило, имеются две обмотки: одна из них, однофазная или трехфазная, присоединяется к контактным кольцам и является основной рабочей обмоткой, а вторая, выполняемая по принципу якорных обмоток машин постоянного тока, присоединяется к коллектору и служит для питания обмотки возбуждения.
ГЛАВА 14
ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования энергии переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения.
Трансформатор (см. рис. 14,1), как правило, состоит из стального сердечника, являющегося магнитопроводом, и двух обмоток, электрически не связанных между собой. Та из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной обмоткой, другая, от которой энергия отводится,—вторичной обмоткой. Все величины, относящиеся к первичной обмотке (напряжение, ток, мощность и т. д.), называются первичными, а относящиеся ко вторичной — вторичными. Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, если больше, то повышающим. В соответствии с этим различают обмотки высшего и низшего напряжений.
По виду переменного тока трансформаторы разделяются на однофазные, трехфазные и многофазные. По числу обмоток трансформаторы бывают двухобмоточные и многообмоточные, а также трансформаторы с ответвлениями, т. е. трансформаторы, обмотки которых имеют специальные ответвления. Различают также масляные и сухие трансформаторы. Первые с целью предохранения изоляции от вредного влияния воздуха и улучшения условий их охлаждения погружают в бак с трансформаторным маслом, а вторые не погружены в масло.
По назначению все трансформаторы, применяемые в технике, можно разделить на три основные группы: 1) си
253
ловые трансформаторы, 2) автотрансформаторы и 3) специальные трансформаторы.
При помощи трансформаторов одну и ту же мощность можно передавать при различном напряжении и различном токе, что следует из формул мощности для однофазного и трехфазного токов:
P=67cos<p и Р— Kst/Zcos®.
Трансформаторы позволяют передавать большие мощности на значительные расстояния по линии высокого напряжения. На рис. 14,1 показана простейшая схема использования трансформаторов в линиях передач: от синхронного генератора через повышающий трансформатор по линии высокого напряжения и далее через понижающий трансформатор к приемникам тока.
Повышающий
Понитаклций трансформатор Потребитель
Рис. 14,1. Схема передачи электроэнергии при помощи трансформаторов
Принцип трансформирования переменного тока впервые предложил и осуществил П. Н. Яблочков в 1876 г. Основываясь на этом принципе, И. Ф. Усагин в 1882 г., изобрел первый однофазный трансформатор. Трехфазный трансформатор в 1891 г. изобрел М. О. Доливо-Добровольский,
§ 2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА
Действие трансформатора основано на явлении взаимоиндукции. Действительно, если первичную обмотку трансформатора подключить к сети переменного тока с напряжением Ui (рис. 14,2), то проходящий по ней ток создаст в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Под влиянием этого потока в обоих обмотках трансформатора будет индуктироваться э. д. с. Если при этом вторичная обмотка будет замкнута, то по ней будет течь переменный ток /2- Таким путем и осуществляется передача энергии из первичной обмотки во вторичную, а следовательно, и преобразование 254
энергии переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения.
Из схемы видно, что каждый виток первичной и вторичной обмоток пронизывается одним и тем же магнитным потоком Ф, благодаря чему в витках индуктируются одинаковые э. д. с. Величина каждой такой э. д. с. пропорциональна магнитному потоку трансформатора Ф и частоте его изменений, которая численно равна частоте переменного тока f.
Ф
Рис. 14,2. Схема работы трансформатора
Так как витки обмоток соединены последовательно между собой, то величины индуктируемых в первичной и вторичной обмотках э. д. с. будут пропорциональны магнитному потоку Ф, частоте тока f и числу витков обмоток, т. е.
Ei = и Е2 = cfw£L\
где с — коэффициент пропорциональности;
' Wi —число витков первичной обмотки;
— число витков вторичной обмотки.
Взяв отношение э. д. с. первичной обмотки Ei к э. д. с. вторичной обмотки £2, получим
Ei с/и^Ф wt
Е3 cfw3<^ w2 ’
т. е. отношение э. д. с., наводимых в обмотках, равно отношению чисел их витков.
Пренебрегая небольшим падением напряжения в первичной обмотке, можно считать, что напряжение (71 приближенно равно э. д. с. £ь То же самое и во вторичной обмотке, т. е- напряжение на ее зажимах приближенно равно
255
наводимой в ней э. д. с. Е2. Поэтому отношение напряжений на зажимах обмоток трансформатора приближенно равно отношению э. д. с., наводимых в них:
Ui __ Ej ___ Wj
wa '
(ИД)
Это отношение обозначается буквой к и называется коэффициентом трансформации, который показывает, во сколько раз напряжение первичной обмотки больше или меньше напряжения вторичной. Если коэффициент трансформации больше единицы, то трансформатор повышающий, и, наоборот, трансформатор понижающий, если его коэффициент меньше единицы.
Соотношение между токами в первичной и вторичной обмотках легко найти из закона сохранения энергии, считая, что энергия, потребляемая первичной обмоткой из сети, равна энергии вторичной цепи трансформатора, т. е.
t/j/j = 672/2-
Отсюда -Д = -тг~- Заменив отношение -4^ его значе-'2 (71 (71
нием из равенства (14,1), найдем
Л _
/2 Wi ‘
Таким образом, токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны напряжениям на зажимах этих обмоток, а также числам витков этих обмоток, т. е. трансформатор является электрическим редуктором, который позволяет при заданной мощности путем повышения напряжения уменьшать величину тока и обратно.
§ 3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА
Трансформатор так же, как и синхронный генератор, может работать в трех основных режимах: в режиме холостого хода, под нагрузкой и в режиме внезапного короткого замыкания. Последний режим работы трансформатора, когда вторичная обмотка замыкается накоротко, как правило, сопровождается большими бросками тока, которые могут вызвать аварию трансформатора. Комплекс явлений, происходящих при внезапном коротком замыкании, весьма сложен и в настоящей книге не рассматривается.
256
Холостой ход трансформатора
Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, когда на первичную обмотку подано напряжение и по ней проходит ток /0 (рис. 14,3), а вторичная обмотка разомкнута и, следовательно, вторичный ток равен нулю. Ток же, протекающий в этом случае по первичной обмотке, называется током холостого хода.
Ток холостого хода, проходя по первичной обмотке, создает основной магнитный поток трансформатора Ф, кото
рый замыкается в сердечнике и охватывает обе обмотки трансформатора, а также поток рассеяния Ф51, который замыкается через воздух и охватывает только первичную обмотку. Основ ной магнитный поток индуктирует в первичной обмотке э. д. с. Е], а во вторичной—-э. д. с. Е2. Поток рассеяния, составляющий обычно несколько процентов от основного потока, индуктирует
Рис. 14,3. Схема холостого хода трансформатора
в первичной обмотке э. д. с.
рассеяния и тем самым обусловливает индуктивное сопротивление первичной обмотки. Кроме того, первичная обмотка обладает активным сопротивлением л, на преодоле
ние которого расходуется часть приложенного напряжения.
Таким образом, на основании закона равновесия э. д. с. можно сказать, что напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора, в любой момент времени уравновешивает э. д. с. Ei, активное 1огх и индуктивное IoXi падения напряжения. Поскольку все эти величины представляют собой геометрическую сумму приложенного напряжения, то математически эту сумму можно записать так:
+ )пг1 + 7^хь
где — э. д. с. самоиндукции, противодействующая приложенному напряжению U\ и называемая поэтому обратной или противоэлектродвижущей силой.
На основании этого уравнения, представляющего собой уравнение равновесия э. д. с., построим векторную диаграмму холостого хода трансформатора. Для этого отложим по горизонтали вектор магнитного потока Ф (рис. 14,4), а от
17—2107
257
него в сторону опережения на угол а — вектор тока /о- Это
отставание вызывается наличием потерь в сердечнике трансформатора. Векторы э. д. с. £i и £2 сле-к дует построить под утлом 90° в сторону от-
ставания от вектора Ф, так как всякая \ э. д. с., индуктируемая переменным пото-
। гог< ком, отстает в своих изменениях от потока
i £ на четверть периода. Вектор Л/i будет в
I 1 j фазе с током /о, а вектор /(1Х1 будет опере-жать на 90° вектор тока. Вектор напряже* <р ния будет представлять собой геометри-г~*-----" ческую сумму £] и векторов падения
£, напряжения. Напряжение на зажимах вто-
| ричной обмотки равно ее э. д. с., т. е.
£ £2 = £2, так как при холостом ходе во вто-
I ричной обмотке нет тока.
Из диаграммы видно, что ток холостого
Рис. 14,4. Век- хода /0 отстает от напряжения, приложен-торная дна- ного к первичной обмотке трансформатора, на угол, близкий к 90°, т. е. он является форматора J „
практически пеактивным током, таким об-
разом, трансформатор при холостом ходе
для сети представляет собой реактивную нагрузку. Ток /0, идущий только на создание магнитного потока Ф, назы-
вается намагничивающим током трансформатора.
Работа трансформатора под нагрузкой
При работе однофазного трансформатора на некоторую нагрузку (рис. 14,5, а) во вторичной обмотке проходит ток /2. Этот ток создает в сердечнике трансформатора магнитный поток Ф2, направленный согласно закону Ленца навстречу основному магнитному потоку Ф, и размагничивающий таким образом сердечник. В результате этого э. д. с. Ei уменьшается. Но в трансформаторе всегда должно сохраняться условие электрического равновесия, т. е.
— — £i + Ari + Лх1-
Так как напряжение Ui сети, к которой подключена первичная обмотка трансформатора, всегда поддерживается постоянным, величина э. д. с. £j должна сохранять постоянное значение. Однако э. д. с. £i в силу размагничивающего действия потока Ф2 уменьшается и это уменьшение нарушает равновесие между ней и напряжением Ui. Вследствие 258
этого возрастает ток первичной обмотки /1, а следовательно, и магнитный поток Фъ благодаря чему компенсируется раз-
магничивающие действие потока Ф2. Таким образом, при увеличении нагрузки трансформатора, т. е. при увеличении тока /2 во вторичной обмотке, автоматически будет увеличиваться ток Ц в первичной обмотке, а следовательно, будет увеличиваться и мощность, потребляемая из сети.
Соотношение между токами в первичной и вторичной обмотках, как выше уже отмечалось, выражается формулой
где k — коэффициент трансформации.
При изменении нагрузки трансформатора от нуля до номинальной падение напряжения в его обмотках увеличивается,
Рис. 14.5. Работы трансформатора под нагрузкой:
а — схема работы; б — внешние характери-
а напряжение на зажимах стики
вторичной обмотки умень-
шается. Это уменьшение напряжения в современных трансформаторах составляет 2—3% номинального напряжения. На рис. 14,5,6 приведены внешиие характеристики транс-
форматора, представляющие собой кривые зависимости напряжения U2 от тока нагрузки /2 при неизменном напряжении на зажимах первичной обмотки. Одна кривая дана для случая активной нагрузки (costp— 1), а другая — для совместной нагрузки активно-индуктивной (cos<p=0,8).
§ 4. МОЩНОСТЬ И К. П. Д. ТРАНСФОРМАТОРА
Мощность, подводимая к первичной обмотке трансформатора, называется первичной мощностью и определяется по формуле
Pj = COS фр
17»
259
Мощность, получаемая на зажимах вторичной обмотки трансформатора, называется вторичной мощностью и определяется по формуле
Р2 = U2I2 cos <р2.
Мощность Р\, всегда несколько больше мощности Р2 на величину потерь мощности в трансформаторе. Эти потери складываются из потерь на нагревание обмоток и потерь в стали сердечника на гистерезис и вихревые токи. Потери на нагревание обмоток зависят от нагрузки трансформатора и увеличиваются с ростом нагрузки. Потери в стали не зависят от нагрузки и поэтому являются постоянными.
Отношение вторичной, или полезной, мощности трансформатора к первичной, или потребляемой, мощности называется коэффициентом полезного действия трансформатора, т. е.
П = 100 = ^^? 100%.
Pl Plh cos <jp1
Потери в трансформаторах относительно малы, поэтому их к. п. д. достаточно высок. Так, например, к. п. д. трансформаторов малой мощности составляет 92—93%, а трансформаторов большой мощности — 98—99%.
§ 5. УСТРОЙСТВО СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Силовые трансформаторы по устройству аналогичны друг другу. Всякий трансформатор состоит из стального сердечника и двух или более обмоток, изолированных одна от другой. Кроме того, в состав трансформатора входят проходные изоляторы (зажимы), связывающие трансформатор с сетью, и бак с маслом, если трансформатор масляный, или просто кожух, если трансформатор сухой. По способу расположения сердечника относительно обмоток трансформаторы делятся на стержневые и броневые. На рис. 14,6 даны схемы устройства стержневого и броневого трансформаторов. Броневые трансформаторы менее удобны, чем стержневые, поэтому в технике применяются главным образом стержневые трансформаторы.
Сердечники стержневых трансформаторов состоят из двух или нескольких стержней, на которых размещаются обмотки трансформатора, и ярма — верхнего и нижнего. Стержни и ярма изготовляются из листов трансформатор-260
ной стали толщиной 0,35—0,5 мм, которые изолируются друг от друга.
Обмотки трансформаторов изготовляются в виде цилиндрических и дисковых катушек. При цилиндрической форме катушек обычно ближе к стержню располагается обмотка низшего напряжения НН, обмотка высшего напряжения ВН более удалена. Между обмотками ставятся изоляционные
цилиндры ИЦ, сделанные из специального картона. При дисковой форме катушки обмоток низшего и высшего напряжений чередуются между собой.
Согласно ГОСТ у однофазных трансформаторов начало обмотки высшего напряжения обозначается буквой А, а конец ее — буквой X. Начало и конец обмотки низшего напряжения соответственно обозначаются буквами а и х.
Трансформаторы без сердечников получили название воздушных трансформаторов.
§ 6. ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформирование энергии трехфазного тока можно осуществить или при помощи трех однофазных трансформаторов, соединив их звездой или треугольником в трехфазную систему, или с помощью специальных трехфазных трансформаторов. Основными недостатками группы трансформаторов являются громоздкость и большой вес системы, а недостатком трехфазных трансформаторов — неудобства транспортировки, если трансформаторы большой мощности
261
Рис. 14,7. Схема трехфазного трансформатора
У, Z. Начала обмоток низ щих фаз обозначаются а,
и, следовательно, больших размеров. Поэтому для трансформирования больших мощностей трехфазного тока, как правило, применяются группы трансформаторов, а для малых и средних — трехфазные трансформаторы.
Трехфазные трансформаторы обычно изготовляются трехстержневого типа с несимметричной магнитной системой (рис. 14,7). На каждом стержне располагаются первичная и вторичная обмотки одной фазы. Начала обмоток высшего напряжения обозначаются буквами А, В, С, а концы их — X, него напряжения соответствую-Ь, с, а концы их — х, у, г. Все
эти зажимы часто выводятся на клеммную доску.
Первичные и вторичные обмотки трехфазного трансформатора или группы трех однофазных трансформаторов
Схемы соединения обмотан Диаграммы Вен торов Условные обозначения
в.н. НН. В.Н. НН.
АВС Ш дабе В 6
1
х у г
АВС Hz a В И У с В в [>С а Y/a-"
0 А В С 1Ш Ж Y Z а В |ду: с в В 0е а U-"
Рис. 14,8. Способы включения обмоток трехфазного трансформатора
262
соединяются звездой или треугольником. При этом могут быть четыре различные схемы соединения обмоток трансформатора: звезда — звезда (у/у0), звезда — треугольник (У/Д), треугольник — треугольник (Д/Л) и треугольник — звезда (Д/у). Однако ГОСТ рекомендует первые две схемы и одну их модификацию (у0/Д), которые и приведены на рис. 14,8. Индексы 11 и 12 при условных обозначениях схем указывают угол сдвига фаз между векторами линейных напряжений обмоток высшего и низшего напряжений. Так, цифра 11 показывает, что сдвиг фаз между соответствующими векторами линейных напряжений равен 330°, а цифра 12 — 360°.
Коэффициент трансформации трехфазного трансформатора при соединении Y/Y и Д/Д определяется как отношение линейных напряжений, а при других соединениях, т. е. У/Д и Д/У, —как отношение фазных напряжений.
Явления, происходящие в каждой фазе трехфазного трансформатора как при холостом ходе, так и при симметричной нагрузке на фазы, аналогичны явлениям, происходящим в однофазном трансформаторе.
§ 7. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Специальные трансформаторы весьма разнообразны. К ним, в частности, относятся автотрансформаторы, измерительные и многообмоточные трансформаторы, трансформаторы малой мощности, сварочные и выпрямительные трансформаторы, вращающиеся трансформаторы и т. д На рассмотрении некоторых из них и остановимся.
Автотрансформаторы
Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения. На рис. 14,9 приведена схема однофазного автотрансформатора. В нем так же, как в обычном трансформаторе, между напряжениями обмоток и токами имеются следующие соотношения:
1А _ _ £. Л __ «’г _ J_
172 K>J ’ /2 К1! k ’
где k — коэффициент трансформации;
Ux, /р — напряжение, ток и число витков первичной обмотки;
6/2, /2, w2 — напряжение, ток и число витков вторичной обмотки.
263
Режим холостого хода автотрансформатора, когда тОк во вторичной обмотке равен нулю, ничем не отличается от соответствующего режима обычного трансформатора. В работе же автотрансформатора под нагрузкой имеется
Рис. 14,9. Схема автотрансформатора
принципиальная разница по сравнению с обычным трансформатором. У обычного трансформатора подводимая мощность передается полностью электромагнитным путем, т. е. благодаря трансформации. Подводимая же к автотрансформатору мощность передается во вторичную обмотку частью электромагнитным путем, частью электрическим путем вследствие того, что обмотки соединены.
Автотрансформаторы применяются для пуска синхронных и асинхронных двигателей как делители напряжения и как повысители и по-
низители напряжения в линиях передач. Они обычно изготовляются с коэффициентом трансформации не больше 2. К- п. д. у автотрансформаторов, как правило, выше, чем у обычных трансформаторов.
Измерительные трансформаторы
Трансформаторы, служащие для расширения пределов измерения электроизмерительных приборов, называются измерительными трансформаторами. Они разделяются на трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.
Трансформаторы тока применяются для включения амперметров, токовых катушек ваттметров и различных реле. На рис. 14,10,а показана схема включения амперметра через трансформатор тока. Последний состоит из сердечника, первичной и вторичной обмоток. Первичная обмотка трансформатора тока обычно имеет небольшое число витков и включается последовательно в цепь, ток которой измеряется. Вторичная обмотка имеет большее число витков и замыкается на измерительные приборы. Номинальный ток вторичной обмотки всегда устанавливается 5 о, а в первичной определяется соотношением /i = kl2. Так как сопротивление амперметров и токовых катушек других приборев обычно мало, то трансформатор тока практически работает в ре-264
жиме короткого замыкания. Поэтому вторичная обмотка всегда должна быть замкнута или на приборы, или на себя.
Разновидностью трансформатора тока являются так называемые измерительные клещи (рис. 14,10,6), которые имеют одну вторичную обмотку, замкнутую на амперметр, и разъемный сердечник, которым охватывается провод с измеряемым током, выполняющий роль первичной обмотки трансформатора.
Рис. 14,10. Трансформаторы тока: а — схема устройства; б — измерительные клети
Трансформаторы напряжения применяются для измерения высоких напряжений и представляют собой обычные трансформаторы небольшой мощности. Первичная обмотка имеет большое число витков и подключается к сети, напряжение которой измеряется. Вторичная обмотка имеет небольшое число витков и замыкается на вольтметр или вольтметровую катушку других приборов. Номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора обычно устанавливается 110 в, а величина первичного напряжения определяется выражением U\ = kU2. Так как сопротивление вольтметра и вольтметровых катушек других приборов сравнительно велико, то трансформатор напряжения практически работает в режиме холостого хода.
265
Рис. 14,11. Трансформаторы: а — низкой частоты; б — высокой частоты
6
Трансформаторы малой мощности
К этому типу относятся трансформаторы, применяемые в радиотехнике и связи, так называемые междуламповые трансформаторы высокой и низкой частоты, микрофонные и т. д. (рис. 14,11). В них к первичной обмотке подводится или переменный ток (междуламповые трансформаторы), или пульсирующий ток (микрофонные трансформаторы). В обоих случаях подведенный ток преобразуется в ток переменный, но уже другого напряжения.
Рис. 14,12. Схема параллельной работы однофазных трансформаторов
§ 8. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРОВ
Параллельной работой двух или нескольких трансформаторов называется такая работа, при которой их первичные обмотки включены к общей питающей сети, а вторичные — к общей сети потребления. На рис. 14,12 показаны два однофазных трансформатора, включенные параллельно Для того чтобы они могли работать параллельно, необходимо выполнить следующие условия:
1. Первичные и вторичные напряжения, а следовательно, и
266
коэффициенты трансформации должны быть одинаковы.
2. Активные и индуктивные падения напряжения трансформаторов должны быть равны.
3. Трансформаторы должны принадлежать к одной И той же группе соединений (например, Y/у или Y/Д).
Если эти условия соблюдены, то при включении в сеть Первичных обмоток трансформатора всегда можно найти такие зажимы вторичных обмоток этих трансформаторов, которые имеют одинаковые фазы, и, соединив вместе такие зажимы, можно осуществить параллельную работу трансформаторов. Для контроля правильности соединения применяется вольтметр, который подключается параллельно соответствующему рубильнику. При правильном включении вольтметр должен показать напряжение, равное нулю, потому что как первичные, так и вторичные напряжения одного трансформатора действуют встречно (на схеме пока зано стрелками) соответствующим напряжениям второго трансформатора. Но по отношению к внешней цепи оба вторичных напряжения действуют согласно. То же самое происходит и при параллельной работе любых источников электрического тока.
ГЛАВА 15
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ 1. ПРИНЦИП действия трехфазного асинхронного ЭЛ ЕКТРОД В И ГАТЕЛ Я
Электрические машины переменного тока, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются электрическими двигателями переменного тока.
По принципу действия и устройству электродвигатели переменного тока делятся на асинхронные, синхронные и коллекторные. Наибольшее распространение в технике получили трехфазные асинхронные электродвигатели как наиболее простые по устройству и обслуживанию.
Трехфазный асинхронный электродвигатель изобрел в 1889 г. выдающийся русский ученый М. О. Доливо-Доб-ровольский.
Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на явлении вращающегося магнитного поля, создаваемого трехфазным током. Однако такое поле может быть получено и другим путем, в частности вращением постоянного магнита. Последним способом воспользуемся для лучшего уяснения физической сущности работы асинхронного двигателя.
На рис. 15,1 показан подковообразный постоянный магнит, укрепленный на оси и могущий свободно вращаться В пространстве между полюсами магнита /V и S расположен металлический цилиндр А, который так же, как и магнит, может свободно вращаться. Если привести во вращение такой магнит, то вместе с ним будет вращаться и его магнитное поле. Магнитный поток этого поля будет пересекать отдельные участки цилиндра А, вследствие чего в них будут наводиться вихревые токи. Эти токи создадут свое 268
магнитное поле — поле цилиндра. Взаимодействие полей цилиндра и магнита буд^т увлекать цилиндр в сторону вращения магнита, причем скорость вращения цилиндра будет всегда меньше скорости вращения поля магнита. Это объяс-
Рис. 15,1. Макет для получения вращающегося магнитного поля
няется тем, что при одинаковых скоростях вращения цилиндра и магнита поток последнего будет пронизывать отдельные участки цилиндра, не пересекая их, т. е. относительно цилиндра будет неподвижен, и, следовательно, в ци
линдре не будут индуктироваться вихревые токи.
Так как скорость вращения цилиндра не будет совпадать со скоростью магнитного потока, т. е. будет асинхронной, то и электродвигатели, основанные на этом принципе, принято называть асинхронными.
Теперь рассмотрим, как создается вращающееся магнитное поле трехфазным током. Для этого расположим в пазах неподвижного сталь-
Рис. 15,2. Схема обмотки статора асинхронного электродвигателя
ного цилиндра (статора) три фазные обмотки /, II и III, сдвинутые под углом 120° одна относительно другой (рис. 15,2). Каждая из обмоток изображена условно одним витком, начало и конец которого обозначены буквами н и к. Если фазные обмотки соединить звездой и систему подключить к сети трехфазного тока, то по обмоткам будут
269
проходить токи, мгновенные значения которых соответственно равны:
z‘i = Im sin iot
z2 =sin (w/—120°)
is — Im sin (a>/—240°).
При прохождении по обмоткам каждый из токов создает магнитное поле. Магнитные поля, созданные отдельными токами, будут складываться одно с другим и образовывать
Рис. 15,3. Схема получения вращающегося магнитного поля асинхронного электродвигателя
результирующее магнитное поле, направление которого будет определять расположение магнитных полюсов на поверхности статора.
На рис. 15,3 представлена развернутая диаграмма токов Л, «2, *з, сдвинутых относительно друг друга на 120°. Проследим направление результирующего магнитного поля для различных моментов времени. Для каждого момента времени нанесем на рисунке направление токов в фазных обмотках и изобразим, пользуясь правилом буравчика, магнитные поля, создаваемые этими токами. При этом положительным направлением тока считается его направление от начала обмотки к ее концу.
В начальный момент времени ток в обмотке / отсутствует, в обмотке // имеет отрицательное значение, а в об-270
мотке 111 — положительное значение. Следовательно, в этот момент времени результирующее магнитное поле внутри статора направлено сверху вниз. Далее, рассматривая рис. 15,3 для моментов времени t2, t3, Ц, нетрудно видеть, что полюсы N и S результирующего магнитного поля непрерывно перемещаются по поверхности статора, т.е. внутри статора создается вращающееся магнитное поле, причем за один период изменения тока в обмотках магнитное поле делает один оборот.
При выбранной обмотке вращающееся магнитное поле имеет одну пару полюсов. При р пар полюсов статора и частоте f тока, проходящего по фазным обмоткам, число оборотов вращающегося магнитного поля определяется по формуле
Эту скорость вращающегося магнитного поля принято называть синхронной.
Если поместить внутрь статора на оси металлический цилиндр, то такой цилиндр будет увлекаться магнитным полем и вращаться В данном случае металлический цилиндр называется ротором, а все устройство — асинхронным двигателем. Асинхронный двигатель иногда называют еще индукционным, так как действие его основано на непрерывном индуктировании в роторе токов.
§ 2. УСТРОЙСТВО ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Трехфазные асинхронные электродвигатели состоят из двух основных частей: неподвижной части — статора и вращающейся части — ротора. По форме исполнения ротора асинхронные двигатели разделяются на два основных типа: а) двигатели с короткозамкнутым ротором, или короткозамкнутые двигатели, и б) двигатели с фазным ротором, или фазные двигатели. Статоры всех типов асинхронных двигателей ничем не отличаются друг от друга, тогда как между роторами имеется значительная разница.
Статор асинхронного двигателя
Статор асинхронного двигателя по устройству аналогичен статору синхронного генератора (см. рис. 13,3). Он состоит из станины с сердечником, в пазы которого уложены
27J
три фазные обмотки. Все начала и концы обмоток выводятся на специальный щиток, что позволяет соединять их звездой и треугольником и, следовательно, включать статор на разные стандартные напряжения.
Роторы асинхронных двигателей
Ротор любого типа асинхронного двигателя состоит из сердечника и обмотки. Сердечник набирается из штампованных листов стали толщиной 0,35—0,5 мм, в пазы которого укладывается обмотка. В зависимости от выполнения
Рис. 15,4* Роторы асинхронных электродвигателей: а — короткозамкнутый; б — фазный
обмотки роторы асинхронных двигателей изготовляются двух типов: короткозамкнутые и фазные с контактными кольцами. На рис. 15,4 показаны эти роторы.
Обмотка короткозамкнутого ротора (рис. 15,4, а) делается из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединяются медными кольцами. Такая обмотка называется беличьей клеткой. В некоторых же конструкциях короткозамкнутых роторов обмотка делается из алюминия, заливаемого не-
посредственно в пазы ротора. Кроме того, встречаются еще короткозамкнутые роторы с глубоким пазом (рис. 15,5, а) и роторы с двойной беличьей клеткой (рис. 15,5,6). В роторе с глубоким пазом высота паза превышает его ширину в 10—12 раз. Обе эти формы исполнения роторов имеют цель улучшить условия
пуска асинхронного двигателя.
Обмотка фазного ротора (рис. 15,4,6) выполняется подобно обмотке статора в виде трехфазных обмоток, соединяемых обычно звездой. Три свободных конца фазных обмоток присоединяются к трем стальным кольцам, называемым контактными. Контактные кольца укреплены на валу ротора и изолированы друг от друга и от вала. В собранном двигателе к контактным кольцам прижимаются щетки, сое диняемые далее пусковым или регулировочным реостатом.
272
Кроме того, эти двигатели имеют приспособление для замыкания накоротко начал обмоток ротора после пуска.
На рис. 15,6 показан общий вид короткозамкнутого и фазного асинхронных двигателей.
Рис. 15,5. Схемы устройства обмоток короткозамкнутых роторов:
а — глубокий паз; б — двойная беличья клетка
В качестве асинхронных электродвигателей на кораблях флота применяются главным образом короткозамкнутые электродвигатели серий МА, МАО, МАФ и МАП. Все они выпускаются в водозащищенном и брызгозащищенном
Рис. 15,6. Асинхронные электродвигатели: а — короткозамкнутый; б — фазный
исполнении и рассчитаны на напряжения 380/220 в. Электродвигатели серий МА, МАО и МАФ предназначаются для продолжительной работы, а серии МАП — для повторно-кратковременной работы.
18—2107
273
Электродвигатели МА выпускаются мощностью от 0,14 до 4,0 кет и скольжением от 3,5 до 10%, а двигатели МАО — от 0,12 до 2,4 кет и скольжением от 3,5 до 8%. Электродвигатели МАФ изготовляются различных мощностей со скольжением от 3 до 12%. Диапазон скоростей всех указанных серий асинхронных двигателей находится в пределах от 945 до 2880 об/мин.
Электродвигатели серии МАП основного двухскоростного исполнения с синхронной скоростью вращения 1500/500 и 1000/500 об/мин изготовляются: а) при работе быстроходной обмотки — от 2,2 до 65 квт со скольжением от 6,3 до 11,8%; б) при работе тихоходной обмотки — мощностью от 1,2 до 23 квт со скольжением от 17,3 до 27,4%. Режимы работы: на больших скоростях — 30-минутный, на малых—10- или 15-минутный. Выпускаются также несколько типов четырехскоростных асинхронных электродвигателей.
§ 3. СКОЛЬЖЕНИЕ И СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Под влиянием вращающегося магнитного поля статора, как установлено ранее, ротор асинхронного электродвигателя начинает вращаться, при этом скорость его вращения всегда несколько меньше скорости вращающегося магнитного поля статора. Это отставание скорости ротора асинхронного двигателя от синхронной скорости поля статора, выраженное в процентах, называют скольжением.
Если синхронную скорость поля статора обозначить tii, а скорость вращения ротора п2, то скольжение s можно выразить следующим отношением:
$ = -100%.
При пуске двигателя в ход, т. е. когда «2=0, скольжение равно единице. Наоборот, при работе двигателя вхолостую скольжение почти равно нулю, так как «2~«1- При увеличении механической нагрузки на валу двигателя число оборотов ротора уменьшается, а скольжение возрастает, достигая при номинальной нагрузке у современных асинхронных двигателей 3—6%.
Асинхронный двигатель при изменении нагрузки работает с почти постоянной скоростью, в этом отношении ор 274
подобен двигателю постоянного тока пар аллельного возбуждения.
При известном скольжении s и синхронной скорости поля п\ легко определяется число оборотов ротора:
Л, = Л1(1—5).
Например, если у четырехполюсного электродвигателя скорость вращения поля статора ni = 1500 об/мин, а скольжение 5=3,6%, то скорость вращения ротора равна
пг = 1500 (1 — 0,036) = 1446 об/мин.
Если принять во внимание, что частота переменного / f Рп
тока пропорциональна числу оборотов f j = gg- , можно найти частоту тока /?, индуктируемую в обмотке ротора, которая определяется по формуле
/2 = ^^- О5’1)
Выразим частоту тока в роторе через частоту тока в статоре. Последняя связана с числом оборотов вращающегося поля статора зависимостью
Подставляя отсюда значение -gg- в равенство (15,1) и учитывая, что —------==$, получим
/2 = —^/!=^.
т. е. частота тока, индуктируемого в роторе асинхронного двигателя вращающимся полем, равна частоте тока статора, умноженной на скольжение.
В момент пуска двигателя ротор неподвижен, п2=0, 5=1 и /г—fi. При холостом ходе двигателя, когда n2^nt, f2 близка к нулю. При увеличении нагрузки на двигатель частота тока в роторе возрастает, достигая при номинальной нагрузке нескольких периодов в секунду. Например, если частота тока статора fi = 50 гц, а скольжение s = 5%, то частота тока в роторе /2=0,05 • 50 = 2,5 гц.
Заметим, что хотя ротор асинхронного двигателя и вращается с меньшей скоростью, чем поле статора, но поле
18*
275
ротора, создаваемое тбками ротора, вращается с полем статора синхронно. Поля статора и ротора в любой момент времени неподвижны относительно друг друга.
§ 4. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Асинхронный электродвигатель по существу подобен трансформатору. Обмотка статора двигателя является как бы первичной обмоткой трансформатора, обмотка ротора— вторичной. Физическая сущность явлений, происходящих как в трансформаторе, так и в асинхронном двигателе, одинакова.
Действительно, созданный токами статора вращающийся магнитный поток Фст, пересекая проводники обмоток статора и ротора, индуктирует в первой из них проти-воэлектродвижущую силу Ei, во второй —э. д. с. ротора Ег. Если обмотка ротора разомкнута, то тока в роторе не будет и ротор остается неподвижным. Приложенное к зажимам статора напряжение U уравновешивается противо-электродвижущей силой Е1 и падениями напряжения Iori и Mi в обмотке статора, т. е.
U = — Е1 + Vi+ Z^i-
Следовательно, векторная диаграмма асинхронного электродвигателя в этом случае принципиально ничем не отличается от векторной диаграммы холостого хода трансформатора (см. рис. 14,4).
Если же обмотка ротора замкнута, то наведенная в ней э. д. с. Е2 создает в роторе ток А, величина которого определяется по формуле
г- г*
где 2г — полное сопротивление цепи ротора.
Ток /2, проходя по обмотке ротора, возбуждает вращающийся магнитный поток ротора Фрот, который по правилу Ленца противодействует магнитному потоку статора Фст. Вследствие взаимодействия тока ротора и потока статора ротор двигателя приходит во вращение. Приложенное к зажимам статора напряжение Е) так ж», как и при неподвижном роторе, уравновешивается э. д. с. Е\ и падениями напряжения в обмотке статора. Если напряжение U на зажимах статора остается неизменным, то неиз-276
менными должны быть как э. д. с. Ej, так и магнитный поток статора.
При увеличении механической нагрузки на валу двигателя скорость ротора несколько уменьшается, а ток ротора увеличивается и вместе с ним увеличиваются магнитный поток Фрот ротора и вращающий момент двигателя.
Увеличение потока ротора несколько уменьшает поток статора, благодаря чему уменьшается э. д. с. Е; и нарушается условие электрического равновесия. Это вызывает увеличение тока статора, а следовательно, и потока статора настолько, чтобы компенсировать действие потока ротора и тем самым восстановить электрическое равновесие цепи. Другими словами, увеличение тока ротора автоматически вызывает увеличение тока статора.
Различие в рабочих процессах трансформатора и асинхронного двигателя заключается, во-первых, в том, что в трансформаторе отдаваемая вторичной цепью энергия является механической; во-вторых, частота тока во вторичной цепи трансформатора постоянная и равна частоте тока в первичной цепи, в двигателе же частота тока во вторичной цепи изменяется при изменении нагрузки и не равна частоте тока в первичной цепи; в-третьих, вследствие наличия в двигателе воздушного зазора в магнитной цепи, которого нет в трансформаторе, имеется значительная разница в количественном отношении между отдельными величинами; в частности, ток холостого хода /о двигателя (20—-50% /„) значительно больше, чем ток холостого хода трансформатора (3—8% /н), падение напряжения в обмотке статора асинхронного двигателя при холостом ходе составляет не менее 2—5% номинального напряжения машины, тогда как в трансформаторах оно обычно не превышает 0,3—0,5%.
§ 5. ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Вращающий момент трехфазного асинхронного электродвигателя, так же как и во всякой другой электрической машине, возникает благодаря взаимодействию тока ротора /2 с магнитным потоком Ф машины. Однако в создании вращающего момента двигателя будет участвовать не весь ток /2, а только его активная составляющая /2 cos ф2, так как в механическую работу, как уже отмечалось, может быть превращена только активная мощность 277
тока. Следовательно, вращающий момент трехфазного асинхронного двигателя может быть выражен следующей формулой:
/Ив — СФ/2 cos ^2, где С— коэффициент, зависящий от конструктивных элементов двигателя;
ф2—угол сдвига фаз между током h и э. д. с. Е2 ро* тора.
Таким образом, вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален магнитному потоку, току ротора и косинусу угла сдвига между током ротора и его электродвижущей силой.
Рис. 15,7. Зависимость вращающего момента от скольжения
На рис. 15,7 показана зависимость вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения 7Wa=f(s) в виде кривой, называемой обычно механической характеристикой двигателя. Эта характеристика показывает, что в момент пуска двигателя в ход, когда п2=0 и s=l, развиваемый им вращающий момент сравнительно невелик, хотя установлено, что при пуске двигателя прямым включением в сеть ток достигает большой величины (/ПуСк в 4—7 раз больше /н). Это объясняется тем, что в начале пуска частота тока f2 имеет наибольшую величину (f2=ft), благодаря чему реактивное сопротивление ротора х2 = 2л/£ получается наибольшим, а с ним вместе получается и наибольший сдвиг фаз между током /2 и э. д. с. Е2. Поэтому, несмотря на большой ток /2, его активная составляющая /2 cos ф2 невелика, и значит, невелик и пусковой вращающий момент двигателя.
По мере увеличения числа оборотов двигателя умень-278
шаются скольжение и частота тока ротора f?, благодаря чему уменьшается реактивное сопротивление ротора и увеличивается cos г]?2. Поэтому, несмотря на уменьшение тока /2, происходящее вследствие уменьшения э. д. с. Е-г, активная составляющая тока 1% cos фг растет и вращающий момент увеличивается до максимального значения Л4макс. Затем при дальнейшем увеличении числа оборотов вращающий момент начинает уменьшаться и при синхронизме, когда П2 = П\, он становится равным нулю, так как в роторе э. д. с. уже не индуктируется и, следовательно, ток I2 равен нулю.
Рассматриваемая механическая характеристика имеет два принципиально различных участка. Первый из них ОВ соответствует устойчивой работе двигателя, так как при работе двигателя на этом участке в случае увеличения нагрузки число оборотов его падает, скольжение увеличивается, а вместе с тем увеличивается вращающий момент, поддерживающий устойчивую работу двигателя. Наоборот, второй участок ВА соответствует неустойчивой работе двигателя, так как при увеличении нагрузки скольжение увеличивается вследствие уменьшения числа оборотов и вращающий момент не увеличивается, а уменьшается. Работа электродвигателя на участке ВА практически невозможна.
Перегрузочной способностью асинхронного электродвигателя называется отношение максимального момента электродвигателя к номинальному, т. е.
rs _Ломакс
~ ми •
Обычно в электродвигателях малой и средней мощности Кт = 1,6-е 1,8. В электродвигателях средней и большой мощности Кт=\,8-е2,5, а в электродвигателях специального исполнения Кт достигает 2,8-е3,0 и более.
Укажем, что вращающий момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения, приложенного к зажимам статора. Вследствие этого асинхронный электродвигатель весьма чувствителен к колебаниям напряжения источника питания.
§ 6. СПОСОБЫ ПУСКА В ХОД ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
На практике применяются следующие основные способы пуска в ход трехфазных асинхронных электродвигателей: а) прямое включение в сеть короткозамкнутых элек
279
тродвигателей; б) пуск короткозамкнутых электродвигателей при пониженном напряжении и в) пуск при помощи пускового реостата, вводимого в цепь ротора фазного электродвигателя.
Пуск короткозамкнутых электродвигателей
На рис. 15,8 показаны основные схемы пуска короткозамкнутых асинхронных электродвигателей.
Пуск прямым включением в сеть (рис. 15,8, а) производится замыканием трехполюсного рубильника, с помощью
Рис. 15,8. Схемы пуска короткозамкнутых асинхронных электродвигателей:
а — прямым включением; б — пусковым реостатом в цепи статора; в — переключением со звезды на треугольник
которого обмотка статора включается прямо в сеть. Этот способ прост и удобен в эксплуатации и широко применяется. Однако он сопряжен со значительными толчками тока, которые влияют на работу других потребителей. Действительно, в момент включения рубильника ток в обмотке статора в 4—7 раз превышает его номинальный ток. Затем по мере разгона он уменьшается и быстро достигает номинальной величины. Поскольку время пуска двигателя малопродолжительно, то пусковой ток неопасен для самого двигателя, но он вызывает большое падение напряжения в цепи, что в судовых условиях сказывается на нормальной работе включенных в эту сеть других потребителей. Кроме того, пусковой момент двигателя небольшой. При-280
Менение короткозамкнутых роторов с глубоким пазом и двойной клеткой значительно улучшает пусковые свойства короткозамкнутых асинхронных двигателей.
Пуск короткозамкнутых двигателей при пониженном напряжении осуществляется введением в цепь статора пускового реостата, переключением обмотки статора со звезды на треугольник и включением статора через авто трансформатор или трансформатор. Во всех этих случаях понижается напряжение на зажимах двигателя и, следовательно, уменьшается величина пускового тока. Но при этом пусковой момент двигателя уменьшается почти пропорционально квадрату напряжения. Поэтому такой способ применим только при пуске двигателей вхолостую.
Схема пуска в ход при помощи пускового реостата в Цепи статора изображена на рис. 15,8,6. В момент пуска реостат полностью введен, часть подводимого от сети напряжения поглощается в его сопротивлении, чем снижается напряжение на зажимах обмотки статора и уменьшается пусковой ток. Пуск двигателя осуществляется путем включения рубильника, после чего плавно выводится сопротивление реостата. Остановка двигателя производится выключением рубильника.
Схема пуска в ход посредством переключения обмотки статора со звезды на треугольник представлена на рис. 15,8, в. Пуск производится следующим образом. Переключатель ставят в положение «пуск» (у) и замыкают трехполюсный рубильник Р. Когда двигатель разовьет нормальное число оборотов, тогда переключатель быстро переводят в положение «работа» (Д). Этим заканчивается процесс пуска. Пусковой ток при этом способе пуска уменьшается в три раза по сравнению с током, получающимся при пуске двигателя прямым включением на сеть при соединении статора треугольником. Действительно, если фазные обмотки двигателя соединить звездой, то при пуске линейный ток будет равен
/ — / — ~
'лу-'фу- гф1/з’
Если же обмотки двигателя при его пуске будут соединены треугольником и подключены под то же напряжение Un, то линейный ток, очевидно, будет иной:
^=Из/фй=Из^=Из-^-.
281
Взяв отношение линейных токов, получим
Un . Un
’ ]/3 2ф
Однако величина момента в этом случае уменьшается Также в три раза.
Пуск двигателя посредством автотрансформатора заключается в том, что статор включается в сеть через автотрансформатор. Когда двигатель разовьет номинальную скорость вращения, автотрансформатор отключается, а обмотка статора включается на полное напряжение сети. При этом пусковой ток уменьшается в k раз, где k—коэффициент трансформации автотрансформатора.
Пуск фазных двигателей
Пуск в ход трехфазных асинхронных двигателей с фазным ротором, как правило, производится при помощи пускового реостата, вводимого в цепь ротора. На рис. 15,9
показана схема включения та-
Рис. 15,9. Схема пуска фазного асинхронного электродвигателя
кого реостата. Перед пуском реостат вводят в цепь ротора и по мере разгона двигателя плавно уменьшают сопротивление реостата, выводя его полностью к концу пуска. Остановка двигателя производится выключением рубильника. Пусковой реостат в цепи ротора уменьшает пусковой ток и одновременно увеличивает пусковой вращающий момент двигателя. Объясняется это тем,что увеличивая активное сопротивление цепи ротора, уменьшаем ток /2 ротора,
но одновременно увеличиваем cosi]:2, причем преобла-
дающее значение имеет увеличение cos ф2. В результате этого активная составляющая тока ротора /2 cos ф2 увеличивается, а с ней вместе растет и вращающий момент дви
гателя.
282
§ 7. РЕВЕРС, ТОРМОЖЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Реверс трехфазных асинхронных электродвигателей можно осуществить путем изменения направления вращения поля машины, что достигается переключением любых двух проводов, соединяющих обмотку статора с сетью. Торможение же асинхронных двигателей можно производить: а) при помощи механических тормозов; б) противотоком с возвратом энергии в сеть и в) электродинамическим способом — путем отключения двигателя от сети и включения обмотки его статора под напряжение постоянного тока.
Регулирование скорости вращения трехфазных асинхронных электродвигателей может быть осуществлено следующими способами: а) изменением подводимого к двигателю напряжения; б) изменением активного сопротивления в цепи ротора; в) изменением числа пар полюсов и г) изменением частоты тока.
Регулирование скорости вращения двигателей изменением напряжения и изменением активного сопротивления в цепи ротора обычно производится по схемам их пуска, которые были рассмотрены в предыдущем параграфе. Первый из этих способов регулирования неэффективен, так-как при изменении напряжения резко меняется вращающий момент. Поэтому применяется он редко. При втором способе, изменяя сопротивление регулировочного реостата в цепи ротора, изменяют скольжение и тем самым число оборотов двигателя, так как Цг = Щ(1—s)- Последний способ широко применяется на практике, так как при этом вращающий момент двигателя не изменяется.
Регулирование скорости вращения изменением числа пар полюсов основано на изменении числа оборотов вращающегося магнитного поля, которое определяется из со-отношения «1=—ц-.Действительно, при изменении числа пар полюсов будет изменяться число оборотов поля Щ и, следовательно, число оборотов ротора «2- Изменение числа пар полюсов статора двигателя можно осуществить, например, переключая катушки фазных обмоток этого двигателя с последовательного соединения на параллельное. Естественно, что при этом обмотка каждой фазы должна состоять из двух катушек; соединяя их последовательно, получаем четыре полюса, и, наоборот, соединяя параллель-
283
но,—два полюса. На рис. 15,10 показаны принципиальные схемы переключения числа полюсов для одной фазы, а другие фазы для упрощения не показаны.
Рис. 15,10. Регулирование скорости асинхронного электродвигателя изменением числа полюсов
Регулирование скорости вращения двигателей изменением частоты тока статора возможно только при питании двигателей от специальных установок, так как частота в сетях трехфазного тока обычно поддерживается постоянной.
§ 8. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И К- П. Д. ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Под рабочими характеристиками асинхронных электродвигателей понимаются зависимости числа оборотов, тока,
Рис. 15,11. Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя
момента, скольжения, cosq>i и к. п. д. от полезной мощности Р2, развиваемой электродвигателем на валу, т. е. п2, Л, /ИЕ, s, cos<pp -n=f(Pz).
На рис. 15.11 приведены рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя. Характеристика H2 = f(f>2), называемая скоростной, показывает, что при изменении на
грузки от холостого хода до номинальной число оборотов асинхронного двигателя изменяется незначительно. Это из
менение числа оборотов у электродвигателей разной мощности колеблется от 1 до 6% номинальной величины. Бла-
годаря этому скоростная характеристика асинхронного
284
двигателя называется жесткой. Обратную картину представляет характеристика скольжения, которая с увеличением нагрузки поднимается. Вследствие увеличения скольжения увеличивается ток ротора, а вместе с ним увеличиваются вращающий момент и потребляемый из сети ток. Характер изменения этих величин практически линейный.
Изменение cos <pi сильно зависит от нагрузки. При холостом ходе коэффициент мощности обычно не превышает 0,2—0,3. Объясняется это тем, что в этом случае асинхронный двигатель потребляет из сети большой намагничивающий ток /о, который отстает от напряжения на угол, близкий к 90°. При увеличении нагрузки на валу cos ф1 вследствие увеличения активной составляющей тока быстро увеличивается, достигая при нагрузке, близкой к номинальной, максимального значения 0,8—0,9. При дальнейшем увеличении нагрузки выше номинальной costpi снова уменьшается вследствие увеличения скольжения и, следовательно, увеличения индуктивного сопротивления ротора. Для того чтобы cos ф1 был высоким, необходимо загружать асинхронный электродвигатель в соответствии с его мощностью.
Характер изменения к. п. д. асинхронных электродвигателей зависит от потерь, которые, как и в других машинах, слагаются из механических, магнитных, тепловых и добавочных потерь. Численное же значение к. п. д. асинхронных электродвигателей определяется формулой
У] = ^-100%,
где Pi — мощность, подводимая к электродвигателю;
Pi—полезная мощность.
Обычно номинальное значение к. п. д. асинхронных электродвигателей колеблется от 83 до 95%. Таких значений к. п. д. достигает при нагрузках, близких к номинальной. При дальнейшем увеличении нагрузки к. п. д. уменьшается за счет значительного роста электрических потерь в обмотках электродвигателя.
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И УСИЛИТЕЛИ
ГЛАВА 16
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
На кораблях электроэнергия генерируется в виде постоянного или трехфазного тока определенных параметров. Но для ряда потребителей необходим ток, отличный от основного генерируемого тока. Для обеспечения электроэнергией таких потребителей применяются соответствующие типы преобразователей.
По конструктивному исполнению все преобразователи разделяются на а) механические, или вращающиеся, и б) статические. Под вращающимися преобразователями понимаются электрические машины, преобразующие переменный ток в постоянный, постоянный в переменный, а также преобразующие напряжения постоянного тока. К этой же группе относятся и механические вибропреобразователи. Статическими преобразователями называются электронно-ионные приборы, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Эта группа преобразователей часто называется выпрямителями, а также имеет и третье название — вентили.
§ 2. ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРЫ
Двигатель-генератор является простейшим вращающимся преобразователем и представляет собой агрегат (рис. 16,1) из двух механических связанных машин—-электродвигателя и генератора. Для преобразования переменного тока в постоянный в качестве электродвигателей применяются асинхронные и синхронные двигатели, а в качестве генераторов— генераторы параллельного или смешан-286
Кого возбуждения. Для преобразования постоянного тока й переменный в качестве двигателей, как правило, применяются электродвигатели смешанного возбуждения, а в качестве генераторов — однофазные или трехфазные синхронные генераторы. Естественно, что двигатель-генераторы могут применяться также для преобразования постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения.
Преимуществом таких преобразователей является независимость параметров преобразуемой и получаемой энергий, а также возможность преобразовывать не только ток,
Рис. 16,1. Двигатель-генератор
но и напряжение, число фаз и частоту. Недостатком этих преобразователей является относительная громоздкость и сравнительно низкий к. п. д., представляющий собой произведение к. п. д. двигателя и к. п. д. генератора, т. е.
Ч=Чд-Чг«
§ 3. ОДНОЯКОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Однояксрный преобразователь представляет собой машину, у которой с одной стороны якоря имеется коллектор, а с другой — контактные кольца (рис. 16,2). Секции обмотки якоря присоединяются к пластинам коллектора по обычным схемам машин постоянного тока. Контактных колец бывает два — для получения однофазного тока и три — для получения трехфазного. У двухполюсного преобразователя к контактным кольцам присоединены для получения однофазного тока две диаметрально противоположные точки, а для получения трехфазного — три точки (рис. 16,2,6), расположенные под углом 120° одна к другой; получаются три фазные обмотки, соединенные по схеме треугольника.
287
Таким образом, одноякорный преобразователь со стороны коллектора является машиной постоянного тока и со стороны колец — синхронной машиной. Если подвести со стороны коллектора постоянный ток, то машина будет работать с одной стороны как электродвигатель постоянного тока, а с другой как синхронный генератор с определенной частотой.
Рис. 16,2. Трехфазный одноякорный преобразователь:
а — устройство; б — схема
Обе стороны преобразователя электрически связаны между собой, поэтому напряжения постоянного и переменного тока находятся в определенном соотношении, а именно:
а) для однофазного и постоянного токов
I
= 0,707, ~ = 0,707;
б) для трехфазного и постоянного токов
^ = 0,612, ~ = 0,545.
Следовательно, если со стороны постоянного тока стандартное напряжение, то со стороны переменного тока будет нестандартное. Это является главным недостатком одноякорных преобразователей. Кроме того, регулировать напряжение на зажимах генератора изменением тока возбуждения нельзя, так как магнитная система обеих машин одна. Регулировать напряжение генератора можно TOJIbKQ путем изменения сопротивления (активного или раамиздосс}, включенного в главную цепь преобразователя. ДЛя ЙЪлу-288
чения стандартных напряжении одноякорные преобразователи выполняются с несколькими обмотками на якоре или применяются трансформаторы.
Основными достоинствами одноякорных преобразователей являются малые потери в обмотке якоря и, кроме того, с ростом нагрузки скорость вращения преобразователя почти не меняется, благодаря чему частота практически остается неизменной даже без специальных стабилизирующих устройств.
§ 4. УМФОРМЕРЫ
Умформерами называются одноякорные машины постоянного тока, преобразующие постоянный ток низкого напряжения в постоянный ток повышенного напряжения. Умформеры обычно применяются для питания анодных цепей радиостанций, требующих относительно высоких напряжений.
По устройству умформер является комбинацией электродвигателя и генератора постоянного тока в одной машине. В пазы якоря такой машины уложены две обмотки — электродвигателя и генератора. Обмотки соединены
Рис. 16,3. Схема и рабочие характеристики умформера
соответственно с двумя коллекторами (рис. 16,3,а). Обмотка возбуждения (обычно параллельная) общая для электродвигателя и генератора и питается от источника низкого напряжения. При подаче напряжения от постороннего источника преобразователь приходит во вращение как обычный 'электродвигатель параллельного возбуждения. При этом в генераторной обмотке э. д. с. индуктируется так, как в обычном генераторе параллельного возбуждения.
19—2107
289
Характерной особенностью умформера является, во-первых, то, чго основной магнитный поток машины с измене нием нагрузки практически не изменяется. Объясняется это тем, что токи, протекающие в обмотках якоря, имеют различное направление, вследствие чего их магнитные поля взаимно нейтрализируются, т. е. реакция якоря самоком-пенсируется. Во-вторых, регулировать напряжение на зажимах генератора изменением оборотов или тока возбуждения невозможно, так как машина имеет одну магнитную систему.
На рис. 16,3,6 приведены рабочие характеристики умформера. Изменение напряжения генератора вызывается изменением величины падения напряжения в обеих обмотках якоря, а также величины напряжения питания. К- п. д. умформеров низкий, не превышает 0,3—0,5. Это объясняется относительно большими потерями холостого хода.
Разновидностью обычных умформеров являются трехколлекторные, или каскадные, умформеры. Такие умформеры имеют три коллектора и соответственно три якорные обмотки. Одна обмотка и один коллектор принадлежат электродвигателю низкого напряжения, а две обмотки и два коллектора — генераторам повышенного напряжения. Коллекторы повышенного напряжения соединены между собой последовательно, образуя каскад. Благодаря этому преобразователи дают возможность получить два повышенных напряжения: напряжения с каждого коллектора и их сумму.
При пуске в ход умформеры ведут себя так же, как и электродвигатели параллельного возбуждения. Однако их пусковые токи обычно не превышают (7-J-10) /н, поэтому умформеры небольшой мощности пускаются прямым включением в сеть постоянного источника питания.
§ 5. ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Под вибропреобразователями обычно понимаются устройства, предназначенные для преобразования постоянного тока низкого напряжения в постоянный ток повышенного напряжения. Наибольшее распространение получили электромагнитные вибропреобразователи. На рис. 16,4 представлена упрощенная схема вибрационного преобразователя. Он состоит из электромагнитного вибратора и однофазного трансформатора. Сущность его работы состоит в том, что подводимый к вибратору постоянный ток преоб-290
разуется в пульсирующий. Пульсирующий ток, поступая на повышающий трансформатор, создает во вторичной его обмотке высокое напряжение, которое затем выпрямляется.
Действительно, когда цепь низкого напряжения разомкнута, якорь 001 электромагнита Э, представляющий собой упругую пружинящую стальную пластинку, находится в верхнем положении и контакты 1, 2 и 5 соединены с зажимом «—» (корпусом). При замыкании выключателя В
Рис. 16,4. Упрощенная схема вибропреобразователя
включается цепь низкого напряжения, вследствие чего ток в точке 7 разветвляется. По верхней половине обмотки 7— 6 трансформатора проходит большая часть тока, которая •индуктирует во вторичной обмотке повышающего трансформатора э. д. с. (« + » в точке 10 и «—» в точке 9). Другая, меньшая часть тока проходит по нижней половине первичной обмотки 7—8 трансформатора, последовательно с которой включена катушка электромагнита Э, имеющая значительное сопротивление. Эта часть тока создает небольшой размагничивающий магнитный поток, направленный против потока в верхней половине обмотки. Электромагнит, оказавшись под током, притягивает к себе якорь, вследствие чего контакты 1, 2 и 5 размыкаются, а контакты 3 и 4 замыкаются. Благодаря этому цепь верхней половины первичной обмотки трансформатора оказывается разомкнутой, а цепь нижней половины обмотки — замкнутой на «—», помимо электромагнита. Теперь увеличенный уже ток, про-
19* 291
Рис. 16,5. Вибропреобразователь типа ВПР-6М
ходя по нижней половине обмотки 7—8, будет индуктировать во вторичной обмотке трансформатора э. д. с., направленную противоположно предыдущей. Так как одновременно с переключением первичной обмотки трансформатора изменяется и включение его вторичной обмотки, верхняя часть ее 10—9 будет выключена и вместо нее включена (контактом 4) нижняя часть обмотки 10—И. Поэтому полярность выходных зажимов высокого напряжения останется прежней, т. е. во внешней цепи высокого напряжения ток останется постоянным по направлению. Электромагнит Э, оставшись без тока, отпустит якорь OOi, который под действием упругих сил возвратится в исходное положение, и процесс повторится.
Таким образом, вибропреобразователь осуществляет двухполупериодное выпрямление, так как за время одного полного колебания якоря электромагнита на выходные зажимы схемы посылаются две полуволны высокого напряжения, т. е. выпрямленное напряжение является пульсирующим. Для сглаживания пульсаций напряжения применяются фильтры, состоящие из дросселей и конденсаторов.
Вибропреобразователь очень удобен в эксплуатации, поэтому он широко применяется в цепях питания аппаратуры связи, технических приборов кораблевождения и небольших радиостанций.
На рис. 16,5 показан общий вид вибропреобразователя типа ВПР 6М. Его номинальное входное напряжение рав-292
но 4,8 в, допустимое изменение входного напряжения — от 4,2 до 5 е, полное выходное напряжение при нагрузке 30 ма—220 в, половинное выходное напряжение при нагрузке 15 ма— 110 в, к. п. д. при 220 в — 66—68% и при ПО в — 35—38%. Предназначается этот вибропреобразователь для питания анодных цепей маломощных радиостанций.
§ 6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Под полупроводниковыми выпрямителями понимаются устройства, в которых для выпрямления тока используются полупроводники. Полупроводниковый выпрямитель представляет собой аппарат, состоящий из трансформатора и группы полупроводниковых выпрямительных элементов, а также 1ряда вспомогательных деталей.
Общая схема устройства полупроводникового выпрямительного элемента представлена на рис. 16,6, а. Он состоит из двух металлических электродов: анода А и катода К, между которыми заключены слой полупроводника В и тонкий, плохопроводящий, так называемый запирающий слой С. В таком устройстве ток, текущий от катода К через запирающий слой и полупроводник в сотни раз больше, чем ток, текущий в обратном направлении. Поэтому направление тока от катода к аноду называется проводящим, а обратное— непроводящим. Ток, соответствующий проводящему направлению, называется прямым, а непроводящему — обратным.
Сущность этого явления объясняется следующим образом. Проводник и полупроводник, разделенные запираю-
к
| / ^запирающий слой
8 -\ '"Контактный электрод
________________ к
£+ | / ^Запирающий слой
Т ~ (— — । 6 I '''Контактный электрод
в
Рис. 16,6. Полупроводниковый выпрямитель: а — общая схема устройства; б — прохождение прямого тока; в — прохождение обратное# тока
293
щим слоем, имеют неодинаковое количество свободных электронов, причем в полупроводнике электронов меньше, чем в проводнике. Поэтому в случае, когда анод А заряжен положительно (рис. 16,6, б), свободные электроны проводника К, испытывая сильное действие электрического поля, проникают через запирающий слой в полупроводник В. В результате ток в цепи получает достаточно большое значение даже при малых значениях напряжения. При изменении полярности (рис. 16,6, в) ток в цепи создается движением свободных электронов из полупроводника В через запирающий слой в проводник А. Но свободных электронов в
Рис. 16,7. Селеновый выпрямитель: а — элемент; б — вентильная группа; в — вольтамперная характеристика
полупроводнике мало и поэтому ток обратного направления незначителен. Кроме того, полупроводник, потеряв часть электронов, заряжается положительно и его проводимость уменьшается, так как положительное электрическое поле ослабляет концентрацию электронов и препятствует их перемещению.
Полупроводниковые выпрямители бывают купроксные, селеновые, германиевые и кремниевые. Последние три типа наиболее распространены.
Устройство элемента селенового выпрямителя показано на рис. 16,7, а. Он состоит из стального диска 1, покрытого с одной стороны тонким слоем селена 2. Этот диск служит опорным электродом вентиля. Вторым электродом служит напыленный слой 3 специального проводящего сплава. На этот слой накладывается пружинящая контактная шайба 4. После соответствующей формовки электрическим током между селеном и вторым электродом образуется запирающий слой. Проводящие направление селенового вентиля следующее: опорный электрод — селен — запирающий 294
слой—второй электрод. На рис. 16,7,6 показана группа селеновых вентилей.
На рис. 16,7, в изображена вольтамперная характеристика селенового выпрямителя, представляющая собой зависимость прямого и обратного токов от напряжения на выпрямителе. Длительно допустимое напряжение на селеновый элемент 20—25 в. При обратных напряжениях 50—70 в происходит пробой селенового вентиля.
Рис. 16,8. Германиевый выпрямитель: а — плоскостной; б — точечный; в — вольтамперная характеристика
Германиевые выпрямители бывают плоскостные и точечные. На рис. 16,8 схематически показано устройств элементов этих выпрямителей, а также их вольтамперная характеристика. Плоскостной элемент состоит из пластинки С1С2, представляющей собой монокристалл германия с небольшой долей примеси (сурьмы, мышьяка или фосфора) для усиления электронной проводимости. С одной стороны пластинки впаивается индий И, а с другой—олово О. Индий, диффундируя в слой германия, придает его слою С2 так называемую дырочную проводимость. На границе между слоями германия, имеющими разную проводимость, создается также запирающий слой ЗС. Олово, создавая хороший электрический контакт, является катодом, а индий — анодом. У точечного элемента запирающий слой создается между германиевой пластинкой Л, обладающей дырочной проводимостью, и острием пружиняющего электрода Э, выполненного из вольфрама.
Отличительной особенностью германиевых выпрямителей по сравнению с селеновыми является то, что они
295
Допускают значительно большую плотность тока (30-> -=-100 а/см2) и обратные напряжения до 200 в, а пробивные напряжения до 600 в. К. п. д. германиевых выпрямителей достигает 99%, а срок их службы практически неограничен. К недостаткам германиевых выпрямителей относятся малая допустимая температура нагрева (70—75° С), а также то, что для их изготовления требуются сверхчистый германий и сверхвысокая точность примесей.
Устройство кремниевых выпрямителей аналогично устройству германиевых. Основой кремниевого выпрямительного элемента является монокристальная пластинка из кремния. С одной стороны в пластинку впаивается свинец, образуя полупроводник с дырочной проводимостью, а с другой — алюминий, образуя полупроводник с электронной проводимостью. На границе полупроводников с разными проводимостями образуется запирающий слой. Эти элементы имеют высокую допустимую температуру (до 300° С), большую допустимую плотность тока (до 500 а/см2) и допускают большие обратные напряжения. Кремниевые выпрямители весьма перспективны, но для их изготовления требуется сверхчистый кремний.
Для выпрямления переменного тока широко применяются две типовые схемы включения полупроводниковых выпрямителей: а) схема с использованием нулевой точки трансформатора и б) мостовая схема. Обе эти схемы предусматривают использование обеих полуволн переменного тока.
Рис. 16,9. Схемы двухполупериодного выпрямления: а — однофазного тока; б — трехфазного тока
296
Рис. 16,10. Мостовые схемы выпрямления: а — однофазного тока; б — трехфазного тока
Схема с использованием нулевой точки трансформатора изображена на рис. 16,9, а. В первую половину периода ток проходит через вентиль 1, во вторую полярность вторичной обмотки трансформатора изменяется и ток пропускает уже вентиль 2. Схема подобного типа для выпрямления трехфазного тока показана на рис. 16,9, б. Ток пропускает тот из вентилей, который в данный момент имеет высший потенциал.
Мостовая схема для выпрямления однофазного тока показана на рис. 16,10, а. Эта схема аналогична схеме уравновешенного моста постоянного тока. В первую половину периода ток пропускают выпрямители, лежа-жие в двух противоположных плечах моста, а во вторую половину периода ток пропускают два других выпрямителя. Путь тока в первом случае показан сплошной стрелкой, а во втором — пунктирной. На рис. 16,10,6 изображена подобная схема для выпрямителя трехфазного тока.
Полупроводниковые выпрямители и выпрямительные устройства выпускаются различных типов. В табл. 16,1 приведены
по своей конфигурации
Рис. 16,11. Селеновое выпрямительное устройство ВСР-9
297
основные данные некоторых таких выпрямителей. Условное обозначение типа выпрямителя расшифровывается так: В — выпрямитель, С — селеновый, Г — германиевый, К — кремниевый, Д — диод. Буквы А, В, Ц или Р означают конструктивное исполнение выпрямителя. Число, стоящее после буквенного обозначения, указывает номенклатурный номер устройства. На рис. 16,11 показан внешний вид селенового выпрямительного устройства типа ВСР-9.
Таблица 16,1
Выпрямители и выпрямительные устройства
Тип Выпрямленный ток, а Выпрямленное напряжение, в Напряжение трансформатора и максимальное напряжение, в Схема соединения Назначение
ДГ-Ц27 ВГ-10 ВГВ-200 ВК-50 ВСА-Зм ВСА-10 ВСР-Зм ВСР-5 ВСР-9 о,1 10 200 50 0,25—8 12—6 200 0,1—6,8 0,2-3,7 0,5—80 7—12 3,5—4,5 24—2500 24—975 400 50-150 50 50-150 127/220 127/220 220 220/380 127/220 Однофазная мостовая Двухфазная То же Мостовая То же Зарядка аккумуляторов Устройство для автоматического заряда Питание гальванических ванн Питание радио-установок То же
§ 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Электронными выпрямителями называются электрические приборы, в которых для преобразования переменного тока в постоянный используются явления, связанные с движением свободных электронов через вакуум под действием электрического поля. В качестве электронных выпрямителей обычно применяются двухэлектродные лампы-кенотроны.
Сущность действия кенотронов (рис. 16,12,6) состоит в следующем. Если его электроды А и К присоединить к соответствующим зажимам батареи Ба и затем электрод К нагревать током от вспомогательной батареи до высокой температуры, то с поверхности этого электрода нач-298
нут вылетать электроны. Явление вылета электронов с поверхности накаленного металла, т. е. явление термоэлектронной эмиссии, объясняется тем, что при нормальной температуре свободные электроны, находящиеся внутри металла, обладают недостаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы связи их с металлом и вылететь за его пределы. При нагревании же металла кинетическая энергия свободных электронов возрастает настолько, что
Рис. 16,12. Вакуумные электронные приборы: а — косвенного накала; б — прямого накала
они преодолевают эти силы и вылетают за пределы поверх-ности металла. Чем выше температура металла, тем большее число свободных электронов вылетает с его поверхности. Эти электроны, будучи носителями отрицательных зарядов, под действием электрического поля начнут двигаться по направлению к электроду А. Таким образом, ток 1Л потечет от батареи Б3 через пространство внутри стеклянного сосуда.
Если же накаленный катод присоединить к положительному зажиму батареи Бе, а холодный анод А — к отрицательному зажиму, то ток по цепи проходить не будет, так как с холодного электрода электроны обычно не вылетают, а электроны, покинувшие нить катода, под действием сил электрического поля возвратятся обратно. Если вместо батареи Бд применить какой-либо источник переменного тока го по цепи будет проходить ток только в то время, когда анод будет заряжен положительно. Таким образом, кенотрон пропускает ток только в одном направлении. Здесь анод А
299
представляет собой простую металлическую пластину или металлический цилиндр, а катод А—тонкую тугоплавкую проволоку (обычно вольфрамовую нить), как травило, покрытую слоем другого металла или окиси металла, обладающих высокими так называемыми эмиссионными свойствами.
Цепь, состоящая из источника тока (в данном случае батареи Ба), пространства между анодом и катодом внутри лампы и соединительных проводов, называется цепью анода. Ток, проходящий по цепи анода, называется анодным током и обозначается 7а. Напряжение между анодом и катодом называется анодным напряжением и обозначается Ua.
Цепь, в состав которой входят катод, источник тока (батарея Б„), накаливающий катод, и соединительные провода, называется цепью накала. Ток, проходящий по цепи накала, называется током накала и обозначается /н. Напряжение между концами катода называется напряжением накала и обозначается Un.
Лампы, в которых применяются катоды в виде накаливаемой нити, называются лампами с прямым (непосредственным) накалом. В тех же случаях, когда накальная и анодная цепи должны быть разделены, применяют лампы с подогревным катодом. Подогревный катод (рис. 16,12, а) представляет собой никелевый цилиндр со слоем окиси металла, внутрь которого вставлена подозревающая этот цилиндр спираль или петля (нить) накала. Лампы, в которых применяются подогревные катоды, называются лампами с косвенным накалом. Такие лампы начинают работать лишь через 30—40 сек после включения.
Простейшая схема выпрямления переменного тока в постоянный с применением кенотрона дана на рис. 16,13, а. Анод кенотрона присоединен к одному зажиму трансформатора, а катод его — к другому зажиму трансформатора через приемник энергии 77. Так как лампа пропускает ток только в одном направлении, то через приемник проходит только одна полуволна тока (кривая i), причем тогда, когда зажим трансформатора, соединенный с анодом лампы, имеет положительный потенциал. Для поддержания тока в приемнике в течение второй половины периода, т. е. непрерывно (кривая ii), параллельно приемнику включают конденсатор С, который во время прохождения тока через кенотрон заряжается, а разряжается на приемник во вторую часть периода.
300
выпрямления и кривые тока.
а — однополупериодного; б — двухполупериодного
Для выпрямления отдельных полуволн переменного тока в схему включают два кенотрона или один кенотрон с дву-мя анодами (рис. 16,13,6). При таком выпрямлении в течение одного полупериода ток идет в приемник через один анод (один кенотрон), а в течение второго полупериода — через другой анод (другой кенотрон). При этом также получается пульсирующий ток. Для уменьшения этих пульсаций применяют так называемый сглаживающий фильтр, состоящий из реактивной катушки L, включенной последовательно с приемником, и двух конденсаторов С\, включенных параллельно приемнику. Конденсаторы, заряжаясь в те доли периода, когда напряжение на выходе выпрямителя возрастает, и разряжаясь затем на нагрузку, заполняют провалы в кривой выходного напряжения. Катушка
же, создавая большое сопротивление для переменной составляющей выпрямленного тока, уменьшает ее величину и тем самым сглаживает пульсацию тока. В результате в приемнике получается практически постоянный ток (кривая /).
Основной характеристикой, определяющей работу кенотрона, является вольтамперная характеристика, представляющая собой зависимость анодного тока /а от анодного
Рис. 16.14. Вольтамперная характеристика кенотронов
301
Рис. 16,15. Внешний вид некоторых кенотронов
Напряжения Ua при постоянном токе накала /„(рис. 16,14). Эти кривые показывают, что вначале, с увеличением анодного напряжения, ток в анодной цепи резко увеличивается, но, достигнув некоторого предельного значения, с дальнейшим увеличением анодного напряжения почти не изменяется. Это предельное значение называется током насыщения.
Явление насыщения объясняется тем, что сначала при относительно малом анодном напряжении только часть электронов, испускаемых катодом, достигает анода, а затем по мере увеличения анодного напряжения число таких электронов растет и, начиная с некоторого значения напряжения, все электроны, покинувшие катод, попадают на анод. Так как количество электронов, испускаемых катодом, зависит только от температуры накала (тока накала), то состояние насыщения наступает тем позже, чем выше температура накала, а следовательно, чем выше ток накала.
Кенотроны изготовляются на низкие, средние и высокие напряжения (до 200 000 в), но наибольшее значение из них имеют низковольтные кенотроны. Последние изготовляются с одним или двумя анодами в стеклянной или металлической колбе (рис. 16,15) и широко применяются в различных схемах управления и регулировании электротехнических устройств.
§ 8. ИОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Наибольшее значение из ионных выпрямителей имеют газотроны, тиратроны, ртутные выпрямители и игнитроны.
Газотрон (рис. 16,16) представляет собой двухэлектродную лампу, отличающуюся от кенотрона тем, что она наполнена парами ртути или каким-либо инертным газом. Газотроны позволяют выпрямлять ток до нескольких десятков ампер и применяются главным образом в радиотехнике, в технике связи и для зарядки аккумуляторных батарей. Схемы их включения одинаковы со схемами включения кенотронов.
302
Сущность работы газотрона заключается в следующем. Электроны, испускаемые накаленным катодом К, сталкиваясь на своем пути с нейтральными молекулами газа, ионизируют их. Под действием электрического поля ионы идут к катоду, а электроны— к аноду. Кроме того, ионы нейтрализуют отрицательный заряд вблизи катода, снижают падение напряжения в лампе и способствуют увеличению эмиссии. В результате этого значительно возрастает анодный ток, обусловливаемый наличием как электронов, так и положительных ионов.
Основными недостатками газотронов являются: большая чувствительность к перегрузкам и необходимость предварительного подогрева катода до нормальной тем
Рис. 16,16. Газотрон
пературы.
Тиратроном называется газотрон, снабженный третьим электродом сеткой (рие. 16,17). Его действие аналогично действию газотрона, только сетка в нем играет роль двери,
Рис. 16,17. Тиратрон, его схема и кривые напряжения
303
запирающей или отпирающей проход для анодного тока. Если на сетку подать отрицательный потенциал, то электроны, излучаемые катодом, будут отталкиваться назад к катоду и газ не будет ионизироваться. Но при некотором значении потенциала сетки часть электронов, скорость которых достаточна для прохождения через сетку, ионизирует газ и в приборе вместо электронного тока возникает ионный ток — тиратрон зажигается. После этого сетка перестает влиять на анодный ток, так как она покрывается слоем положительных ионов, нейтрализующих отрицательный заряд сетки Следовательно, напряжением на сетке можно регулировать только момент зажигания тиратрона. Это напряжение сетки называется напряжением зажигания тиратрона.
Очевидно, что если тиратрон включить в качестве выпрямителя переменного тока, то он будет гореть только при положительном потенциале на аноде, т. е. в течение каждого периода он будет один раз зажигаться и один раз гаснуть. Поэтому, подавая на сетку переменное напряжение той же частоты, что и анодное, но сдвинутое относительно него на угол ф, можно заставить тиратрон зажигаться только тогда, когда напряжение на сетке Uc будет меньше напряжения зажигания или равно ему. В эти моменты тиратрон будет вспыхивать и горсть до конца полупериода. Таким образом, изменяя фазу сеточного напряжения тиратрона, например, при помощи фазорегулятора, можно регулировать продолжительность и величину среднего значения выпрямленного тока и напряжения.
ГЛАВА 17
УСИЛИТЕЛИ И ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
§ 1. ТРЕХЭЛЕКТРОДНАЯ ЛАМПА
Под усилителями понимаются электрические машины и приборы, предназначенные для усиления небольших мощностей тока, причем это усиление обычно производится за счет расхода механической или электрической энергий.
Усилители разделяются на две основные группы: статические и вращающиеся. Статические усилители в свою очередь делятся на электронные и магнитные, причем из электронных усилителей наиболее широко применяется трехэлектродная лампа.
Трехэлектродная лампа, называемая также триодом, отличается от кенотрона наличием третьего электрода в виде проволочной сетки, расположенной между катодом и анодом на пути движения электронов. На рис. 17,1 показаны схема включения и общий вид трехэлектродной лампы.
Сетка в лампе при относительно небольших изменениях потенциала на ней позволяет регулировать в широких пределах поток электронов, создающий анодный ток лампы. Если на сетку подавать отрицательный потенциал, то она зарядится отрицательно, благодаря чему электроны, испытывая отталкивающее действие сетки, будут затормаживаться и часть из них (более медленные) возвратится к катоду. В результате анодный ток, проходящий по цепи, уменьшится. Увеличивая отрицательный потенциал сетки, можно анодный ток свести к нулю, или, как говорят, «запереть лампу». Наоборот, когда на сетку подается положительный потенциал, скорость электронов увеличивается, большее их количество достигает анода, и тем самым увеличивается анодный ток до возможно максимального значения.
20—2)07 305
Таким образом, меняя потенциал сетки, можно при неизменном анодном напряжении и постоянном сопротивлении цепи в широких пределах изменять величину анодного тока. Если же на сетку подавать переменное напряжение, то в цепи будем получать пульсирующий ток. Это свойство лампы широко применяется в радиотехнике, телемеханике,
Рис. 17,1. Трехэлектродная лампа и схема ее включения радиолокации для усиления электрических колебаний, в частности для усиления тока в анодной цепи и для получения тока высокой частоты. В первом случае лампа работает как усилитель, а во втором как генератор электрических колебаний.
Сущность работы трехэлектродной лампы как усилителя состоит в том, что при помощи слабых колебаний в сеточной цепи получают аналогичные по форме, но значительно большие по величине колебания в анодной цепи. Так, например, способность трехэлектродной лампы усиливать электрические колебания используется в телефонном усилителе, принципиальная схема которого изображена на рис. 17,2. Электрические колебания, возбуждаемые при разговоре перед микрофоном М, пройдя через входной трансформатор, поступают на сетку лампы. Под влиянием колебаний на сетке возникают колебания в анодной цепи лам-306
пы в десятки и сотни раз сильнее, чем колебания, которые поступили на сетку. Эти усиления происходят за счет энергии анодной батареи, питающей лампу. Далее усиленные колебания, пройдя через выходной трансформатор, направляются по линии к телефону Т.
Колебания, усиленные электронной лампой
Д П fl П Выхо^но^ тРонсФ°РматоР
II II II и и и
Колебания, подВоВи-мые к электронной лампе.
Батарея
11 Входной '1 г Н
трансформатор Ч1111 г
Рис. 17,2. Схема усиления электрических колебаний лампой
Усилительные свойства лампы характеризуются коэффициентом усиления, под которым понимают отношение изменения анодного напряжения Д6/а к такому изменению сеточного напряжения Af7c, при котором анодный ток 7а не изменяется, т. е.
^=4^ ПРИ 4 = const.
В настоящее время для более эффективного управления потоком электронов в лампе применяют несколько сеток.
§ 2. ЭЛЕКТРОМАШИН НЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Электромашинный усилитель, известный также под названием электромеханического усилителя или амплидина, представляет собой генератор постоянного тока с независимым двухступенчатым возбуждением. Схема такого генератора приведена на рис. 17,3. Как видно из схемы, на коллектор якоря наложены две пары щеток: щетки по
20» 307
FP
Рис. 17,3. Схема элек-тромашинного усилителя
продольной оси Л( —Л2 и щетки по поперечной оси гц— а2, замкнутые накоротко.
На полюсах станины имеются три (иногда и более) обмотки: обмотка возбуждения В, служащая для создания магнитного потока Фь компенсационная обмотка К, предназначенная для компенсации реакции якоря, создаваемой и обмотка управления У, включаемая в цепь, откуда необходимо получить тот или иной импульс, воздействующий на работу усилителя.
Рассмотрим принцип работы машинного усилителя. Пусть по обмотке возбуждения проходит ток 1Я. Этот ток создает магнитный поток Ф\, направленный от одного полюса к другому. При вращении якоря в этом потоке в его обмотке возникает э. д. с. Ея с максимумом на щетках cti — а2. Но эти щетки замкнуты накоротко, и поэтому по обмотке якоря потечет ток, в десятки раз больший тока возбуждения /в, так как сопротивление якоря незначительно. Ток, проходя по обмотке якоря, создает неподвижный магнитный поток Ф2, направленный попе
рек потока Ф1 и значительно превышающий его по величине. Соответственно этому потоку в обмотке якоря наводится э. д. с. Ен с максимумом на щетках At —А2, так как они оказались на нейтрали потока Ф2. Если эти щетки замкнуть на какую-либо нагрузку, то по цепи потечет большой ток /н. Поток якоря, создаваемый этим током, компенсируется потоком обмотки К, которая включена последовательно в цепь нагрузки. Следовательно, первичный поток Ф\ не зависит о г тока /н и, значит, от отдаваемой генератором мощности.
Таким образом, можно сделать заключение, что элек-тромашинный усилитель действительно имеет двухступенчатое возбуждение — цепь обмотки В и короткозамкнутую цепь якоря; соответственно этому происходит двухступенчатое усиление мощности. На первой ступени (цепь возбуждения — короткозамкнутая цепь якоря) происходит усиление мощности Р1 = 1ЛК до мощности Р2 = ЕЯ1Я, а на второй ступени (короткозамкнутая цепь якоря — цепь нагрузки) — МОЩНОСТИ Р2 = ЕЯ1Я ДО МОЩНОСТИ Р3 = L'tJu-308
Отношение мощности, отдаваемой усилителем во внешнюю цепь, к мощности возбуждения называется коэффициентом усиления электромашинного усилителя, т. е.
/х Р* Рг Рз 17 17
А у — ’ р. Ау1Ау2.
где /бу1, /бу2 — коэффициенты усиления первой и второй ступеней.
Коэффициент усиления усилителя может достигать огромных величин (примерно 100000), но, как правило, он не превышает 10 000, причем всегда меньше /бу2. Так, например, при /бу =8000, /<у1 = 40 и /<у2 = 200.
Большой коэффициент усиления возможен благодаря специальной конструкции магнитной системы машины В частности, полюсы делаются более массивными, чем в обычных генераторах с независимым возбуждением, полюсные наконечники занимают большую дугу и набираются из мягкой электротехнической стали. Следует иметь в виду, что усиление мощности электрической энергии в данной установке происходит за счет расхода механической энергии на валу машины.
Электромашинные усилители широко применяются в тех электроустановках, где необходимо поддерживать постоянство тока, напряжения, скорости вращения и т. д. Они также применяются в качестве возбудителей генераторов и двигателей постоянного тока и возбудителей синхронных генераторов.
На рис. 17,4,а изображена схема для поддержания постоянства тока. Обмотки управления У и возбуждения В включены так, что их магнитные потоки направлены навстречу друг другу. При увеличении тока /г усиливается встречное действие обмотки У и, следовательно, уменьшается результирующий магнитный поток усилителя. Это уменьшение вызывает уменьшение напряжения на зажимах усилителя и уменьшение тока в обмотке возбуждения генератора /в, вследствие чего уменьшается напряжение на зажимах генератора, а следовательно, и ток /г доводится до прежней величины. Наоборот, при уменьшении тока /г магнитный поток обмотки У увеличивает результирующий поток усилителя, что приводит к увеличению напряжения на зажимах усилителя и тока в обмотке возбуждения генератора, т. е. ток поддерживается прежней величины.
На рис. 17,4,6, приведена схема для поддержания постоянства напряжения. Отличие ее от предыдущей схемы
309
Рис. 17,4. Схемы генератора с ЭМУ: а — для стабилизации тока; б — для стабилизации напряжения
состоит в том, что обмотка управления У реагирует не на изменения тока, а на изменения напряжения на зажимах генератора.
§ 3. МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Магнитные усилители представляют собой статические электромагнитные аппараты, позволяющие при помощи небольшой величины постоянного тока управлять большими величинами переменного тока. Магнитные усилители полу
чили широкое применение
Рис. 17,5. Схема дроссельного магнитного усилителя
в многочисленных схемах автоматического регулирования, управления и контроля. Из-за отсутствия движущихся частей они надежны, выдерживают значительные перегрузки и почти не требуют ухода.
Устройство простейшего магнитного усилителя схематично показано на рис. 17,5. Усилитель состоит из трехстержневого сердечника /, изготовленного из ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью, на котором помещены управляющая обмотка постоянного тока 3 и
310
управляемая обмотка переменного тока 2, состоящая из двух секций. Сущность работы усилителя состоит в том, что изменением постоянного тока, называемого током подмагничивания, меняется магнитная проницаемость сердечника, что в свою очередь вызывает изменение индуктивности, а следовательно, и индуктивного сопротивления управляемой обмотки переменного тока. В результате этого меняется ток в цепи управляемой обмотки, так как величина его определяется в основном величиной индуктивного сопротивления цепи xL.
Действительно, если увеличить ток подмагничивания, то будет расти постоянный магнитный поток Фо, разветвляю-
щийся из среднего по двум крайним стержням сердечника. В том из стержней, где постоянный Фо и переменный Ф1 потоки в данный полупериод совпадают по направлению, происходит насыщение железа (магнитное насыщение) и уменьшение индуктивности катушки. Индуктивность же катушки, сидящей на втором
Рис. 17,6. Кривые, характеризующие работу магнитного
стержне, увеличивается, но это увеличение индуктивности не
компенсирует уменьшения ин- усилителя
дуктивности первой катушки.
В результате общая индуктивность катушек, включенных в
цепь переменного тока, уменьшается, а ток в цепи этих катушек увеличивается. При уменьшении тока подмагничи
вания индуктивность катушек увеличивается, а ток в цепи этих катушек уменьшается. Это объясняется нелинейным характером намагничивания ферромагнитного сердечника, т. е. магнитная проницаемость сердечника, как уже говорилось выше, мала при малых значениях напряженности, при средних значениях она достигает своего максимума, а при насыщении сердечника становится совсем незначительной. На рис. 17,6 показаны кривые изменения магнитной индукции В сердечника усилителя, индуктивности L и тока / в зависимости от изменения тока подмагничивания.
311
Таким образом, величина переменного тока, протекающего в управляемой обмотке, в конечном итоге будет определяться величиной магнитной проницаемости сердечника, которую можно изменять изменением напряженности магнитного поля, создаваемого постоянным током подмагничивания.
Коэффициент усиления, или, иначе, коэффициент управления магнитного усилителя, определяется отношением управляемой мощности переменного тока к управляющей мощности постоянного тока, т. е.
.. Рпер
В рассматриваемых усилителях, если сердечники сделаны из высококачественной стали и частота переменного тока 50 гц, коэффициент усиления достигает 50—250. Однако он может быть увеличен путем применения так называемой обратной связи. Для этого некоторая часть тока управляемой обмотки выпрямляется и подается на специальную дополнительную обмотку, магнитное поле которой, подмагничивая сердечник, позволяет уменьшить мощность, затрачиваемую в обмотке управления. Благодаря этому коэффициент усиления по мощности у магнитных усилителей достигает 10 000.
Укажем, что магнитные усилители изготовляются мощностью от нескольких десятков ватт до нескольких сотен киловатт. Как правило, чем больше мощность усилителя, тем выше его коэффициент усиления.
§ 4. ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
В современной электротехнике для преобразования энергии света в постоянный электрический ток широко применяются так называемые фотоэлементы. Они основаны на принципе излучения электронов с поверхности некоторых металлов (цинк, натрий, цезий и т. д.) при падении света на эту поверхность. Такое явление обычно называется фотоэффектом. Объясняется оно следующим образом. Лучи света, несущие энергию, при поглощении их поверхностью металла вырывают из вещества свободные электроны, которые и вылетают в окружающую среду. Фотоэлементы широко применяются в современных устройствах для передачи изображений на расстояние, в звуковом кино, в авто-312
матике и в ряде других устройств. Первый фотоэлемент построил русский физик А. Г. Столетов
Устройство фотоэлемента схематически показано на рис. 17,7,а. Он так же, как и электронная лампа, состоит из стеклянной колбы, внутри которой создан вакуум. Внутренняя поверхность колбы, за исключением небольшого круглого отверстия (окна), служащего для пропускания
Рис. 17,7. Фотоэлементы: а — вакуумный; б — схема его работы; в — селеновый
света, покрывается слоем серебра, на который наносится тонкий слой светочувствительного металла, в частности натрия, калия или цезия. Металлический слой служит катодом К фотоэлемента, он снабжен выводом, впаянным в стекло. В центре колбы, против окна, помещается металлический анод А, имеющий форму кольца или диска.
При наличии некоторого напряжения на фотоэлементе (рис. 17,7,6) между анодом и катодом создается электрическое поле. Свет от какого-либо источника, падая через окно фотоэлемента на внутреннюю поверхность колбы, вырывает электроны с этой поверхности. Электроны, покинувшие катод под влиянием электрического поля, начинают двигаться
313
к аноду фотоэлемента, создавая электрический ток в цепи. С прекращением доступа света внутрь колбы прекращается прохождение тока в цепи.
Величина тока, пропускаемая фотоэлементом при действии на него единицы светового потока — люмена, называется чувствительностью фотоэлемента. Пустотные фотоэлементы обладают чувствительностью 25—50 мка/лм. Для увеличения чувствительности колба фотоэлемента наполняется инертным газом (аргоном, неоном). Поток первичных электронов, двигаясь с большой скоростью, ионизирует газ, благодаря чему чувствительность фотоэлемента возрастает до 50—75 мка/лм.
Отметим, что рассмотренный фотоэлемент называется фотоэлементом с внешним фотоэффектом. Существуют фотоэлементы и с внутренним фотоэффектом, в которых действие света или сильно уменьшает сопротивление самого фотоэлемента, или вызывает возникновение э. д. с. Наибольшее распространение из них получили последние. К таким фотоэлементам относятся меднозакисные и селеновые фотоэлементы. Они имеют ту же структуру, что и полупроводниковые выпрямители, поэтому их часто называют фотоэлементами с запирающим слоем. Свет, падающий на полупрозрачную поверхность закиси меди или селена (рис. 17,7,в), возбуждает э. д. с. Электрический ток при замкнутой внешней цепи имеет направление от закиси меди к меди и от селена к стальной шайбе. Чувствительность селеновых фотоэлементов с запирающим слоем достигает 2000 мка/лм и большей величины.
РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ
КАНАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ГЛАВА 18
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
§ I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Система производства, распределения и потребления электрической энергии называется электроэнергетической системой. Корабельная электроэнергетическая система, как и всякая система, состоит из трех основных элементов: 1) электрической станции, 2) электрической сети и 3) потребителей электрической энергии.
Совокупность первичных двигателей, электрических генераторов и ряда вспомогательных устройств, находящихся в одном помещении корабля, называется корабельной электрической станцией.
Схема последовательного движения электрической энергии от электрических генераторов до потребителей называется схемой канализации электрической энергии или схемой канализации тока. На рис. 18,1 представлена в общем виде схема канализации электрической энергии на корабле. От генератора Г электрическая энергия идет к главному распределительному щиту 1, затем по магистральным кабелям 2 к распределительным щитам 3, откуда по питательным кабелям 4, называемым фидерами, идет к потребителям 5. Кабели, по которым электрическая энергия передается от генераторов к приемникам, являются своего рода каналами для передвижения энергии. Отсюда и происходит слово «канализация», по смыслу охватывающее все виды передачи и распределения электрической энергии по кораблю.
Система, состоящая из кабелей и распределительных устройств, с помощью которых электрическая энергия
315
передается от генераторов к потребителям, называется электрической сетью.
Потребителями электрической энергии называются все машины, приборы и аппараты, потребляющие электрическую энергию.
Совокупность всех электротехнических устройств, установленных на корабле, называется корабельным электрооборудованием. При работе электрооборудования различают три характерных номинальных режима работы — продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.
Рис. 18,1. Общая схема канализации электроэнергии
Продолжительный номинальный режим работы — такой режим, при котором электрооборудование работает неограниченное время, причем температура его частей не превышает допустимого предела.
Кратковременный номинальный режим работы — такой режим, при котором электрооборудование работает в течение указанного на щитке этого электрооборудования времени, причем температура его частей не превышает допустимого предела.
Повторно-кратковременный номинальный режим работы — такой режим, при котором электрооборудование работает с относительной продолжительностью рабочего периода, указанной на щитке неограниченное время, причем температура его частей не превышает допустимых пределов.
316
Относительной продолжительностью рабочего периода называется отношение времени рабочего периода к суммарному времени работы и паузы.
На современных кораблях в качестве основного тока, как правило, применяется трехфазный переменный ток и только на кораблях относительно старой постройки и на специальных кораблях, например подводных лодках, применяется постоянный ток. Питание отдельных потребителей, которые требуют ток, отличный от основного, осуществляется от соответствующих преобразователей.
Основными стандартными напряжениями корабельных энергетических систем являются: а) в системах переменного тока — 24, 127, 220 и 380 в; б) в системах постоянного тока — 24, 110 и 220 в. Для компенсации потери напряжения в сетях стандартные напряжения у генераторов примерно на 5% больше, чем у потребителей.
§ 2. УСЛОВИЯ РАБОТЫ КОРАБЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕМУ
Условия работы корабельного электрооборудования имеют ряд специфических особенностей, а именно: 1) установка электромеханизмов и прокладка кабелей на металлическом основании и по металлическим частям корабля, которые представляют собой хороший проводник; 2) высокая влажность и действие морской воды; 3) воздействие (во время боя) различных типов взрывов; 4) сотрясения от работы механизмов, работы винтов и качки; 5) наличие высокой температуры, взрывчатых веществ, нефтепродуктов и масел в ряде отсеков корабля. Кроме того, корабль насыщается многочисленной и разнообразной техникой, что создает трудности в размещении и обслуживании электрооборудования.
Эти обстоятельства вынуждают предъявлять к корабельному электрооборудованию требования высокой электрической и механической прочности, влагостойкости, теплостойкости и т. д. Основными же требованиями, которые предъявляются к электрооборудованию корабля, являются:
1. Живучесть и достаточная надежность работы. Под живучестью корабельного электрооборудования понимается стойкость его к повреждениям и способность к возможно быстрому восстановлению автоматически или
317
личным составом корабля, а под надежностью — способность электрооборудования безотказно работать на корабле при соблюдении личным составом всех правил эксплуатации и действующих инструкций.
Живучесть электрооборудования обеспечивается следующими мероприятиями: а) установкой резерва мощности генераторов; б) дроблением мощности генераторов и распределительных устройств; в) рациональным размещением электростанций и основных трасс кабелей; г) схемой соединения электростанций; д) дублированием подводов питания к важным электромеханизмам и размещением их в наиболее защищенной части корабля; е) применением специальных конструктивных форм исполнения для наиболее важного электрооборудования, применением защитной амортизации, а также применением по возможности негорючих и огнестойких материалов; ж) обучением личного состава борьбе с повреждениями и обеспечением его эффективными средствами борьбы.
Надежность работы электрооборудования обеспечивается: а) конструктивным устройством электрооборудования, т. е. все элементы должны иметь прочную и достаточно жесткую конструкцию; б) применением в качестве изоляции тепло-, влаго- и маслостойких материалов; в) усиленным креплением электрооборудования, его рациональным размещением, отвечающим наименьшему влиянию качки, а также большой уравновешенностью подвижных частей электромеханизмов.
2. Минимальные веса и габариты элементов электрооборудования. Уменьшение веса и габаритов достигается использованием высококачественных материалов и специальных конструкций.
3. Простота эксплуатации электрооборудования и безопасность его обслуживания.
По форме исполнения электрооборудование, устанавливаемое на корабле, как правило, разделяется на электрооборудование защищенного, брызгозащищенного, водозащищенного, герметического и взрывобезопасного исполнения.
Защищенным электрооборудованием считается электрооборудование, защищенное от попадания внутрь посторонних предметов и от случайных прикосновений к токоведущим и вращающимся частям; брызгозащищенное электрооборудование — электрооборудование, защищенное от попадания воды внутрь корпуса; водозащищенное электро-318
оборудование — электрооборудование, защищенное от попадания воды внутрь корпуса при полном обливании его водой; герметическое электрооборудование — электрооборудование, приспособленное для работы под водой в затопленных помещениях; взрывобезопасное электрооборудование — электрооборудование, защищенное от распространения взрыва за пределы корпуса.
§ 3. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
В качестве основных источников электроэнергии на надводных кораблях, оборудованных на переменном токе, применяются синхронные генераторы, а на кораблях, оборудованных на постоянном токе,— генераторы смешанного возбуждения. • В качестве вспомогательных источников электрической энергии применяются аккумуляторы. На подводных лодках основными источниками электроэнергии являются аккумуляторы и гребные электродвигатели, работающие в режиме генератора.
Общая мощность корабельных генераторов определяется исходя из суммарной мощности электромеханизмов, работающих в наиболее важном боевом режиме корабля, и величины резерва мощности источников питания.
По назначению генераторы, как правило, разделяются на основные и стояночные. Общая мощность основных генераторов обеспечивает все потребности корабля в боевом режиме. Стояночный генератор работает на стоянке корабля на якоре и устанавливается с целью повышения экономичности установки корабля и сохранения основных генераторов.
По первичному двигателю корабельные генераторы разделяются на турбогенераторы и дизель-генераторы. На кораблях с паросиловыми установками, как правило, устанавливаются и турбогенераторы, и дизель-генераторы, причем мощность дизель генераторов обычно составляет не менее 50—75% мощности турбогенераторов. Это делается для того, чтобы в случае выхода из строя паросиловой установки корабль не остался без электроэнергии. На кораблях с дизельными установками устанавливаются дизель-генераторы.
Число генераторов выбирается исходя из потребляемых мощностей в различных режимах корабля с учетом живучести и надежности электроэнергетической системы, экономичности работы генераторов, простоты управления и
319
обслуживания, а также рационального размещения гене' раторов в помещениях корабля. Обычно на корабле устанавливаются не менее двух и не более двенадцати генераторов.
Для большей живучести электроэнергетической системы генераторы устанавливаются в нескольких помещениях, расположенных в различных частях корабля, образуя ряд автономных станций. Турбогенераторы устанавливают в машинных отделениях и в помещениях, смежных с ними, а дизель-генераторы — в различных помещениях корабля с учетом обеспечения живучести электроэнергетической системы. Другими словами, корабль может иметь как турбогенераторные, так и дизель-генераторные электростанции. Однако на отдельных кораблях может быть смешанный вариант электростанций.
§ 4. ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Потребители электроэнергии корабля в соответствии с их назначением служат для преобразования электроэнергии в механическую, тепловую, химическую и другие виды энергии. По назначению они разделяются на следующие основные группы: а) электромеханизмы и электросистемы вооружения; б) палубные электромеханизмы — рулевые, якорные, шпилевые и др.; в) электромеханизмы гребной установки — машинная вентиляция, валоповоротные устройства, насосы и др.; г) электромеханизмы корабельных систем и устройств — вентиляционные, рефрижераторные, системы орошения и затопления и др.; д) осветительные установки — электрическое освещение, сигнально-отличительные огни, прожекторы; е) установки связи и управления — радиостанции, телеграфы, электронавигационные приборы, телефоны, звонки и др.; ж) бытовые электроустройства и прочие электромеханизмы и приборы.
По степени обеспечения питанием все потребители электроэнергии разделяются на две основные группы: 1) потребители, имеющие боевое значение и обеспечивающие ход корабля, и 2) потребители второстепенного значения, обеспечивающие бытовые нужды корабля.
Потребителями первой группы являются электромеханизмы вооружения, радиолокационные и гидролокационные установки, приборы управления стрельбой и кораблем, радиостанции, водоотливные и противопожарные средства, 320
освещение и вентиляция служебных помещений, насосы и компрессоры, рулевые устройства, рефрижераторные установки и ряд палубных механизмов. Эти потребители обеспечиваются питанием не менее чем от двух электростанций или от двух распределительных щитов, расположенных побортно, причем один из них подключен к турбогенератору, а другой — к дизель-генератору.
Потребителями второй группы являются вентиляторы бытовых помещений, бытовые электронагревательные приборы, электромеханизмы мастерской, камбуза, прачечной и пр. Эти потребители, как правило, получают питание от одного распределительного щита отсека.
§ 5. МОРСКИЕ КАБЕЛИ И ПРОВОДА
На кораблях для передачи электроэнергии от источников к потребителям применяются морские кабели и провода, т. е. кабели и провода, изоляция которых отвечает специальным требованиям. В табл. 18,1 приведены некоторые марки морских кабелей и проводов, а также указана область их применения. В обозначении марки кабеля и провода буквы обозначают: К — кабель; Р — резиновый; С — освинцованный; М — морской; Н — негорючий; П— панцирный; Т — телефонный; Ш — шланговый; Г — гибкий; Б — бронированный; П — провод; В — виниловый; Л — лакированный; Э — экранированный, причем Э, стоящее в середине обозначения, указывает на экранирование отдельных жил, а в конце — на экранирование всего кабеля.
Провод или кабель морского исполнения имеют три основные части: жилу, изоляцию и защитную оболочку. Жила изготовляется из чистой электролитической меди с удельным сопротивлением 0,0175 ом/мм2 и обычно представляет собой несколько скрученных тонких проволок. В качестве изоляции применяется главным образом натуральная или синтетическая теплостойкая резина, а в качестве защитной оболочки — свинец, нейрит (специальная негорючая резина), хлопчатобумажная пряжа и железная или медная проволока в виде оплетки. Помимо этого, для пропитки и обеспечения механической ррочности применяется ряд второстепенных материалов, в частности канифоль, различные лаки, горный воск и компаундные массы.
На рис. 18,2 показано устройство трехжильных кабелей марок СРМ и КНРП. Основными частями этих кабелей
21—2107
321
Таблица 18,1
Марки кабелей и проводов, применяемых на кораблях
Марка Наименование Область применения
КНРП Кабели Кабель с резиновой изо- Для неподвижной про-
КНРЭ ляцией, в негорючей шланговой оболочке, с оплеткой из стальных проволок То же, но с оплеткой из кладки в силовых и осветительных установках, где возможны незначительные растягивающие усилия и другие механические воздействия То же, но для прокладки
КНРТП медпых проволок То же, но с оплеткой из в местах, требующих экранирования кабелей Для неподвижной про-
КНРТЭ стальных проволок То же, но с оплеткой из кладки в телефонных установках при возможности незначительных механических воздействий То же, но для прокладки
КНРЭТП медных проволок Кабель с резиновой изо- в местах, требующих экранирования кабелей То же, но для прокладки
КНРЭТЭ ляциеп, экранированными жилами, в негорючей шланговой оболочке, с оплеткой из стальных проволок То же, но с оплеткой из в местах, требующих экранирования отдельных жил кабеля То же, для прокладки в местах, требующих экранирования отдельных жил и всего кабеля Для неподвижной про-
СРМ медных проволок Кабель с резиновой изо-
ИРМ ляциеп, освинцованный, голый Кабель с резиновой изо- кладки в силовых и осветительных установках при отсутствии внешних механических воздействий То же, в установках при
РШМ ляцией, в негорючей шланговой оболочке Кабель с резиновой изо- отсутствии внешних механических воздействий Для прокладки к под-
HPIBM ляцией, гибкий, в резиновой шланговой оболочке То же, но в негорючей внжным токоприемникам То же, но при наличии
резиновой оболочке температурных воздействий и масла
322
Продолжение
Марка Наименование Область применения
НРТМ Кабель с резиновой изоляцией, в негорючей шланговой оболочке Для неподвижной прокладки в телефонных установках при отсутствии внешних механических воздействий
НРЭТМ То же, но с экранированными жилами То же, но в местах, требующих экранирования отдельных жил кабеля
ковэ Кабель с полихлорвиниловой изоляцией, экранированный, в шланговой поли-хлорвнниловой оболочке Провода и шнуры Для неподвижной прокладки в силовых и осветительных установках малых судов
РМ Провод с резиновой изоляцией, в пропитанной оплетке из хлопчатобумажной пряжи Для неподвижной прокладки в силовых и осветительных установках в сухих помещениях
РГМ То же, но гибкий То же, но в местах, где требуется большая гибкость провода
ПРТМ Провод с резиновой изоляцией, в хлопчатобумажной оплетке Для неподвижной прокладки в телефонных установках в сухих помещениях
ЛПРГС Провод с резиновой изоляцией, в хлопчатобумажной лакированной оплетке Для неподвижной прокладки на катерах при напряжении до 36 в
ЛПРГСЭ То же, но экранированный То же, но в местах, требующих экранирования провода
пвл Провод с резиновой изоляцией, высоковольтный, в лакированной хлопчатобумажной оплетке Для соединения приборов зажигания в двигателях внутреннего сгорания и в цепях эхолотов
пвлэ То же. но экранированный То же, по в местах, требующих экранирования
ЫIBJ1 Провод с поли хлорвиниловой изоляцией, в хлопчатобумажной оплетке, лакированный Для прокладки на катерах при напряжении до 24 в
Ы1ВЛЭ То же, но экранированный То же, но в местах, требующих экранизации
ШРМ Шнур резиновый, морской Для настольных ламп, вентиляторов и т. п.
ШРШМ Шнур резиновый, шелковый, морской То же
21*
323
являются токоведущие жилы 1, каждая из которых скручена из тонких медных проволок и покрыта слоем изоляционной резины 2. У кабеля СРМ поверх резины намотана прорезиненная миткалевая лента 3. Пространство между жилами заполнено волокнистым материалом 4, поверх которого намотана прорезиненная лента 5. Снаружи кабель покрыт защитной свинцовой оболочкой 6. Между жилами кабеля КНРП имеется заполнитель в виде резиновых жгутов 7. Изолированные жилы с заполнителем заключены в
а
Рис. 18,2. Устройство морских кабелей: а — марки СРМ; б — марки КНРП
защитную оболочку 8, поверх которой намотана прорезиненная лента 5. На последнюю плотно наложен панцирь 9 из стальной или медной проволоки, т. е. металлическая оплетка.
Жилы многожильных кабелей, начиная с трех, нумеруются цифрами, расположенными на жиле на расстоянии примерно 25 мм друг от друга. В кабелях с любым количеством жил одна жила может быть не маркирована.
Морские кабели и провода, имея высокую электрическую прочность, в одинаковой мере пригодны для всех применяемых на корабле напряжений.
Прокладка кабелей и проводов
Условия работы и места прокладки кабелей и проводов определяют применение той или иной марки провода и ак” беля. Так, например, на верхних палубах, во всех откры-324
тых и сырых местах, машинных и котельных отделениях, трюмах, в местах, где изоляция может подвергнуться разрушающему действию масел, кислот и высокой температуры, а также в помещениях, которые могут быть затапливаемы, применяются только кабели марок СРМ или КНРП, причем, если прокладки неподвижны. Если же прокладки подвижны, ввиду чего требуются повышенная гибкость и механическая прочность на истирание, то применяются кабели марки РШМ. В сухих помещениях, не подверженных опасности затопления, могут применяться провода марки РМ и РГМ. Для присоединения настольных
Рис. 18,3. Конструкции кабельных кассет
вентиляторов, ламп и других мелких бытовых приборов в сухих помещениях применяются шнуры.
На кораблях укладка кабелей и проводов ведется: й) по специальным панелям; б) по скобам, привариваемым к корпусу; в) непосредственно по переборкам; г) в специальных кабельных кассетах (рис. 18,3), устанавливаемых на деталях корпуса корабля. Последний способ наиболее удобен, и поэтому в большинстве случаев он и применяется.
Крепление кабелей к переборкам производится оцинкованными скобами или скобами из легкого некоррозийного сплава, укрепленными винтами (рис. 18,4). Кабель под скобой обертывается прессшпаном, прорезиненной лентой или резиной. Несколько параллельно идущих кабелей укладываются рядом и крепятся общей скобой. Прокладка кабелей сильного и слабого тока под общими скобами не разрешается.
325
Рис. 18,4. Крепление кабелей скобами
Проход кабелей через водонепроницаемые переборки корабля осуществляется с помощью проходных кабельных коробок с заливочной уплотнительной массой (рис. 18,5, а) и при помощи водонепроницаемых сальников (рис. 18,5,6). Сальник состоит из корпуса, гайки, нажимных колец и резиновой прокладки. Кабель протаскивается через сальник и переборку. При ввинчивании гайки она давит на нажимное кольцо и резиновую прокладку, надежно осуществляя этим водонепроницаемость места прохода кабеля.
Проходы через палубы осуществляются с помощью труб с сальниками или с помощью стояков труб. На рис. 18,6 показаны оба эти способа. Трубы служат защитой от механических повреждений. Применяются также кабельные кассеты.
Прокладка кабелей через помещения боеприпасов и через те помещения, где могут скапливаться взрывоопасные газы, производится по специальным правилам.
Рис. 18,5. Прокладка кабелей через водонепроницаемые переборки: а — с помощью кабельных коробок; б — с помощью сальников
326
Рис. 18,6. Прокладка
кабелей в газовых трубах
Для отыскания цепей однородных приборов или механизмов в местах прохода через переборку кабелей сальники последних окрашиваются в различные цвета, а на кабеле накрашиваются кольца различного цвета. Арматура корабельной сети также имеет условные обозначения.
На ipuc. 18,7 показано крепление кабелей в помещениях в кабельных кассетах, а также проходы кабелей через водонепроницаемые переборки и палубы. Для защиты личного состава от поражения током при пробое изоляции кабелей их оболочки заземляются.
Рис. 18,7. Укладка кабелей с помощью кассет
327
Выбор проводов и кабелей
Сечение проводов и кабелей из условия нагрева обычно выбирается по специальным таблицам в соответствии с номинальным (рабочим) током установки таким образом, чтобы длительно допустимый ток провода или кабеля /доп был всегда больше номинального тока /и или равен ему. В табл. 18,2 приведены наибольшие допускаемые токи для морских проводов и кабелей при продолжительной работе.
Таблица 18,2
Нормы длительных нагрузок на морские кабели и провода
Сечение жил кабеля, мм2 Допустимая длительная нагрузка на кабели СРМ и провода РМ. а Допустимая длительная нагрузка на кабели КНРП, а
одножильные двухжильные трехжильные одножильные двухжильные трехжильные
0,75 10 10 10 12 12 12
1 11 11 11 16 16 14
1,5 16 16 16 21 20 18
2,5 21 21 21 28 27 24
4 27 27 27 37 36 32
6 35 35 35 47 45 40
10 47 47 47 66 60 55
16 80 78 60 88 79 70
25 100 98 79 118 100 95
35 135 115 97 145 123 112
50 166 137 120 170 152 135
70 205 165 135 219 183 166
95 245 200 170 266 219 195
120 285 225 200 305 249 224
150 330 255 235 355 — 251
185 375 — 275 398 — 282
240 445 — 325 474 — 328
300 505/485 — 380 544/522 — 371
400 605/545 — 440 645/584 — 437
500 700/580 — — 741/614 — —
625 805/665 — — 834/695 — —
Примечание, Значение в числителе относится к постоянному току, в знаменателе — к переменному току.
Кабель, выбранный по условию нагрева, обычно проверяется на потерю напряжения.
ГЛАВА 19
КОРАБЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ
§ 1. ДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Электрические сети включают в себя всю систему электрической проводки и все виды распределительных устройств. Сеть, соединяющая генераторы, главные распределительные щиты и распределительные щиты, называется первичной электрической сетью, а сеть, соединяющая распределительные щиты с потребителями, называется вторичной электрической сетью.
Электрическая сеть корабля в зависимости от выполняемых функций разделяется также на основную и распределительную. Основной сетью называется сеть, соединяющая генераторы с главными распределительными щитами и последние между собой, а распределительной — сеть, соединяющая главные распределительные щиты с распределительными щитами и потребителями. Распределительная сеть в свою очередь делится на силовую сеть и сеть освещения. Кроме того, на корабле имеются специальные сети, которые, как правило, получают питание от силовой сети через соответствующие преобразователи тока.
§ 2. РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Под распределительным устройством понимается система, состоящая из металлического каркаса с панелями и смонтированными на них шинами, коммутационными аппаратами, измерительными и сигнальными приборами, защитными и другими устройствами, электрически соединенными в соответствии со схемой.
Распределительные устройства служат для: а) удобного и безопасного включения и отключения электрических цепей, или, другими словами, распределения электроэнер-329
гии; б) регулирования напряжения и других электрических параметров цепи; в) автоматической зашиты установок от перегрузок и токов короткого замыкания; г) производства электрических измерений; д) сигнализации о состоянии электрических цепей и положениях коммутационных аппаратов.
По своему назначению корабельные распределительные устройства разделяются на генераторные щиты, главные распределительные щиты, распределительные щиты, распределительные щиты отсеков, групповые щиты, щиты потребителя, контрольные щиты и шиты электродвижения.
Генераторный щит (рис. 19,1)—распределительное устройство, служащее для управления генераторами и питания главных распределительных щитов. На лицевой стороне щита, в верхней его части, размещены измерительные приборы. На среднюю часть панели щита выведены рукоятки коммутационных аппаратов и регуляторов напряжения. Рядом с рукоятками расположены сигнальные лампы. В центре панели щита вычерчена принципиальная, так называемая мнемоническая, схема щита. В нижней части щита установлены защитные аппараты.
Главный распределительный щит — распределительное устройство, служащее для распределения электроэнергии по распределительным щитам, групповым щитам и щитам отдельных потребителей. По устройству главный распределительный щит отличается от генераторного щита размерами и отсутствием регулирующей аппаратуры. В некоторых случаях генераторные щиты объединяются с главным распределительным щитом с выделением панели управления генератором. При этом щит носит название главного распределительного щита. На рис. 19,2 показан общий вид главного распределительного щита, состоящего из двух распределительных панелей, расположенных по краям щита, двух генераторных панелей и одной центральной панели управления. На каждой распределительной панели в качестве коммутационных и защитных аппаратов смонтированы автоматы.
Распределительный щит — устройство, служащее для распределения электроэнергии по распределительным щитам отсеков и щитам потребителей, а распределительный щит отсека — устройство, служащее для питания групповых щитов и отдельных потребителей. Распределительные щиты отсеков устанавливаются на всех кораблях, а распределительные щиты — только на больших кораблях между главными распределительными щитами и распреде-330
лительными щитами отсеков. По устройству оба типа этих щитов одинаковы и отличаются друг от друга только размерами. На рис. 19,3 представлен общий вид распредели-
Рис. 19,1. Общий вид генераторного щита
тельного щита отсека. Щит представляет собой дюралюминиевый ящик водозащищенного или герметического исполнения. Внутри ящика находится гетинаксовая панель, на которой смонтированы автоматы.
Групповой щит — устройство, предназначенное для питания отдельных, причем часто однородных потребителей.
Щит потребителя — устройство, служащее для питания отдельного потребителя и управления им. При этом щит называется по наименованию питаемого им потребителя.
331
Рис. 19,2. Общий вид главного распределительного щита
332
Контрольный щит — устройство, предназначенное для дистанционного контроля за работой генераторов и сети, т. е. за работой электроэнергетической системы корабля.
Ящик с аппаратами — металлический ящик с одним или несколькими аппаратами, предназначенными для коммутирования или защиты отдельных электрических цепей.
Рис. 19,3. Общий вид распределительного щита отсека
Магистральные коробки — устройства, предназначенные для ответвлений от главных магистралей.
Щит электродвижения — устройство, предназначенное для распределения электроэнергии по сети электродвижения. Такие щиты устанавливаются только на тех кораблях, на которых гребные винты приводятся во вращение с помощью электродвигателей.
Ошиновка распределительных устройств всех типов выполняется только шинной электролитической медью. Вея
3.33
ошиновка окрашивается лаковой краской в следующие цвета:
Род тока
Постоянный ток
Трехфазный ток
Провод
Цвет окраски
Плюсовый
Минусовый
Первая фаза Вторая фаза Третья фаза Нулевой провод
Красный Синий Фиолетовый Желтый Зеленый
Белый
§ 3. АППАРАТУРА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Аппаратура, устанавливаемая на щитах, по своему назначению разделяется на следующие виды: а) коммутационная— выключатели, переключатели, кнопки, автоматы — для включения, выключения и переключения электрических цепей; б) защитная — предохранители, автоматы, реле—• для защиты от перегрузок, коротких замыканий, обратного тока и т. п.; в) регулирующая — реостаты и регуляторы — для регулирования напряжения и других параметров; г) измерительная — амперметры, вольтметры, омметры и т. п.; д) сигнальная — лампы, сирены, звонки и г. п.
Выключатели и переключатели
Выключателями называются аппараты с ручным управлением, служащие для замыкания и размыкания электрических цепей, а переключателями — аппараты, предназначенные для переключения одной или нескольких цепей. Эти аппараты бывают однополюсные, двухполюсные и многополюсные и изготовляются на различные величины тока.
По устройству выключатели разделяются на выключатели рубящего типа и пакетные, а переключатели — на переключатели рубящего типа, пакетные и специального назначения. Выключатели рубящего типа обычно называются рубильниками (рис 19,4). Последние на токи до 400 а изготовляются с моментными ножами, а на токи 600 а и выше — без моментных ножей, но с угольными контактами, встроенными в металлические скобы. Рубильники, устанавливаемые на щитах, обычно снабжаются рычажным или маховичковым приводом. Переключатели рубящего типа имеют два рабочих положения, два моментных ножа и 334
Рис. 19.4. Рубильники:
а — открытый; 6 — с рычажным приводом
устройство, четко фиксирующее нулевое (среднее) положение контактных ножей. В остальном они не отличаются от рубильников.
Пакетные выключатели и переключатели (рис. 19,5) по исполнению бывают открытые и герметические и выполняются на токи от 10 до 360 а —для сетей переменного и постоянного тока напряжением до 250 в и от 6 до 250 а — для сетей постоянного тока напряжением 350 в и переменного тока напряжением 380 в. Пакетные аппараты состоят из отдельных пакетов, каждый из которых является самостоятельным полюсом выключателя или переключателя. Пакеты представляют собой набор шайб из изоляционного материала, между которыми помещаются подвижные и неподвижные контакты. Подвижные контакты укреплены на стержне, который имеет рукоятку для его поворота. К неподвижным контактам присоединяются провода соответствующих цепей. При повороте рукоятки подвижные контакты входят в соприкосновение с неподвижными, вследствие чего замыкаются цепи. Пакетные переключатели изготовляются на два или три направления. По конструкции пакетные выключатели и переключатели одинаковы и отличаются только схемами соединения пакетов.
На кораблях нашли применение также универсальные переключатели, с помощью которых можно включать вольтметры и амперметры.
335
Переключатели
Рис. 19,5. Пакетные выключатели и переключатели и их схемы
03
Предохранители
Предохранителями называются защитные устройства, в которых при увеличении тока сверх установленного предела происходит размыкание цепи путем расплавления рабочих элементов, называемых плавкими вставками.
а
Рис. 19,6. Корабельные предохранители: а — типа ПС; б — типа ПР; в — типа ПВ
Предохранители применяются для защиты электрических цепей от длительных перегрузок и токов короткого замыкания.
По устройству современные корабельные предохранители разделяются на патронные и трубчатые. Патронные предохранители типа ПС изготовляются на токи от 6 до 500 а при напряжении до 350 в постоянного тока и до 380 в переменного тока. Патронный предохранитель, показанный на рис. 19,6,а имеет следующие составные элементы: корпус 1 для установки патрона, патрон 2 закрытого типа, внутри которого закреплена плавкая вставка, головка с винтовой гильзой 3для зажатия и подведения тока к одному
22—2107
337
концу патрона, центральный контакт 4 для подведения тока к другому концу патрона, калибровочное кольцо 5. При перегорании вставки в смотровом окне 6 под воздействием пружины появляется сигнальный глазок. Патрон с перегоревшей вставкой вынимается и в корпус предохранителя вставляется новый патрон. Такие предохранители обычно устанавливаются непосредственно на шинах разветвительных коробок с подводом тока от шин к центральному контакту.
Из трубчатых предохранителей наибольшее распространение получили предохранители типа ПР и ПВ. Первые из них предназначаются для защиты установок с напряжением до 500 в и изготовляются на токи от 15 до 1000 а, а вторые — для защиты главным образом установок слабого тока.
Устройство предохранителя типа ПР показано на рис. 19,6, б. Он состоит из патрона 1, в котором закрепляется плавкая вставка 2, и двух контактных стоек 3, в которых устанавливается патрон. Последний представляет собой фибровую трубку, в конце которой ввинчены латунные ниппели 4. В сальниках ниппелей имеются щелевые отверстия для вывода концов плавкой вставки. На ниппели навертываются колпачковые обоймы 5, зажимающие концы вставки между ниппелем и обоймой. Обоймы предохранителя служат также для закрепления предохранителя в контактных стойках, а для предохранителей с номинальным током до 60 а являются и контактной частью. Обоймы предохранителей на токи свыше 60 а снабжаются ножевыми контактами. Винты 7 служат для крепления стоек панели, а винты 8 — для подключения проводов. У предохранителей на токи свыше 60 а патроны снабжаются пластмассовой рукояткой 9 для извлечения предохранителя.
Предохранитель типа ПВ (рис. 19,6, в) представляет собой стеклянную трубку /, на концы которой насажены металлические колпачки 2 с ножевыми контактами для установки трубки в стойках. Внутри стеклянной трубки находится плавкая вставка 3, припаянная к колпачкам. Плавкая вставка, как правило, окрашивается специальной краской, которая при перегорании вставки переходит на стекло, окрашивая его, и тем самым сигнализирует о перегорании предохранителя.
При выборе предохранителей рассматривают два наиболее характерных случая: 1) защищаемый участок сети 338
имеет равномерную нагрузку без больших толчков тока, как, например, осветительная нагрузка, электродвигатели с пусковыми реостатами или электронагревательные приборы; 2) защищаемый участок сети имеет неравномерную нагрузку с большими толчками тока, вызываемыми пусковыми токами, как, например, пуск в ход короткозамкнутых асинхронных электродвигателей.
Для защиты участков сети с равномерной нагрузкой номинальный ток предохранителя необходимо брать равным длительному рабочему току участка или близким к нему, т. е.
Ai. пр — ^д. раб, где /нпр — номинальный ток плавкой вставки предохранителя;
/д раб — длительно допустимый ток участка сети или длительно допустимый ток нагрузки провода или кабеля.
Для защиты участков сети, питающей короткозамкнутые асинхронные электродвигатели, номинальный ток предохранителя необходимо брать исходя из следующего соотношения:
. Л1уск
чр = 2,5 ’
где /пуск — пусковой ток короткозамкнутого асинхронного эле ктродви гател я.
Автоматы
Автоматами называются электрические аппараты, предназначенные для автоматического размыкания цепей при возникновении в них перегрузок, коротких замыканий и других ненормальных явлений. Автоматы предназначаются также для нечастых включений и отключений электрических цепей. Автоматы бывают однополюсные, двухполюсные и трехполюсные и изготовляются на различные токи и напряжения.
По роду выполняемой задачи автоматы можно разделить на максимальные автоматы, автоматы минимального напряжения и автоматы обратного тока.
Принцип действия максимального автомата (рис. 19,7, а) заключается в следующем. При нормальной работе автомат удерживается во включенном положении собачкой С с защелкой. При достижении током значения выше пре
22*
339
дельной заранее установленной величины электромагнит Э, преодолевая действие установочной пружины У, притягивает якорь Я и этим освобождает защелку автомата. Под действием отключающей пружины П размыкаются контакты А и, следовательно, цепь потребителя. Изменяя натяжение установочной пружины У, можно менять величину тока, при которой происходит срабатывание автомата.
Принцип действия автомата с защитой от минимального напряжения (рис. 19,7,6) состоит в том, что при наличии в сети нормального напряжения электромагнит Э,
Рис. 19,7. Схемы действия автоматов:
а — с зашитой от максимального тока; б — с защитой от минимального напряжения; в — с защитой от обратного тока
притягивая якорь Я и преодолевая натяжение пружины У, удерживает собачку С в рабочем положении. При уменьшении напряжения ниже нормы электромагнит отпускает якорь и освобождает защелку автомата. Под действием пружины П контакты А размыкаются, благодаря чему размыкается цепь потребителя.
Принцип действия автомата с защитой от обратного тока (рис. 19,7, в) основан на взаимодействии магнитных полей параллельной и последовательной катушек электромагнита Э. Катушки включаются так, чтобы магнитные поля, создаваемые каждой катушкой, действовали навстречу друг другу. Такое включение катушек носит название дифференциального включения. При изменении направления тока в последовательной катушке действие магнитных полей катушек будет согласным, в результате получается сильное намагничивание электромагнита. Последний, преодолевая действие пружины У, притянет якорь Я и освободит защелку автомата. Под действием пружины П контакты А разомкнутся и разорвут цепь тока.
В настоящее время все корабельные автоматы, устанавливаемые на щитах, делятся на установочные, универсаль-340
ные и разновидность последних — селективные автоматы. Установочные автоматы предназначаются для защиты от недопустимо больших токов, т, е. они в основном предназначены для замены предохранителей и рубильников. Универсальные автоматы предназначаются для осуществления самых разнообразных видов защиты: максимальной, тепловой, минимальной и защиты от обратных токов. Селективные автоматы в отличие от универсальных обеспечивают определенный порядок срабатывания максимальной защиты.
Установочные автоматы изготовляются на токи от 50 до 600 а и различаются по номинальному току автомата и номинальному току встроенных расцепителей, числу полюсов, роду встроенных расцепителей и наличию стопорного устройства. Универсальные и селективные автоматы изготовляются на токи от 200 до 1500 а и различаются по роду максимальной защиты, номинальному напряжению автомата и его элементов, роду и количеству расцепителей, роду привода, наличию коммутатора и исполнения. В табл. 19,1 приведены наиболее распространенные типы указанных автоматов.
Таблица 19,1
Некоторые типы автоматов
Наименование автомата Тип автомата
Установочный А3110 А3210 А3120 А3220 А3130 А3230 А3140 А3240
Универсальный А 20 ЮМ А2020М А2030М А2050М
Селективный А2030Н АС8 А2030Б АС15 А2050Н АС25 А2050Б
Рассмотрим устройство и работу установочного и селективного автоматов.
Установочные автоматы одной серии по устройству одинаковы и отличаются по размеру и весу. На рис. 19,8 показано устройство установочного автомата А3130. Он представляет собой разъемную пластмассовую коробку, на основании которой смонтированы следующие основные части автомата: коммутирующее устройство А, искрогаси-
341
тельные камеры Б, расцепитель В, механизм свободного расцепления Г и стопорное устройство. Автомат имеет рукоятку 1, служащую для управления. Положение рукоятки определяет коммутационное состояние автомата: крайнее верхнее положение рукоятки — автомат включен, среднее— автомат отключен автоматически, крайнее нижнее— автомат отключен вручную или взведен, т. е. подготовлен к включению после автоматического отключения.
342
Коммутирующее устройство автомата состоит из трех неподвижных контактов 2 и трех подвижных контактов 3. Подвижные контакты припаяны к медным основам 4, которые в свою очередь соединены с гибкими шинами 5 и укреплены на держателях 6. Последние укреплены на общем стальном изолированном валу 7 и связаны с механизмом свободного расцепления Неподвижные контакты припаяны к медным шинам 8, которые соединены с зажимами 9 автомата.
Искрогасительные камеры, расположенные над контактами каждого полюса, представляют собой набор омедненных стальных пластинок 10, укрепленных в стенках 11 камеры, сделанной из фибры.
Для защиты зажимов от копоти, образующейся при разрыве дуги, с задней стороны каждой камеры укреплена пластинка 12 из фибры.
Расцепитель автомата, помещенный в специальном изоляционном и, как правило, опечатанном корпусе, состоит из трех тепловых и грех электромагнитных элементов. Каждый тепловой элемент состоит из биметаллической пластинки 13 и нагревателя 14, по которому проходит ток автомата, а электромагнитный элемент — из сердечника 15, в котором уложена выводная шина автомата, якоря 16 и возвратной пружины 17. При возникновении в какой-либо фазе (полюсе) перегрузки срабатывает тепловой элемент, а при возникновении короткого замыкания—электромагнитный, благодаря чему освобождается мехнизм свободного расцепления и автомат отключается. Тепловой элемент срабатывает с выдержкой времени, обратно пропорциональной току, а электромагнитный — мгновенно.
Расцепители изготовляются на различные номинальные токи и являются сменной частью автомата, причем отдельные установочные автоматы могут иметь расцепители только с электромагнитными элементами. Такие автоматы применяются в тех случаях, когда требуется лишь защита от токов короткого замыкания.
Механизм свободного расцепления состоит из системы ломающихся рычагов 18, удерживающих собачек 19, рычага 20, пружин 21 и 22, защелки 23 и рукоятки 1. Он обеспечивает моментное включение и отключение автомата, причем включение осуществляется только вручную, а отключение— вручную или автоматически при срабатывании расцепителя. Для включения автомата, отключенного вручную, необходимо перевести его рукоятку в крайнее верхнее
343
положение. Для включения же автомата, отключенного автоматически, надо предварительно взвести механизм свободного расцепления путем перевода рукоятки автомата в нижнее положение, после чего перевести рукоятку в крайнее верхнее положение. Отключение автомата производится переводом его рукоятки в нижнее положение.
Стопорное устройство предназначено для предотвращения в необходимых случаях (форсировка работы механизмов и т. п.) автоматического отключения автомата при срабатывании расцепителя, т. е. для блокирования расцепителя. Стопорное устройство смонтировано внутри корпуса автомата и имеет рукоятку, выведенную через прорезь в крышке наружу. На заплечиках этой рукоятки проставлены буквы Р и А. Для блокировки расцепителя необходимо нажать рукоятку и повернуть ее вниз, при этом в прорезе крышки появится буква Р. Для ввода расцепителя в действие рукоятка стопорного устройства поворачивается вверх и в прорези крышки появляется буква А. Блокировка расцепителя возможна как при включенном автомате, так и при отключенном.
Селективные автоматы серии АС предназначаются для автоматической защиты электрических цепей от токов короткого замыкания, а также для нечастых коммутаций этих цепей. Они изготовляются двухполюсными и трехполюсными выдвижного типа открытого исполнения с ручным маховичковым приводом и рассчитаны на напряжение до 230 в постоянного тока и 400 в переменного тока. Большинство деталей всех типов автоматов одинаковы. Эти автоматы обеспечивают замедленное отключение в зоне короткого замыкания, причем время этого отключения не зависит от величины отключаемого тока.
На рис. 19,9 показан общий вид автомата типа АС25. Автомат состоит из контактной части и дугогасительных камер, собранных на изоляционных досках, ручного махо-вичкового привода и механизма свободного расцепления, максимальных расцепителей РМ, селективной пристройки, отключающего расцепителя ОР и коммутатора.
Контактная часть каждого полюса состоит из главных неподвижных контактов 1, дугогасительных контактов 2 и главного подвижного контакта. Последний изготовляется в виде медных парных роликов <?, покрытых слоем серебра и прижимаемых пружинами 4, которые устанавливаются в колпачке из пластмассы. Число роликов на одном полюсе определяется номинальным током автомата. Так, в авто-344
мате АС8 их четыре, в автомате АС15 — шесть и в автомате АС25 — десять.
Неподвижные главные контакты выполнены из меди, рабочая поверхность их покрыта тонким слоем серебра. К не-
Рис. 19,9. Селективный автомат АС25
подвижному дугогасительному контакту, выполненному также из меди, припаяна медно-графитовая пластинка, предохраняющая контакты от сваривания при токах короткого замыкания. Кроме того, для повышения электродинамической устойчивости дугогасительных контактов в контактной части имеется магнитный компенсатор, представляю-
345
щий собой стальной сердечник в виде буквы Ill (в автоматах АС8 и АС15 в виде буквы /7). Сердечник охватывается гибким проводом, подводящим ток к подвижному дугогасительному контакту, благодаря чему создается дополнительное нажатие на дугогасительные контакты, которое усиливается с увеличением тока. Для контроля величины провала (износа) дугогасительных контактов к подвижному контакту пристроен указательный штифт 5, окрашенный в красный цвет. При включении автомата первыми замыкаются дугогасительные контакты, а затем главные контакты; при отключении автомата последними размыкаются дугогасительные контакты. Контакты каждого полюса накрываются дугогасительной камерой.
Привод автомата представляет собой маховик, насаженный на приводной вал 6, на другом конце которого укреплен зубчатый сектор 7, связанный с аналогичным сектором 8, приваренным к включающему валу 9. Для ограничения поворота привода имеется упор, жестко скрепленный с валом, и шип, неподвижно закрепленный в каркасе автомата.
Механизм свободного расцепления представляет собой систему шарнирно связанных рычагов, получающих движение от привода.
Максимальный расцепитель /0, предназначенный для автоматического отключения автомата при коротких замыканиях, состоит из шихтованной магнитной системы 11 (у автомата АС8 — токовая катушка), опирающейся на неподвижный главный контакт через изоляционную втулку, якоря 12 и возвратной пружины 13, которая служит также для регулирования величины тока срабатывания в соответствии с делениями шкалы уставок. Ток, проходящий через неподвижный контакт, намагничивает магнитную систему расцепителя, а при прохождении тока, равного или превышающего величину тока уставки расцепителя, его якорь притягивается к сердечнику 14. В результате ролик 15 через селективную пристройку вызывает срабатывание автомата.
Селективная пристройка, предназначенная для создания выдержки времени в зоне токов короткого замыкания, состоит из часового механизма (анкер и шестерня) и парного рычага, сидящего на селективном валу 16. При коротком замыкании якорь 12 максимального расцепителя роликом 15 мгновенно поворачивает рычаг 17 и скрепленный с ним селективный вал, который приводит в действие ча-346
совой механизм. По истечении установленной выдержки времени автомат отключается. Выдержка времени может регулироваться в соответствии с делениями шкалы.
Отключающий расцепитель ОР служит для дистанционного отключения автомата. Отключение автомата происходит мгновенно независимо от величины уставки на время замедленного срабатывания. Катушка расцепителя включается через нормально открытые контакты коммутатора, который служит для сигнализации и электрической блокировки некоторых цепей.
Для включения автомата необходимо маховик повернуть против часовой стрелки, благодаря чему механизм свободного расцепления будет взведен, т. е. готов к включению. После этого надо повернуть маховик по часовой стрелке на 90° и автомат будет включен. Для отключения автомата вручную надо маховик повернуть против часовой стрелки, вследствие чего будет освобожден стопорный механизм и автомат под действием отключающей пружины отключится.
Реле защиты
Реле зашиты — это электрический аппарат, реагирующий на изменение режима работы электрических цепей и воздействующий в свою очередь на эти цепи, когда в них возникают ненормальные режимы работы.
В корабельных распределительных устройствах наиболее широко применяются следующие реле защиты: реле обратного тока типа ДТ, реле обратной мощности типа ИМ-149и реле перегрузки типа И'М-145, причем каждое из указанных реле, как правило, применяется в комплекте с тем или иным типом автомата.
Реле обратного тока типа ДТ применяется для защиты генераторов, работающих параллельно на общую сеть или на зарядку аккумуляторных батарей от обратного тока. В этом случае реле обычно встраивается в универсальные автоматы.
Устройство реле обратного тока типа ДТ (рис. 19,10, а) основано на взаимодействии двух электромагнитов: подвижного и неподвижного. Подвижной электромагнит /, имеющий тонкую обмотку, закреплен на оси и под действием противодействующей пружины 2 поворачивается против часовой стрелки до упора контактного рычага 3 в ограничитель 4. Неподвижный электромагнит 5 состоит из
347
сердечника с намотанной на нем толстой обмоткой 6 и полюсных наконечников. Толстая обмотка включается последовательно в цепь главного тока, а тонкая — параллельно.
Защита осуществляется следующим образом. При нормальной работе генераторов, т. е. при нормальном направлении тока в главной цепи, одноименные полюсы электромагнитов располагаются друг против друга (потоки обмоток направлены встречно), вращающий момент направлен
Рис. 19,10. Реле типа ДТ: а — устройство; б — схема включения
против часовой стрелки и нормально открытые контакты 7, включенные в цепь отключающего расцепителя, остаются разомкнутыми. При изменении направления тока в главной цепи меняется направление тока в последовательной обмотке, а в параллельной обмотке сохраняется прежнее направление тока. В результате магнитные потоки складываются и вращающий момент изменяет свое направление, благодаря чему происходит замыкание контактов реле обратного тока, включение катушки отключающего расцепителя и отключение автомата.
На рис. 19,10,6 приведена типовая схема включения реле типа ДТ,
348
Реле изготовляются на напряжения НО и 220 в, а их катушки — на 50 в. Поэтому реле выпускаются в комплекте с добавочными сопротивлениями, включаемыми последовательно с катушками напряжения.
Реле обратной мощности типа ИМ-149 применяется для защиты синхронных генераторов, работающих параллельно на общую сеть, от перехода их в режим двигателя. Это реле представляет собой однофазный индукционный прибор с бегущим магнитным полем (см. гл. 8). Устройство реле схематически показано на рис. 19,11, а. Оно состоит из двух основных узлов: магнитопровода и подвижной системы.
Магнитопровод реле состоит из двух магнитных систем: верхней и нижней, смонтированных на основании корпуса 1. На верхней магнитной системе 2 находится токовая катушка реле, питающаяся через трасформатор тока, включенный в одну из фаз генератора. На нижней магнитной системе 3 расположены две катушки напряжения, соединенные последовательно и приключаемые к двум зажимам генератора непосредственно или через трансформатор напряжения.
Подвижная система реле представляет собой алюминиевый диск 4, насаженный на ось 5, в которой запрессованы стальные цапфы. Эти цапфы служат для опоры системы на шарики подшипниковых винтов 6. На оси диска укреплена шестерня 7, связанная с другой шестерней, на которой установлен подвижной контакт 8 реле. На оси шестерни подвижного контакта укреплена противодействующая пружина 9. Неподвижный контакт 10 укреплен на колодке И из пластмассы. Диск вращается в зазорах двух постоянных магнитов /2, обеспечивающих зависимую от мощности выдержку времени реле.
Для регулирования уставок мощности срабатывания имеется мостик 13 с тремя рабочими гнездами, соответствующими трем уставкам по мощности. Уставка реле на желаемую мощность срабатывания достигается путем ввинчивания штифта в соответствующее гнездо мостика.
Регулирование выдержки времени реле осуществляется изменением положения упора подвижного контакта, который снабжен указателем 14, передвигающимся по шкале, отградуированной в секундах. На контактной плите установлен небольшой постоянный магнит 15, обеспечивающий надежность замыкания контактов.
349
Рис. 19,П. Реле типа ИМ-149: а — устройство; б — схема включения
350
На рис. 19,11,6 изображена схема включения реле типа НМ-149, где обозначены: АВ — автомат; ОК — отключающая катушка автомата; БК — блок-контакты автомата; ТТ— трансформатор тока; КН — катушка напряжения реле; КТ— токовая катушка 1реле; КР —контакты реле; ШУ — штепсельное устройство мостика.
При напряжении синхронного генератора 400 в катушка напряжения КН включается через трансформатор напряжения.
Реле работает следующим образом. При появлении обратной мощности на диске развивается момент, под действием которого контакты реле КР замыкаются. В результате отключающая катушка ОК автомата окажется под током. Автомат сработает и отключит генератор от сети. Цепь токовой катушки КТ реле будет обесточена и подвижная система реле вернется в исходное положение под действием спиральной пружины.
Реле перегрузки типа ИМ-145, применяемое для защиты параллельно работающих синхронных генераторов от перегрузки, также является однофазным индукционным прибором, по устройству аналогичным реле обратной мощности, и включается по той же схеме включения.
Защитные аппараты устанавливают в начале каждого ответвления сети, причем с целью повышения надежности защиты предохранители, а часто и автоматы ставят в каждый провод цепи или фазы.
Регуляторы напряжения
Для регулирования напряжения корабельных генераторов обычно применяются автоматические угольные регуляторы напряжения типа РУН. На рис. 19,12 приведены регулятор РУН-121 и его схема включения для регулирования напряжения синхронного генератора. Действие регулятора заключается в следующем. Электромагнит, состоящий из катушки регулятора 1 и сердечника <3, через селеновый выпрямитель ВС и добавочное сопротивление ДС подключается к зажимам генератора, а угольный реостат 2 включается последовательно с обмоткой возбуждения возбудителя. Электромагнит притягивает якорь 5 тем сильнее, чем больше напряжение на зажимах генератора. Силе электромагнита противодействует сила балансной пружины 4. При заданном напряжении обе силы взаимно уравновешиваются. Если напряжение на зажимах генератора Повышается, то увеличивающаяся сила электромагнита
351
притягивает явдрь и этим вызывает уменьшение давления на угольный столб, представляющий собой набор тонких угольных шайб. Сопротивление реостата возрастает, а ток в цепи возбуждения уменьшается до тех пор, пока не восстановится равновесие сил, действующих на якорь. Если же напряжение на зажимах генератора уменьшится, то балансная пружина, преодолевая электромагнитную силу,
Рис. 19,12. Угольный регулятор напряжения типа РУН-121 и схема его включения для стабилизации напряжения синхронного генератора
отталкивает якорь, вследствие чего давление на угольный столбик увеличивается, а сопротивление реостата уменьшается. При этом ток возбуждения увеличивается до тех пор, пока не наступит равновесие сил, действующих на якорь, и не восстановится заданное напряжение на зажимах генератора. Для устойчивой работы системы в некоторых случаях применяются специальные стабилизирующие элементы.
Сигнальная аппаратура
В качестве сигнальной аппаратуры обычно применяются сигнальные лампы, снабженные арматурой с цветным или белым стеклом. Лампы, сигнализирующие включенное 352
Рис. 19,13. Принципиальная схема магистральной системы канализации электроэнергии
23—2107
353
положение коммутационных аппаратов, снабжаются белым стеклом, сигнализирующие выключенное положение — зеленым, сигнализирующие наличие напряжения — желтым, а сигнализирующие об аварии или неисправности — красным. На некоторых типах щитов сигнальные лампы не устанавливаются.
§ 4. СИСТЕМЫ КАНАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
На кораблях для передачи электроэнергии от источников питания до потребителей обычно применяются три системы канализации: магистральная, фидерная и фидерногрупповая.
Магистральной системой канализации электроэнергии (рис. 19,13) называется такая система, при которой распределительные щиты получают питание от главных распределительных щитов по магистралям, в которые они включены. Иногда магистрали соединяются в кольцо и тогда система называется кольцевой.
Фидерной системой канализации электроэнергии (рис. 19,14) называется такая система, при которой рас-рщ
РШ
Рис. 19,14. Принципиальная схема фидерной системы канализации электроэнергии
354
пределительные щиты наиболее важных потребителей получают питание непосредственно от главного распределительного щита по самостоятельным фидерам.
Фидерно-групповой системой канализации электроэнергии называется такая система, при которой электроэнергия от главных распределительных щитов подается по фидерам сначала на распределительные или групповые щиты, а от них — к каждому отдельному потребителю.
Фидерная и фидерно-групповая системы обычно применяются в силовых сетях, а магистральная — в сетях освещения.
§5. КАНАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПОДВОДНЫХ ЛОДКАХ
На подводных лодках в качестве источников электроэнергии служат аккумуляторная батарея и гребной электродвигатель, используемый в качестве генератора. Аккумуляторная батарея используется для питания всех потребителей в подводном положении, а генератор — только в надводном положении корабля. В надводном положении корабля аккумуляторная батарея часто сама является потребителем, так как при движении лодки в надводном положении обычно производят зарядку аккумуляторов.
В зависимости от размеров лодки на ней могут быть установлены один или два гребных электродвигателя, а аккумуляторная батарея может состоять из одной, двух или трех групп аккумуляторов, которые могут соединяться между собой последовательно, параллельно или смешанно. Кроме того, характерной особенностью аккумуляторных батарей является непостоянство напряжения на их зажимах, т. е. напряжение батареи уменьшается по мере ее разрядки и увеличивается при зарядке. Рабочее напряжение аккумуляторных батарей может колебаться от 95 до 125 в и от 175 до 230 в, а при зарядке — от НО до 170 в и от 220 до 320 в. Вследствие этого потребители либо должны быть рассчитаны на работу при переменном напряжении, либо должны быть установлены специальные преобразователи напряжения. Обычно часть потребителей рассчитывается на работу при постоянном напряжении, а другая часть работает при переменном напряжении, для чего устанавливаются специальные преобразователи, в частности вольтопонижающие агрегаты. Поэтому на под
23*
355
водной лодке, как правило, имеются две сети: сеть постоянного напряжения и сеть переменного напряжения.
На рис. 19,15 в качестве примера представлен один из возможных вариантов схемы канализации электроэнергии на подводных лодках. Схема включает в себя: аккумуляторную батарею АБ, состоящую из двух прупп аккумуляторов; два гребных электродвигателя Д со щитами включения ЩГД-, вспомогательный дизель-генератор ДГ\ вольто-
Рис. 19,15. Схема канализации электроэнергии на подводной лодке
понижающий агрегат ВПА; преобразователь П; главный распределительный щит ГРЩ; щит последовательно-параллельного включения групп аккумуляторов 1ДПБ-, распределительный щит РЩ; четыре отсечных распределительных щита переменного напряжения РЩП и шесть отсечных распределительных щитов РЩО постоянного напряжения.
§ 6. СЕТИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Под сетями специального назначения понимаются электрические сети, питаемые от специальных преобразователей или аккумуляторных батарей. К числу таких сетей относятся зарядная сеть, служащая для зарядки аккумуляторных батарей от зарядного агрегата, сеть низковольтного освещения, питающаяся от низковольтного вращающегося 356
преобразователя или от трансформатора, сеть питания электрических прожекторов, сеть приборов управления кораблем и др. Преобразователи, питающие эти сети, сами получают питание через распределительную силовую сеть от распределительных щитов отсеков или от главных распределительных щитов.
Многие сети специального назначения называются сетями слабого тока. К сетям слабого тока относятся те сети,
Рис. 19,16. Аварийная сеть корабля
которые несут сравнительно малую электрическую нагрузку, например сети различных телеграфов, электронавига-Ционных приборов, телефонные и трансляционные сети, сети звонковой сигнализации и другие виды сетей.
Помимо указанных сетей специального назначения, на некоторых кораблях монтируется аварийная сеть, предназначенная для питания потребителей при повреждении силовой сети в том или ином отсеке корабля. Питание такой сети производится непосредственно от главных распределительных щитов. По устройству аварийная сеть (рис. 19,16) представляет собой систему специальных коробок АК, установленных на обеих сторонах переборки и соединенных между собой кабелем, т. е. коробки расположены в смежных отсеках симметрично относительно переборки. Каждая коробка имеет дюралюминиевый корпус, внутри которого смонтированы шины, предохранители или установочный
357
автомат и несколько соединительных зажимов в виде колодок. К зажимам при аварии присоединяются различной длины кабели (боевые рростки), которые в нормальных условиях свиты в бухту и располагаются вблизи коробок. При помощи этих кабелей, когда повреждена силовая сеть, подается питание потребителям отсека.
ГЛАВА 20
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ И ЭЛЕКТРОСВАРКА
§ I. ВИДЫ КОРАБЕЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
Под электрическим освещением понимается искусственное освещение внутренних помещений и наружных пространств с помощью электрических источников света. На кораблях оно имеет особое значение, так как жизнь и боевая деятельность экипажа в большей части помещений протекает исключительно при электрическом освещении даже и в дневное время.
Электрическое освещение кораблей по своему назначению делится на следующие виды: внутреннее, наружное, аварийное, дежурное, переносное и иллюминационное.
Внутренним освещением называется освещение внутренних помещений корабля, свет из которых невиден снаружи. Оно является основным видом освещения и его сеть всегда находится под напряжением. Светильники этого вида освещения включаются и отключаются с помощью индивидуальных выключателей.
Наружным освещением называется освещение верхних палуб и других открытых мест корабля. Оно состоит из интенсивных фонарей или прожекторов заливающего света, включаемых при помощи штепселей. Светильники этого освещения обычно имеют централизованное отключение. Сеть наружного освещения является составной частью сети внутреннего освещения.
Аварийным освещением называется освещение, автоматически включающееся при выходе из строя внутреннего освещения. Оно устанавливается в тех помещениях, где по боевой тревоге присутствуют люди или работают механизмы. Питание светильников аварийного освещения производится в каждом водонепроницаемом отсеке автономно от аккумуляторной батареи низкого напряжения.
359
Дежурным освещением называется освещение, оставляемое в различных местах корабля для удобства передвижения личного состава, когда все основное освещение не нужно. Светильники дежурного освещения имеют индивидуальные или групповые выключатели, располагаемые у входов в помещения. Светильники и включатели дежурного освещения имеют расцветку флага «рцы» (белые полоски между синими). Дежурное освещение получает питание от сети основного освещения.
Переносным освещением называется местное освещение, питающееся от штепселей низковольтной сети 24 в или от трансформаторов того же напряжения. Переносное освещение применяется для усиления основного освещения в местах, где производятся временные работы.
Иллюминационное освещение служит для декоративных целей при праздничном ночном украшении корабля. Оно питается от специальных щитов, подключаемых к силовой сети и устанавливаемых в носовой и кормовой частях корабля.
Кроме электрических источников света, на кораблях широко применяются люминофоры постоянного и временного действия. Ими освещают шкалы приборов, надписи, штурвалы, ключи коммутаторов, ориентиры и т. п. В одних случаях люминофоры используются в целях светомаскировки, а в других — в качестве аварийного освещения.
§ 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
В качестве искусственных источников света применяются главным образом электрические лампы накаливания и так называемые газосветные лампы — люминесцентные и неоновые лампы.
Лампы накаливания
Электрическая лампа накаливания изобретена в 1873 г. русским электротехником А. Н. Лодыгиным. Действие ее основано на свойстве проводника, нагретого током до температуры накала, излучать свет. На рис. 20,1 показаны образцы судовых ламп накаливания. Основными элементами их являются: вольфрамовая нить накала 1, стеклянный баллон 2 и винтовой или штыревой цоколь 3. Лампы делаются пустотными и газополными. В пустотных лампах из баллона воздух выкачан, а в газополных лампах воздух в баллоне заменен инертным газом, обычно аргоном с при-360
месью азота. В табл. 20,1 приведены типы и характеристики судовых ламп накаливания.
Таблица 20,1
Основные параметры судовых ламп накаливания
Номинальные значения
напряжение, в
мощность, вт
Срок службы, час
Тип лампы
Первая группа
24 55 ПО 220 25, 40, 60, 100, 150 25, 40, 60 25, 40, 60 25, 40, 60 800 1000 С12, Cls, См, C,g, С1в С„ с,, сэ С,, С6, Сс С/. с8, С8
Вторая группа
ПО 220 100/100 100/100 1000 Сю Си
110/12 110/24 220/12 100/50 Третья г 1000/100 руппа С17 с18 С19
Лампы первой группы предназначаются для местного и общего освещения корабля и называются нормальными судовыми лампами. Они
по устройству отличаются от обычных осветительных ламп тем, что нити их в целях повышения механической прочности делаются более толстыми и имеют меньшую температуру накала. Лампы второй и третьей групп относятся к специальным судовым лампам. Лампы второй группы, предназначенные для отличительных огней, имеют две спирали (рис. 20,1,6), одна из
Рис. 20,1. Судовые лампы накаливания:
которых является за-
а — нормальная; б — специальная
361
пасной. Лампы третьей группы также имеют две спирали, одна из которых (основная) рассчитана на 110 или 220 в, а вторая (аварийная) — на 12 или 24 в для питания от аккумуляторных батарей. Такие лампы обычно применяются для освещения операционных столов.
Нормальные судовые лампы мощностью до 300 вт изготовляются с нормальным винтовым цоколем, а от 300 вт и выше — с большим винтовым цоколем. Специальные лампы, как правило, изготовляются со штыревым цоколем. Соответственно цоколям лапм применяются и типы патронов.
Неоновые лампы
Неоновые лампы являются разновидностью так называе-
мых газосветных ламп, т. е. ламп, излучающих свет в ре-
зультате прохождения тока в разреженных газах (неоне,
Рис. 20,2. Неоновая лампа
аргоне, гелии) или в парах металлов (ртути и натрия). Этот процесс иначе называется электрическим разрядом в газах. Цвет свечения таких ламп зависит от газа или пара металла, находящегося в лампе. Так, лампа с парами ртути дает при разряде зеленоватый свет, а с парами натрия — желтый, с газом неоном — красный, с аргоном — голубой. В таких лампах электрическая энергия преобразуется непосредственно в световую.
Неоновые лампы бывают низкого напряжения с так называемым тлеющим разрядом и высокого напряжения. Первые на кораблях наиболее распространены.
На рис. 20,2 показана неоновая лампа низкого напряжения. Она состоит из стеклянного баллона,
воздух в котором заменен разреженным неоном, цоколя и двух электродов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Для получения устойчивого горения последовательно с лампой включается дополнительное (стабилизирующее) сопротивление 3000 о.м, скрытое в ножке лампы. При включении лампы под напряжение между электродами создается электрическое поле, под действием которого имеющиеся в трубке электроны и положительные ионы начинают двигаться: электроны движутся к положительному электроду, а ионы — к отрицательному. При своем двнже-
362
Нии электроны ионизируют газ, т. е., ударяясь о молекулы газа и разбивая их, образуют положительные ионы. Положительные ионы, приобретая в области катода значительные скорости и ударяясь о катод, выбивают из него электроны, поддерживая таким образом непрерывность разряда. В результате катод будет охвачен светящимся слоем, который и является источником световых излучений.
Неоновые лампы изготовляются мощностью 2—5 вт на НО и 220 в. Применяются же эти лампы для световой сигнализации, в качестве стабилизаторов напряжения и для других целей.
Люминесцентные лампы
Люминесцентные лампы являются также газосветными лампами, но для освещения используется не свет газа, а свет специального светящегося вещества, которым покрываются лампы. Такие лампы изготовляются двух типов:
Рис. 20,3. Люминесцентная лампа и схемы ее включения
1) лампы с подогреваемыми электродами, работающие при низком напряжении (НО—220 в), и 2) лампы с холодными электродами, работающие при высоком напряжении (1000— 10 000 в). Люминесцентные лампы испускают свет, близкий по цвету к дневному, поэтому в быту их часто называют лампами дневного света.
Люминесцентные лампы низкого напряжения изготовляются мощностью 15 и 20 вт для напряжения сети 127 в и мощностью 30—40 вт для напряжения сети 220 в. Каждая такая лампа представляет собой стеклянную трубку (рис. 20,3, а) диаметром 25—50 мм и длиной от 0,45 до
363
1,2 м, снабженную по обоим концам двухконтактными цоколями для включения лампы в специальные патроны. Штыри цоколей соединены с электродами, которые представляют собой двойную вольфрамовую спираль, покрытую слоем окиси бария или тория. Из трубки выкачан воздух и она заполнена парами ртути с небольшим количеством аргона. На внутренней стенке трубки нанесен тонкий слой люминесцирующего вещества.
Сущность действия лампы такова. При включении лампы в цепь ее электроды подогреваются до температуры, необходимой для возникновения дугового разряда, а затем между ними происходит электрический разряд в парах ртути. При этом невидимые ультрафиолетовые лучи освещают люминесцирующее вещество и оно начинает светиться, превращая ультрафиолетовые лучи в видимый свет. Этот свет и используется для освещения.
Для зажигания лампы необходимо предварительно подогреть электроды, т. е. их надо на короткое время включить в цепь и затем, когда они нагреются, разомкнуть цепь. Это замыкание и размыкание цепи электродов можно осуществить ручным выключателем или автоматическим В первом случае (рис. 20,3,6) для зажигания лампы необходимо замкнуть выключатель В и на 1—2 сек нажать кнопку зажигания КЗ. Во втором случае (рис. 20,3, в) это делает автоматический выключатель П, получивший название пускателя.
Пускатель представляет собой неоновую разрядную лампу, одним из электродов которой является биметаллическая пластинка. При замыкании выключателя В, т. е. при включении лампы в сеть, в пускателе возникает тлеющий разряд между электродами. Электроды нагреваются и биметаллическая пластинка, изгибаясь, замыкает цепь люминесцентной лампы, вследствие чего через ее электроды потечет ток, который нагреет последние. При замыкании электродов пускателя и, следовательно, исчезновении тлеющего разряда биметаллическая пластинка, остывая, разрывает цепь электродов лампы. При этом под влиянием экстратока разг ыка-ння возникает разряд между электродами люминесцентной лампы и она начинает светить. Для создания устойчивого горения лампы последовательно с ней включается дроссель L, а для большей экономичности применяется конденсатор С с определенной емкостью.
Люминесцентные лампы высокого напряжения с холодными электродами отличаются от ламп низкого напря-364
жения тем, что в них разряд возникает под действием высокого напряжения. Поэтому нет необходимости в подогреве электродов и, следовательно, в пускателях. Эти лампы предназначаются главным образом для освещения служебных и общественных помещений.
§ 3. СХЕМЫ СЕТЕЙ ОСВЕЩЕНИЯ
На кораблях различают следующие виды сетей электрического освещения: сеть основного освещения, служащую для внутреннего и наружного освещения корабля, сеть аварийного освещения и сеть низковольтного переносного освещения, причем на тех кораблях, где сеть основного освещения выполнена на 24 в, сеть низковольтного освещения не монтируется.
Распределение электроэнергии по первичной сети основного освещения обычно производится по магистральной или магистрально-кольцевой системе. Для обеспечения живучести сети освещения магистрали проходят по обоим бортам и, как правило, делятся на отдельные участки при помощи рубильников. В зависимости от класса корабля магистрали сети освещения могут получать питание от двух или четырех источников.
Подвод питания от магистралей осуществляется: а) на кораблях среднего и малого тоннажа — через магистральные коробки М/С, от которых получают питание ламповые коробки (рис. 20,4,а), и далее через соединительные коробки С/С подается питание к лампам; если же сеть основного освещения выполнена на 24 в переменного тока, то питание ламп осуществляется, как правило, по схеме рис. 20,4, б, где обозначены: РЩО — распределительный щит отсека; ТР — трансформатор, ЩО — щит освещения; б) на больших кораблях—через магистральные коробки, распределительные щиты РЩО и групповые щиты ГРЩ (рис. 20,4, в); далее через ламповые и соединительные коробки питание подается к лампам В каждую группу ответ-вленйй обычно включается не более десяти ламп накаливания.
Сеть аварийного освещения отсека получает питание от аккумуляторной батареи. При исчезновении питания в магистралях внутреннего освещения правого и левого бортов контакторы своими нормально закрытыми контактами автоматически подключают аккумуляторные батареи к сети аварийного освещения. Причем если на корабле сеть осноз-
365
ного освещения имеет 24 в, то в качестве сети аварийного освещения используются лампы основного освещения. На рис. 20,5 показана принципиальная схема подобной сети освещения.
Рис. 20,4. Схемы питания ламп накаливания: а _ через ламповые коробки; б — от щитков освещения; в _ через распределительные и групповые щиты
Сеть низковольтного переносного освещения имеется только на тех кораблях, на которых напряжение сети основного освещения ПО или 220 в. Снижение напряжения для таких сетей производится в сетях переменного тока с по-
366
отГРЩ
Рис. 20,5. Сеть основного и аварийного освещения: РЩО — распределительный шит отсека; Тр — трансформатор; ЩО — шит внутреннего основного освещения; ШОА — щнт аварийного освещения; КТ — контактор; СК — соединительная коробка; АБ — аккумуляторная батарея
мощью трансформаторов, а в сетях постоянного тока с помощью вращающихся преобразователей. Питание переносных ламп осуществляется через штепсельные соединения.
§ 4. АРМАТУРА СЕТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ
К арматуре корабельных сетей освещения относятся магистральные коробки, ламповые и соединительные коробки, светильники, выключатели и штепсельные соединения. Корпуса этой арматуры могут изготовляться из силумина, бронзы, стали с антикоррозийным покрытием и пластмассы, а все токоведущие части — из бронзы, меди или латуни. Корпуса осветительной арматуры, как правило, окрашиваются с внутренней стороны белой эмалевой краской, а с наружной — краской цвета слоновой кости или шаровой.
Магистральные коробки (рис. 20,6, а) служат для ответвлений от главных магистралей, а ламповые — для ответвлений от вспомогательных магистралей и для подводки питания к лампам. По устройству магистральные и ламповые коробки одинаковы и отличаются только размерами. Все коробки изготовляются для предохранителей патронного типа. Коробки бывают с двумя и четырьмя магистральными сальниками и на различное число ответвлений. Соеди
367
нительные же коробки (рис. 20,6, б) предназначаются для соединения или разветвления проводов без предохранителей. Эти коробки обычно изготовляются с четырьмя или восемью сальниками, а их корпуса делаются литыми или штампованными, обычно круглой формы.
Судовые выключатели и штепсельные соединения служат для включения и выключения отдельных ламп или групп ламп, мелких нагревательных приборов и небольших вентиляторов. Выключатели и штепсели изготовляются различных типов. На рис. 20,7 показаны некоторые типы выключателей и штепселей с вилками. Обычно каждый штепсель
Рис. 20,6. Арматура сети освещения: а — магистральная коробка; б — соединительная коробка
имеет три гнезда, из которых одно служит для заземления штепселя, т. е. для присоединения к корпусу корабля.
Светильниками называются осветительные приборы, предназначенные для освещения внутренних помещений и наружных пространств корабля. Каждый светильник состоит из лампы и осветительной арматуры. Арматура светильника служит для перераспределения светового потока лампы в желаемом направлении для предохранения глаз от ослепления и защиты лампы от механических повреждении Арматура каждого светильника имеет колпак из матового, молочного или простого стекла, корпус из пластмассы или металла, патронодержатель с патронами и другие детали арматуры.
По характеру светораспределения корабельные светильники можно разделить на светильники прямого света, когда не менее 90% всего светового потока лампы излучается в нижнюю полусферу, светильники отраженного света, когда не менее 90% всего светового потока лампы направляется 368
Рис. 20,7. Судовые выключатели и штепсельные соединения:
а — бутылочный штепсель с вилкой; б — выключатели
в верхнюю полусферу, и светильники рассеянного света, куда относятся все прочие типы светильников.
По способу установки светильники разделяются на стационарные и переносные. Стационарные светильники предназначаются для установки на подволоке, переборках и т. п. и поэтому делятся на подволочные, переборочные и специальные. Переносные светильники применяются для временного, дополнительного и аварийного местного освещения.
По форме исполнения корабельные светильники бывают открытые, защищенные, брызгозащищенные, водозащищенные, герметические и взрывобезопасные. Светильники открытого типа устанавливаются только в каютах офицерского состава, салонах, кают-компаниях и библиотеках, находящихся выше ватерлинии. Во всех остальных местах выше ватерлинии устанавливаются светильники защищенного типа. В помещениях, находящихся ниже ватерлинии, а также в камбузах, в банях, гальюнах устанавливаются
24—2107
369
Рис. 20,8. Светильники;
а — подпалубный; б — подвесной; в — плафон с ширмой
светильники водозащищенного типа. Взрывобезопасные светильники применяются для освещения аккумуляторных ям и погребов боеприпасов. На рис. 20,8 показаны некоторые типы корабельных светильников.
§ 5. ЭЛЕКТРОСВАРКА
Под сваркой понимается соединение отдельных частей различных металлических изделий и металлических сооружений с применением местного нагрева металла. Существуют различные виды сварки, но наиболее распространенной является электрическая сварка, которая называется так потому, что нагрев места сварки производится электрическим током. Электросварка делится на дуговую и контактную. При дуговой электросварке используется электрическая дуга, которая, имея температуру 5000— 6000° С, легко расплавляет все известные металлы.
Дуговая сварка осуществляется или по способу Н. Н. Бе-нардоса.или по способу Н. Г. Славянова. Электросварка по первому способу, или, иначе, угольным электродом, производится следующим образом (рис. 20,9,а). Положительный полюс ( + ) источника постоянного тока присоединяется 370
к свариваемым деталям Д] и Д2, а отрицательный (—) — угольному электроду У. Между этими электродами возникает электрическая дуга, которая расплавляет кромки соединяемых. деталей и тем сваривает их При большой толщине деталей в пламя дуги вводят конец стержня М того же состава, что и свариваемые детали. Поэтому в первом случае сварку называют без присадки, а во втором — с присадкой.
Рис. 20,9. Схемы электросварки: а — способ Бенардоса; б — способ Славянова
Способ Славянова (рис. 20,9, б) отличается от способа Бенардоса тем, что угольный электрод заменяется металлическим электродом, который, расплавляясь, сваривает детали. Поэтому сварку по способу Славянова иначе называют сваркой металлическим электродом. Кроме того, при сварке по способу Славянова может применяться как постоянный, так и переменный ток, а по способу Бенардоса — только постоянный ток. Благодаря этому способ Славя-нова имеет наибольшее распространение.
Парис. 20,10, а показана принципиальная схема установки для электродуговой сварки переменного тока, где обозначены: 1 — сварочный трансформатор; 2 — индукционная катушка с раздвижным сердечником, называемая реактором. Сварочные трансформаторы имеют вторичное напряжение при холостом ходе 50—60 в и падающую внешнюю характеристику (рис. 20,10,6). Это напряжение является минимально необходимым для сравнительно легкого зажигания дуги. При прикосновении электродом к свариваемому изделию возникает максимальный ток /тах- При удалении электрода от изделия напряжение быстро возрастает и дуга зажигается. Наличие индуктивного сопротивления реактора в схеме обеспечивает устойчивость горения дуги, а также позволяет регулировать величину тока дуги путем регули-
24*
371
рования воздушного зазора между сердечниками реактора, что приводит к изменению индуктивного сопротивления.
При контактной электросварке металл нагревается электрическим током, проходящим через контакт свариваемых деталей, до температуры плавления. После нагрева металла место сварки подвергается сильному сжатию, в результате чего происходит сваривание данных деталей. Контактная сварка бывает стыковая, точечная и роликовая.
Рис. 20,10. Установка для дуговой электросварки: а — схема; б — вольтамперная характеристика
При дуговой сварке в качестве источника питания используются также сварочные генераторы самых различных типов, имеющие падающую внешнюю характеристику. Принципиальная схема одного из типов сварочных генераторов показана на рис. 20,11, а, где обозначены: Я — якорь; ОВ — обмотка возбуждения; ДП — обмотка дополнительных полюсов; А, В, С — щетки генератора; РР — регулировочный реостат; L — катушка индуктивности. Наличие третьей щетки, включение дополнительных полюсов последовательно с обмоткой возбуждения и небольшие изменения в конструкции генератора по сравнению с обычной ма-372
шиной обеспечивают при всех изменениях сопротивления внешней цепи приблизительно постоянную силу тока, что и требуется при работе сварочного генератора. На рис. 20,11, б в качестве примера приведена принципиальная схема дуговой электросварки на корабле от сварочного генератора.
Рис. 20,11. Схема сварочного генератора и схема дуговой сварки от генератора
В настоящее время широко применяется как ручная, так и автоматическая электросварка. Электрической дугой можно также и резать металл. Дуговая резка основана на выплавлении металла из полости реза теплом электрической дуги. Дуговая резка производится как угольным электродом, так и металлическим. Резка производится как в воздухе, так и под водой. Широкое применение находит также и подводная электросварка.
ГЛАВА 21
СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ КОРАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Безопасность и надежность действия корабельных электрических сетей в значительной степени зависят от хорошего состояния их изоляции от корпуса корабля. Величина сопротивления изоляции зависит от качества изоляционного материала, а также от условий эксплуатации электрических сетей. Особое влияние на состояние изоляции сетей оказывают влажность, температура, пыль, воздействие масла, механические повреждения и прочие причины.
Таким образом, изоляция проводов не является идеальной, иначе говоря, она обладает некоторой проводимостью, обычно характеризуемой обратной величиной, а именно сопротивлением, в зависимости от величины которого через изоляцию проходит ток той или иной величины. Этот ток называется током утечки. При хорошем состоянии изоляции токи утечки малы. При повреждении изоляции сопротивление ее в месте повреждения может настолько понизиться, что ток утечки сильно увеличится и, проходя через место повреждения, будет нагревать его, что приведет к дальнейшему разрушению изоляции и к аварии. Поэтому ток утечки не должен превышать некоторого допустимого значения.
Величина тока утечки на участке сети определяется по закону Ома;
, _ Uc У ''из ’ где /у—ток утечки;
67с — напряжение на зажимах участка сети;
гИз — сопротивление изоляции проводов участка от корпуса.
374
Для отдельного участка электрической сети, находящегося между двумя последовательно включенными коммутационными аппаратами, допустимая величина тока утечки принята 0,0005 а. Следовательно, при напряжении сети t/c норма сопротивления изоляции отдельного участка должна быть не ниже 2000 £7С. Сопротивление изоляции отдельной корабельной сети со всеми постоянно включенными генераторами и потребителями по отношению к корпусу должно соответствовать табл. 21,1.
Таблица 21,1
Нормы сопротивления изоляции сетей
Состояние сети Сопротивление изоляции сети, ом
при ПО в при 220 в
Новая сеть 25000 45000
Сеть после ремонта 15000 25000
Соответствующими правилами устанавливаются нормы сопротивления изоляции и для отдельных элементов электрических сетей. Так, например, сопротивление изоляции отдельного распределительного устройства должно быть не ниже 0,5 Мом, отдельной электрической машины, находящейся в эксплуатации, — не менее 0,5 Мом, отдельного аппарата — не менее 3 Мом.
Измерение сопротивления изоляции на кораблях производится или с помощью вольтметра, если не допускается отключение сети от источника тока, т. е. когда сеть находится под напряжением, или с помощью мегомметра, когда это возможно.
§ 2. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Сопротивление изоляции сетей, не находящихся под рабочим напряжением, определяется обычно при помощи мегомметра. Схемы измерения мегомметром типа М-1101 даны на рис. 21,1. При проверке сопротивления изоляции относительно корпуса (рис. 21,1, а) зажим 3 присоединяется к корпусу корабля, а зажим J1 — к проводу сети. Вращая рукоятку прибора, по его шкале отсчитывают величину
375
Рис. 21,1. Схемы измерения сопротивления изоляции мегомметром: а — на корпус; б — между проводами
сопротивления изоляции. При проверке сопротивления изоляции между проводами сети или между отдельными жилами кабеля (рис. 21,1,6) все приемники, включенные между проводами, отключаются. Затем, вращая рукоятку прибора, фиксируют величину сопротивления изоляции. Аналогичным образом производится измерение сопротивления изоляции отдельных электрических машин, аппаратов и приборов.
Укажем, что мегомметр М-1101 имеет особый зажим Э, который используется при измерении очень больших сопротивлений изоляции. Этот зажим присоединяется к кабелю через охранное кольцо.
Рис. 21,2. Схемы измерения сопротивления изоляции сети:
а — постоянного тока методом трех отсчетов вольтметра; б — переменного тока метр-дом двух отсчетов вольтметра
376
Измерение сопротивления изоляции сети постоянного тока, находящейся под напряжением, производится методом трех отсчетов вольтметра, а сети переменного тока — методом двух отсчетов вольтметра при помощи постоянного тока, а также при помощи щитового мегомметра магнитоэлектрической системы.
Для определения величины сопротивления изоляции методом трех отсчетов вольтметра надо включить вольтметр с сопротивлением не меньше 40 000 ом по схеме рис. 21,2, а и произвести три измерения: напряжения сети Ui, напряжения между положительным проводом и корпусом U2 и напряжения между отрицательным проводом и корпусом L/3. Получив необходимые данные, вычисляют сопротивления изоляции плюсового провода, минусового провода и общее сопротивление изоляции сети относительно корпуса соответственно по формулам:
_^-иг-и3 г(+)~ и3 в’
и^ц^и
(-) и3 в’
иг + U3
где гв— сопротивление вольтметра.
Чтобы не производить вычислений при ежедневных измерениях сопротивления изоляции, можно заранее составить таблицу зависимостей значений гиз от величины U2+U3 или построить так называемую намограмму.
Для определения сопротивления изоляции сети переменного тока, находящейся под напряжением, методом двух отсчетов вольтметра при помощи постоянного тока надо собрать схему, изображенную на рис. 21,2,6, и измерить: а) напряжение на зажимах источника постоянного тока U\ и б) напряжение между положительным проводом постоянного тока и одним из фазных проводов цепи переменного тока U2, замыкая при этом минусовый провод источника питания на корпус через лампу. Затем, зная сопротивление вольтметра тв, определить сопротивление изоляции установки переменного тока по формуле
г
нз \и3 / в’
377
Для ограждения вольтметра от влияния переменного тока включается дроссель L. Во избежание короткого замыкания в цепи постоянного тока в минусовый провод включается лампа Л. Если при измерении лампа загорится, то измерительная цепь неисправна.
Непосредственное измерение сопротивления изоляции сети переменного тока, находящейся под напряжением, производится при помощи щитового мегомметра М с дополнительным устройством ДУ (рис. 21,3). Мегомметр представляет собой логометр магнитоэлектрической системы, шкала
Рис. 21,3. Щитовой мегомметр и его схема
которого отградуирована в мегомах. Дополнительное же устройство является источником постоянного тока и представляет собой селеновый выпрямитель СВ, питаемый от сети через трансформатор Т. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром (дроссель L и конденсаторы С) и подается на измерительный контур через делитель напряжения (сопротивления Г\ и г2). Последний позволяет регулировать величину подаваемого напряжения.
Прибор подключается к сети через пакетный переключатель ПП, что позволяет измерять сопротивление изоляции любой фазы. При замыкании переключателя ПП создается цепь измерительного контура. Ток утечки /у, протекающий по измерительному контуру, при постоянном напряжении на зажимах сопротивления гв зависит только ог гиз, т. е. 1у — ~—. Следовательно, отклонение стрелки мег-'из
омметра, вызываемое током /у, пропорционально гиз. Начальное положение стрелки соответствует бесконечно большому сопротивлению изоляции, т. е. оо, а при полном 378
«корпусе» фазы стрелка будёт стоять на нуле шкалы. Промежуточные положения стрелки будут соответствовать всем другим значениям сопротивления.
§ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЯ
При измерении величины сопротивления изоляции и проверки целости жил могут быть обнаружены повреждения кабеля. На кораблях наблюдаются следующие основные виды повреждений кабеля:
а) полный или неполный пробой изоляции между жилой кабеля и корпусом корабля — в первом случае сопротивление изоляции жилы близко к нулю, а во втором сопротивление изоляции имеет значительную величину;
б) полный или неполный пробой изоляции между жилами кабеля;
в) полный или неполный обрыв одной жилы кабеля — в первом случае сопротивление жилы близко к бесконечности, а во втором значительно выше, чем должно быть для данной жилы кабеля.
Наряду с этими видами повреждений, которые обычно называются простыми, могут быть следующие виды повреждений кабеля: а) пробой изоляции жилы на корпус в нескольких местах; б) пробой изоляции или обрыв нескольких или всех жил кабеля; в) пробой изоляции на корпус с одновременным обрывом жилы.
При обнаружении повреждения в сети необходимо немедленно приступить к отысканию неисправного участка сети, определению характера и нахождению места повреждения, а затем к его устранению.
Отыскание неисправного участка сети надо производить методом исключения, т. е. поочередным отключением коммутационных аппаратов, через которые осуществляется питание отдельных сетей. Отключение следует начинать с наиболее разветвленных сетей, так как в них наиболее вероятны случаи повреждения изоляции кабеля. При отключении неисправного участка сети показания вольтметра, с помощью которого производятся измерения сопротивления изоляции, должны резко уменьшиться, а показания щитового мегомметра — увеличиться.
После отыскания неисправного участка сети необходимо определить характер и место повреждения изоляции кабеля. Для этого необходимо сначала выключить предохра-
379
нители в цепи участка и тщательно протереть все места присоединения кабелей, с тем чтобы удалить пыль, грязь и влагу, которые создают проводящие мостики. Затем с помощью мегомметра произвести контрольные замеры сопротивления изоляции отдельных жил кабеля относительно корпуса и относительно друг друга. Если при этом мегомметр показывает полный пробой изоляции, то необходимо произвести повторное измерение при помощи моста или омметра, которые позволяют измерять относительно небольшие сопротивления. Затем произвести наружный осмотр кабелей по всей их длине, с тем чтобы убедиться в отсутствии механических повреждений оболочек кабелей. Только после этого приступить к определению места повреждения изоляции кабеля.
Нахождение места повреждения изоляции кабеля, как правило, производится по методу петли Муррея и индукционным методом с помощью искателя кабельных повреждений.
Метод петли Муррея
Основой этого метода является нулевой метод измерения сопротивлений. Поэтому при нахождении места замыкания жилы кабеля на корпус и при замыкании жил между собой используются различные мосты. Наиболее широко для этой цели применяется универсальный мост постоянного тока типа УМВ.
Для определения места замыкания жилы кабеля на корпус необходимо: а) измерить длину поврежденного участка, если же кабель двухжильный, то после определения длины участка проверить мегомметром изоляцию жил кабеля относительно корпуса и установить, в какой жиле кабеля имеется замыкание на корпус; б) соединить жилы кабеля в точке S и, пользуясь универсальным мостом типа УМВ, составить схему (рис. 21,4, о), сделав при этом следующие соединения: к зажимам Б присоединить батарею с обратной полярностью, к зажиму 3 — землю (корпус) и к зажимам X — свободные концы жил кабеля; в) рукоятку переключателя поставить в положение ПМ, а курбель плеч отношений в одно из положений — М1000, М100 или М10, т. е. соответственно 1000, 100 и 10 ом\ г) включить мост и добиться его равновесия.
Сопротивление t\ до места повреждения определить по формуле
Mr
Г*~ rt+M'
380
j
где М— число, соответствующее положению курбеля плеч отношений;
г — полное сопротивление кабеля (петли XSI1X)-,
г\ — сопротивление сравнительного плеча при уравновешенности схемы.
Расстояние до места повреждения определить по формуле
4 = —Л х г >
где L — двойная длина кабеля.
Для уточнения места повреждения при отсутствии внешних признаков можно пользоваться схемой, изображенной
Рис. 21,4. Определение места повреждения кабеля по методу петли Муррея:
а — схема определения замыкания жилы на корпус; б — схема уточнения места повреждения
на рис. 21,4,6. Производя небольшие изгибы или легкие обжатия кабеля щипцами по его длине в районе повреждения АВ, следить за стрелкой прибора. При обжатии места поврежденной изоляции стрелка гальванометра будет резко колебаться вследствие принудительного изменения сопротивления в месте повреждения. Колебания стрелки являются признаком того, что место повреждения найдено.
Определение места повреждения изоляции между жилами кабеля без замыкания их на корпус производится по схеме, которая отличается от рассмотренной (рис. 21,4, а) тем, что зажим 3 моста присоединяется к одной из поврежденных жил кабеля, а другая поврежденная жила — в петлю
ЗВ1
схемы (линия ХП8). При вычислении сопротивления гх и расстояния используются те же формулы.
Следует отметить, что при повреждении двухжильного кабеля в качестве вспомогательной жилы используется исправная жила кабеля, при повреждении одножильного кабеля— жила рядом расположенного кабеля того же сечения и той же длины и в многожильных кабелях — первая жила того же слоя, что и поврежденная.
Метод дает хорошие результаты, если переходное сопротивление не превышает 5000—6000 ом, а величина сопротивления жилы используемого кабеля не меньше 0,5 ом.
Искатель кабельных повреждений
Искатель кабельных повреждений, сокращенно ИКП, позволяет определять: а) место повреждения изоляции кабеля с переходным сопротивлением до 100 000 ом; б) место обрыва жилы; в) кабель в пучке и место трассы кабеля. Прибор определяет место повреждения по мостовой схеме. Погрешность определения составляет ±2% общей длины кабеля.
Прибор ИКП (рис. 21,5) представляет собой ящик, изготовленный из изоляционного материала, в котором смонтированы реохорд, микроамперметр, служащий нулевым индикатором, предохранительное сопротивление в цепи микроамперметра с шунтирующей кнопкой и купроксный выпрямитель. Шкала прибора равномерная и разбита на 100 делений. Кроме искателя, в комплект прибора входят преобразователь (в котором установлены балластное сопротивление, электромагнитный прерыватель, переключатель и кнопка), телефон, аккумуляторная батарея 5НКН-10 и шнуры.
Для определения места пробоя изоляции кабеля на корпусе помощью искателя необходимо:
1. Определить длину поврежденного кабеля путем измерения или подсчета по шпангоутам с учетом поворота трассы
2. Обесточить кабель и отсоединить от клеммы поврежденную жилу и одну исправную жилу, а затем соединить их на противоположном удаленном конце кабеля, причем соединение должно быть выполнено с помощью шинки, равной сечению жилы.
3. Собрать схему (рис. 21,6, о) штатными шнурами, причем зажим шнура с маркой // включить на поврежденную 382
жилу. Аккумуляторную батарею изолировать от корпуса прокладкой резины или сухого картона. Зажимы на жиле не должны касаться друг друга.
4. Рукоятку переключателя преобразователя перевести в положение 3, вследствие чего стрелка прибора отклонится
Рис. 21,5. Общий вид прибора ИКП с искателем
от нуля. Далее повернуть рукоятку реохорда в положение, при котором стрелка прибора не будет отклоняться при переключении рукоятки переключателя из положения.? в положение 12 и обратно. После этого нажать кнопку «Повышение чувствительности» на рукоятке прибора и, слегка вращая рукоятку реохорда, добиться отсутствия отклонения стрелки при переключении рукоятки переключателя из одного положения в другое и обратно. Записать отсчет по
383
шкале реохорда, после чего перевести рукоятку переключателя в положение 12, отключив тем самым батарею.
5. Произвести вычисление расстояния до места повреждения умножением отсчета по шкале реохорда на двойную длину кабеля. Полученное расстояние отмерить по трассе
Рис. 21,6. Определение места пробоя кабеля на корпус:
а — схема определения; б — схема уточнения
поврежденного кабеля от места измерения. Если риска рукоятки реохорда установилась против точки Н шкалы, то место повреждения надо искать в районе помещения, где производилось измерение, т. е. у конца жилы.
6. Уточнить место повреждения наружным осмотром, а если при этом повреждение не обнаруживается, то собрать схему (рис. 21,6,6) и подобрать такое напряжение батареи, чтобы стрелка прибора отклонилась на 3—5 делений. Далее 384
в районе повреждения производят небольшое изгибание или легкое обжатие кабеля плоскогубцами или щипцами, наблюдая за стрелкой прибора. Колебания стрелки при обжатии определенного места кабеля являются точным признаком того, что место повреждения найдено.
Для определения места пробоя
изоляции между
жилами кабеля необходимо определить длину поврежденного кабеля таким же образом, как и при пробое изоляции на корпус, и собрать схему (рис. 21,7), подобрать при этом исправную жилу такой же длины и сечения, как и поврежденная. Затем произвести все те же операции, что и при пробое изоляции на корпус. Расстояние до места повреждения определить путем умножения отсчета по шкале реохорда на двойную длину кабеля.
Определение места пониженной изоляции кабеля, если сопротивление ее 2000 ом и выше, можно произвести следующим образом:
1. Собрать схему (рис. 21,8), взяв в качестве источника питания полностью заряженную аккумуляторную батарею типа 10НКН-45, так как штатной батареи прибора недоста-
точно, причем для соединения батареи с жилами кабеля берется провод с сечением 10— 16 мм2, а аккумуляторная батарея изолируется от корпуса.
2. Периодически касаясь одним из проводов, идущих от батареи, конца жилы П кабеля, т. е. подавая импульсы тока продолжительностью 0,5—1 сек,
25—2107
385
произвести те же операции, что и при определении места пробоя изоляции кабеля на корпус. Отсчеты по шкале прибора производить во время подачи импульсов тока.
3. Расстояние до места повреждения кабеля определить путем умножения отсчета по шкале на двойную длину кабеля.
При сопротивлении изоляции свыше 20 000 ом точность определения может быть недостаточной,
Рис. 21,9. Определение места обрыва жил кабеля
При определении места обрыва жилы кабеля необходимо:
1. Определить длину поврежденного кабеля, обесточить кабель и отсоединить от клемм поврежденную жилу и одну исправную, причем последней должна быть жила только того же кабеля, равной длины и сечения. Остальные жилы многожильного кабеля по возможности должны быть заземлены. Сопротивление изоляции поврежденной и вспомогательной жил по отношению к корпусу и между собой должно быть не менее 10 Мом, а металлическая оболочка должна быть исправной.
2. На противоположном конце кабеля соединить поврежденную и исправную жилы, собрать схему (рис. 21,9) и включить телефон в гнезда Т прибора.
3. Перевести рукоятку переключателя в положение 1—2, вследствие чего прерыватель преобразователя начнет работать и в телефоне будет слышен звук высокого тона. Затем, вращая рукоятку реохорда вправо и влево, добиться минимальной силы звука. При минимуме звука в телефоне записать отсчет по шкале реохорда. Умножив полученный отсчет 386
на двойную длину кабеля, определить расстояние до места повреждения.
Нахождение кабелей в пучках и их трасс, что обычно требуется при необходимости присоединения к кабелю ответвительных коробок и при ремонте поврежденного кабеля, осуществляется двумя путями — по отличительной окраске и маркировке кабелей и с помощью электромагнитного щупа. Последний способ применяется в тех случаях, когда доступ к биркам затруднителен и
Рис. 21,10. Схемы включения преобразователя:
а — для нахождения кабеля и его трассы; б — для определения короткого замыкания между жилами кабеля
требует демонтажа пучка либо отсутствует бирка. Он применяется также для проверки правильности бирок без вскрытия оболочки кабеля.
Для нахождения кабеля в пучке и его трассы необходимо:
1. Собрать схему (рис. 21,10, а) и установить переключатель преобразователя в положение 1—2, а затем пропускать по жиле кабеля ток импульсами условного кода при помощи кнопки «Код» преобразователя. Пульсирующий ток создает вокруг кабеля пульсирующее магнитное поле в соответствии с кодом, что дает возможность отличить кабель от других кабелей в пучке, также создающих переменное магнитное поле. Продолжительность импульса рекомендуется 30 «— 60 сек., а перерывы между импульсами — 2—3 сек.
2. Поднести электромагнитный щуп, который состоит из стального сердечника с экранированной катушкой, перпендикулярно к кабельной трассе и производить поиск кабеля. В катушке щупа будет индуктироваться э. д. с., а в подключенном к ней телефоне будет слышен характерный звук, по которому находится кабель и его трасса.
25*
387
3. Для контроля правильности нахождения разъемный сердечник щупа надевают на кабель и подключают микроамперметр прибора. При пропускании по жиле переменного тока стрелка прибора будет отклоняться, что и укажет на правильность выбранного кабеля.
Отметим, что с помощью щупа можно определить место короткого замыкания между жилами (рис. 21,10,6) по ослаблению звука в телефоне за местом повреждения. При помощи искателя можно также определить длину кабеля.
РАЗДЕЛ ШЕСТОЙ
КОРАБЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
ГЛАВА 22
ЭЛЕКТРОПРИВОД И ЕГО АППАРАТУРА
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Электрическим приводом называется система, состоящая из электродвигателя, механической передачи и аппаратуры управления, служащая для приведения в движение того или иного исполнительного механизма.
Электроприводы, предназначенные для приведения в действие корабельных вспомогательных механизмов, называются корабельными электроприводами. Последние на кораблях играют весьма важную роль. Они обеспечивают ра'боту всех средств, обслуживающих движение и маневрирование корабля.
По назначению, типу, системе и характеру работы корабельные электроприводы весьма разнообразны. Так, по назначению различают рулевые и шпилевые электроприводы, валоповоротные и грузоподъемные электроприводы, электроприводы насосов и вентиляторов, электроприводы бытовых механизмов и механизмов специального назначения. По характеру работы электроприводы бывают непрерывного действия и прерывистого или повторно-кратковременного действия. По роду тока существуют электроприводы постоянного тока и электроприводы переменного тока.
По числу электродвигателей корабельные электроприводы разделяются на одиночные и многодвигательные. К одиночным электроприводам относятся электроприводы насосов, вентиляторов, компрессоров и т. п. К многодвигательным электроприводам относятся электроприводы кранов, лебедок, часто рулевые и некоторые другие электроприводы.
389
По способу управления электродвигателем корабельные электроприводы разделяются на электроприводы ручного, полуавтоматического и автоматического управления.
Управление электродвигателями корабельных электроприводов осуществляется с помощью специальных аппаратов управления и защиты. К таким аппаратам относятся рубильники и переключатели, пусковые и регулировочные реостаты, сопротивления и тормозные электромагниты, плавкие предохранители и автоматы, контроллеры и коман-доаппараты, реле и контакторы, магнитные пускатели и магнитные станции, конечные выключатели и таймтакторы. Поскольку многие из перечисленных аппаратов уже рассмотрены раньше, ниже рассмотрим только пусковые реостаты, сопротивления, контроллеры, командоаппараты, реле, контакторы, таймтакторы, магнитные пускатели и магнитные станции, а также простейшие правила их использования.
Попутно отметим, что процесс работы каждого электропривода осуществляется по вполне определенной схеме включения. Почти каждая схема включения состоит: 1) из цепи главного тока, или, иначе, схемы главного тока, и 2) из цепи вспомогательного тока, или схемы управления.
При работе электроприводов различают три характерных режима работы их двигателей: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.
Продолжительным режимом работы электродвигателя называется такой режим, при котором двигатель может работать неограниченное время, причем при неизменной температуре окружающей среды нагрев его отдельных частей не превышает допустимых значений.
Кратковременным режимом работы электродвигателей называется такой режим, при котором нагрев двигателя за период его работы не достигает предельных установившихся значений, а перерыв в работе таков, что двигатель к возобновлению работы успевает охладиться до температуры окружающей среды. Для этого режима работы обычно устанавливаются следующие рабочие отрезки времени: 15, 30, 60, 90 и 120 мин.
Повторно-кратковременным режимом работы называется такой режим, при котором кратковременные режимы работы регулярно или нерегулярно чередуются с периодами остановки или периодами работы без нагрузки—паузами. Этот режим определяется относительной продолжительностью включения ПВ, под которой понимается отношение времени 390
рабочего периода к суммарной длительности рабочего периода и паузы.
Если период работы электродвигателя обозначить /раб, а длительность остановки, следующей за рабочим периодом, — Л1ауз, то относительная продолжительность включения, выраженная в процентах, будет равна
ПВ = -—---------100 = ^-100%.
*раб ' гпауз *
Нормальными значениями /7 В принято считать 15, 25,40 и 60%, причем общая продолжительность одного рабочего процесса с одной паузой не должна превышать 10 мин. При работе электродвигателя установившийся нагрев его отдельных частей не должен превышать допустимой температуры.
§ 2. РЕОСТАТЫ И СОПРОТИВЛЕНИЯ
Реостаты чаще всего применяются для управления электродвигателями постоянного тока. По назначению такие реостаты разделяются на: а) пусковые, предназначенные для пуска двигателей в ход; б) регулировочные, служащие для регулирования числа оборотов электродвигателей, и в) пускорегулировочные, представляющие собой комбинацию пускового и регулировочного реостатов и предназначенные для пуска двигателей в ход и для регулирования их числа оборотов во время работы.
По устройству каждый из реостатов представляет собой стальной ящик брызгозащищенного исполнения, внутри которого смонтированы сопротивления в виде отдельных секций и элементы защиты. На лицевую сторону ящика выведен маховичок управления. Секции сопротивления выполняются в виде фарфоровых цилиндриков с намотанной на них проволокой высокого удельного сопротивления — константановой или нихромовой. Пуск, остановка и регулирование скорости вращения осуществляются последовательным введением или выведением секций сопротивления.
Пусковые реостаты выпускаются промышленностью с двумя, тремя и четырьмя зажимами. На рис. 22,1 изображены внешний вид и схема четырехзажимного реостата. Реостаты этой серии наиболее совершенны и широко применяются. Помимо секций сопротивлений, они имеют элемент минимальной зашиты — контактор и в некоторых типах — элемент максимальной защиты — максимальное реле.
391
3
Рис. 22,1. Пусковой реостат РП и его схема
Рис. 22,2. Электрические схемы реостатов: а — регулировочного; б — пускорегулировочного
На рис. 22,2 приведены схемы регулировочного реостата и одного из типов пускорегулировочных реостатов.
Пусковые реостаты рассчитываются в зависимости от условий работы, которые определяются соотношением пусковых моментов Мп к номинальному моменту Л7„. При Мп = (0,5-J- 0,7) Мн условия пуска легкие, при Мп (1,0 4--j- 1,5) Мн — нормальные и п>ри Мп = (2,0-е-2,5) 7ИН — тя-392
желые. Поэтому .при подборе пусковых реостатов необходимо учитывать условия их работы.
Сопротивления, применяемые в схемах управления электродвигателями привода, разделяются на пусковые, регулировочные, пускорегулировочные, тормозные, добавочные, экономические, разрядные, балластные и установочные. Эти сопротивления изготовляются как в виде отдельных аппаратов, так и встраиваются в другие аппараты, в частности контроллеры, магнитные станции и посты управления.
По своей конструкции и роду применяемого материала сопротивления подразделяются: а) на проволочные, изготовляемые из проволоки или ленты с большим удельным сопротивлением, и б) на чугунные, отливаемые из чугуна и применяемые при сравнительно больших величинах тока. Однако в корабельных электроприводах, как правило, применяются проволочные сопротивления, обладающие большой механической прочностью.
Проволочное сопротивление обычно состоит из нескольких частей — элементов, которые соединяются по соответствующей схеме, с тем чтобы получить нужную секцию сопротивления. Элементы проволочного сопротивления обычно изготовляются двух видов: а) рамочные (рис. 22,3, о), каж-
Рис. 22,3. Элементы проволочного сопротивления: а — рамочный; б — цилиидричеа ий; в — ящик сопротивлений со снятой крышкой
393
дый из которых состоит из стальной пластины 1 с фарфоровыми желобчатыми накладками-изоляторами 2, на которые намотана проволока или лента <3 большого сопротивления; б) цилиндрические (рис. 22,3,6), каждый из которых состоит из фарфорового или стеатитового цилиндра, на котором наматывается проволока большого сопротивления; после намотки цилиндр покрывается стекловидной эмалью. Разновидностью цилиндрических элементов являются эмалированные трубки сопротивления. Рамочные элементы собираются в ящики сопротивления (рис. 22,3, в), а цилиндрические элементы встраиваются непосредственно в аппарат или также собираются в ящики. Ящики сопротивления выполняются защищенного или брызгозащищенного исполнения.
§ 3. КОНТРОЛЛЕРЫ И КОМАНДОАППАРАТЫ
При ручном управлении корабельными электроприводами часто применяются так называемые контроллеры, а при полуавтоматическом и автоматическом — командо-аппараты.
Контроллеры
Контроллерами называются многоступенчатые электрические аппараты барабанного или кулачкового типа, предназначенные для пуска, регулирования и реверсирования электродвигателей.
Рис. 22,4. Контроллер барабанного типа а — внешний вид; б — схема устройства
394
Барабанные контроллеры (рис. 22,4) имеют контактное устройство, состоящее из ряда контактных пальцев, укрепленных на рейке и приходящих в соприкосновение с контактными сегментами барабана при его вращении. Кулачковые контроллеры имеют контактное устройство, состоящее из ряда неподвижных контактов, с которыми сближаются до соприкосновения и от которых удаляются подвижные контакты, перемещаемые при повороте вала кулачковыми шайбами, укрепленными на нем. Каждое рабочее положение барабана обоих типов контроллеров четко фиксируется храповым приспособлением. При соприкосновении пальцев с контактными сегментами в барабанных контроллерах и при соприкосновении подвижных контактов с неподвижными контактами кулачковых контроллеров в схемах осуществляются необходимые соединения.
Командоаппараты
Командоаппаратами называются одно- или многоступенчатые коммутационные аппараты, предназначенные для включений, отключений и переключений в цепях управления двигателями электроприводов.
Если необходимо дать только импульс для пуска машины или ее остановки, то применяются простейшие командоаппараты— кнопки управления или кнопочные посты. Если же, кроме пуска и остановки, требуется регулировать скорость вращения и осуществлять реверс машины, то в этом случае применяют более сложные командоаппараты — командоконтроллеры.
Командоконтроллеры представляют собой коммутационные аппараты, позволяющие простым поворотом рукоятки или маховичка производить сложные включения и переключения элементов схем управления электрических машин и аппаратов. Другими словами, командоконтроллеры по принципу действия аналогичны контроллерам. Различие между ними состоит в том, что контроллеры предназначаются для коммутации токов сравнительно большой величины, которые протекают по главным цепям электродвигателей, а командоконтроллеры — для коммутации токов незначительной величины, которые протекают по цепям управления.
Командоконтроллеры, как и контроллеры, разделяются на барабанные и кулачковые. Последние наиболее распространены. На рис. 22,5 показан общий вид кулачкового
395
командоконтроллера со снятой крышкой и принципиальная схема его устройства. При повороте вала подвижные контакты 2, перемещаемые кулачковыми шайбами 1, то сближаются до соприкосновения с неподвижными контактами 3, то удаляются от них. При этом осуществляются нужные соединения в схеме управления. Кулачковые командокон-троллеры бывают одинарные — с числом электрических цепей до 9 включительно и двойные — с числом цепей от 14 до 18 включительно.
Рис. 22,5. Кулачковый командоконтроллер
Для удобства монтажа схемы командоаппарат часто совмещают в один комплект с требующимися по схеме управления сопротивлениями и сигнальными устройствами. Такой аппарат называется постом управления. Кроме того, для автоматического отключения электродвигателя при достижении приводимым им в движение механизмом крайнего заданного положения применяются конечные выключатели, которые действуют независимо от командоаппарата. Наиболее часто применяются шпиндельные и кулачковые конечные выключатели. Каждый такой аппарат может замыкать и размыкать несколько цепей управления, осуществляя при этом необходимую последовательность указанных one-раций.
396
§ 4. РЕЛЕ
Под реле понимается электрический аппарат автоматического действия, который приводит в действие другие более мощные аппараты или приспособления при воздействии на него каких-либо факторов, например тока, температуры, света, давления или какой-либо иной физической величины.
Механизм реле в общем случае имеет три основных органа: а) воспринимающий, предназначенный для восприятия воздействия той или иной физической величины; б) исполнительный, осуществляющий включение или выключение более мощного аппарата или механического приспособления; в) промежуточный, сравнивающий величину воспринятого воздействия с заданным и передающий его исполнительному органу. Каждый из этих органов может представлять либо самостоятельную конструктивную часть, либо все они объединены в одно целое конструктивное устройство.
По роду воздействующих факторов реле разделяются на две основные группы: а) электрические, у которых воспринимающие органы реагируют на электрические факторы, и б) неэлектрические, у которых воспринимающие органы реагируют на неэлектрические факторы. Реле первой группы наиболее распространены.
Функции электрических реле весьма разнообразны. Так, например, реле могут применяться для управления работой контакторов, для регулирования режимов работы какой-либо системы, для защиты электрической цепи от перегрузок и коротких замыканий, а также могут быть составными элементами некоторых аппаратов, в частности автоматов. Реле, предназначенные для защиты электрических цепей от ненормальных режимов работы, называются реле защиты, а реле предназначенные для автоматического управления электроприводами, — реле управления.
Электрические реле классифицируются по ряду признаков. Так, в зависимости от скорости и продолжительности действия воспринимающих органов различают реле безынерционные (электронные), реле мгновенного действия (/ср 0,1 сек) и реле с выдержкой времени. Выдержка времени может быть в зависимости от устройства реле зависимой или независимой от величины, вызывающей изменения режима.
По характеру изменения электрического фактора, вызывающего срабатывание, реле разделяются на: а) максималь-
397
ные, действующие, когда электрическая величина повышается до определенного, заранее установленного значения, б) минимальные, действующие, когда электрическая величина понижается до определенного, заранее установленного значения, в) дифференциальные, воспринимающая часть которых реагирует на разность однородных электрических величин, и г) реле направления, действующие при изменении направления электрической величины.
По роду фактора, воздействующего на реле, последние подразделяются на реле тока, реле напряжения, реле промежуточное, реле времени, реле мощности, реле исчезновения поля и т. д В свою очередь реле тока подразделяются на реле максимального, минимального нулевого и обратного тока. Реле максимального тока в электроприводах обычно применяются для защиты электродвигателей от перегрузки или короткого замыкания и для пуска электродвигателей в зависимости от тока. Реле минимального тока служат в основном для контроля тока в цепях возбуждения, а реле нулевого тока — для контроля обрыва цепи тока. Реле обратного тока предназначаются для защиты генераторов при параллельной работе, защиты аккумуляторных батарей при зарядке и других целей. Ц
Реле напряжения бывают обычно минимального и нулевого напряжения. Первые применяются для контроля напряжения в цепи, а вторые — для защиты электродвигателей при исчезновении напряжения.
Промежуточные реле предназначаются для разложения полученного импульса по отдельным цепям и для изменения величины воздействующего на реле импульса, а также для одновременного выполнения указанных выше действий.
Реле времени предназначено для получения заданного интервала времени между моментом получения импульса и моментом срабатывания реле. Это реле применяется в схемах пуска электродвигателя.
Реле мощности в корабельных электроэнергетических системах главным образом применяется для защиты синхронных генераторов от перехода их в двигательный режим, а реле исчезновения или обрыва поля — для защиты электродвигателей при обрыве параллельной обмотки возбуждения.
По принципу действия реле могут быть разделены на электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные, тепловые, электронные и другие типы. 398
По способу включения реле разделяются на п е р в и ч-н ы е, воспринимающий орган которых включается непосредственно в защищаемую цепь, и вторичные, включаемые в цепь через измерительные трансформаторы.
По способу действия различают реле прямого действия, воздействующие непосредственно на механизм выключателя, и реле косвенного действия, управляющие только цепью вспомогательного тока, служащего для воздействия на отключающий механизм выключателя.
По исполнению контактов реле подразделяются на реле с нормальнозакрытыми контактами и релес нормально открытыми контактами. Под нормальным положением контактов понимается их положение при отсутствии воздействующего фактора, например при отсутствии тока или напряжения.
Наконец, по роду тока бывают реле постоянного тока и реле переменного тока.
Таблица 22,1
Некоторые специальные термины
Гермин Определение
Ток (напряжение, мощность) срабатывания реле
Уставка реле
Ток (напряжение, мощность) возврата реле
Коэффициент возврата реле
Чувствительность реле
Выдержка времени реле
Коэффициент размыкания реле
Наименьший ток (напряжение, мощность), при котором реле срабатывает
Настройка реле на определенное значение физической величины, при достижении которой начинается воздействие на управляемый процесс, т. е. включение или выключение реле
Наибольший ток (напряжение, мощность), при котором реле возвращается в исходное положение после срабатывания
Отношение тока (напряжения, мощности) возврата к току (напряжению, мощности) срабатывания, выраженное в процентах или долях единицы
Способность реле реагировать на повреждения или отклонения от нормального режима работы в самом начале их возникновения
Промежуток времени, протекающий от момента начала (конца) воздействия управляющей величины на воспринимающий орган реле до момента начала (конца) воздействия исполнительного органа на управляемый процесс
Отношение мощности размыкания контактов реле к мощности срабатывания
399
Отметим, что при характеристике реле применяется ряд специальных терминов, определяющих возможность использования реле в тех или иных условиях. В табл. 22,1 приведены наиболее характерные термины.
Рассмотрим некоторые типы реле, наиболее часто встречающиеся в электрических приводах корабля.
Электромагнитные реле
Электромагнитные реле, применяемые в схемах управления корабельными электроприводами, весьма разнообразны. Так, электромагнитные реле применяются в качестве максимальных токовых реле, нулевых реле, реле выдержки времени, промежуточных реле, реле напряжения и грузовых реле. Эти реле в зависимости от назначения имеют различные конструктивные исполнения, однако принцип их устройства одинаков.
Основной частью электромагнитных реле является электромагнит с подвижным якорем, или, иначе, магнитная система, причем используются главным образом три типа магнитных систем: стержневая, П-образная и Ш-образная, представленные на рис. 22,6. Реле состоит из стального сердечника 1, катушки 2, подвижного якоря 3, пружины 4 и контактной системы 5. Кроме того, реле имеет регулировочные винты.
Рис. 22,6. Магнитные системы электромагнитных реле
Реле работают следующим образом. При протекании тока по катушке создается магнитный поток, под действием которого якорь стремится притянуться к сердечнику, но притяжению якоря противодействует пружина. Когда же ток, протекающий через катушку, достигнет величины, равной току срабатывания, тогда якорь, преодолевая противодействие пружины, притянется к сердечнику и контакты реле замкнутся, т. е. реле сработает. Регулирование тока 400
срабатывания реле обычно осуществляется изменением нажатия пружины или изменением величины воздушного зазора.
Если электромагнитное реле применяется в качестве реле времени, то для получения необходимой выдержки времени на сердечник реле, как правило, насаживают медную втулку. В ней, как в короткозамкнутом витке, при уменьшении магнитного потока индуктируются вихревые токи, которые по закону Ленца создают магнитный поток, поддер-
Рис. 22,7. Максимальные реле: а — с самовозвратом; б — с магнитным возвратом
живающий спадающий поток реле, чем и достигается задержка в отпадении якоря, т. е. соответствующая выдержка времени. Электромагнитные реле времени изготовляются также и без медной втулки. В таких реле выдержка времени достигается замыканием катушки реле накоротко.
В качестве примера электрических реле на рис. 22,7 показан внешний вид максимального реле с самовозвратом типа РЭ-70 и максимальное реле типа РЭ-170 с магнитным возвратом. Действие реле первого типа заключается в том, что, когда ток в катушке 1 реле достигает величины уставки, якорь 2, преодолевая натяжение пружины, притягивается к сердечнику и разрывает свои нормально закрытые контакты 3—4. Гайка 5 служит для регулирования реле изменением нажатия пружины на хвост якоря. При возрастании тока в катушке второго реле до определенной величины якорь 1, также преодолевая натяжение пружины 2, притяги
26—2107
401
вается и стержнем 3 отводит рычаг 4, разрывая контакты 5. Рычаг 4 задерживается при этом в отведенном положении рычажком 6 и может быть отпущен только при включении тока в катушку 7 электромагнита. Оба типа реле могут быть как с принудительным возвратом, так и с самовозвратом.
Для защиты электродвигателя трехфазного переменного тока применяется максимальное реле мгновенного действия переменного тока. Магнитная система этого реле набирается из листовой электротехнической стали, а с целью устранения вибрации якоря на сердечники электромагнитов насаживают короткозамкнутые витки. В последних под действием переменного магнитного поля индуктируются переменные токи, которые создают наибольшие магнитные потоки тогда, когда основные магнитные потоки становятся равными нулю, благодаря чему устраняется вибрация якоря.
Помимо указанных реле, выпускаются электромагнитные реле типа РМ, в частности максимальные реле РМ-3001, нулевые реле РМ-3000, реле времени (реле напряжения) РМ-3100 и реле напряжения РМ-3150. Конструкции этих реле в отличие от рассмотренных выше имеют некоторые видоизменения.
Тепловые реле
Существует несколько конструкций тепловых реле. На рис. 22,8 схематически показано устройство одной из конструкций теплового реле. Основной частью его является биметаллическая пластинка 2, окруженная нагревательным элементом 1. Биметаллическая пластинка сварена из двух разнородных металлов, которые при нагревании расширяются неодинаково. Поэтому при нагреве они изгибаются в сторону металла, имеющего меньший коэффициент линейного расширения. При номинальном токе биметаллическая пластинка нагревается и изгибается незначительно, что не вы-
Рис. 22,8. Тепловое реле
402
зывает срабатывания реле. Но три перегрузке она сильно нагревается и изгибается настолько, что освобождает рычажок 3. Последний под действием пружины 5, поворачиваясь, размыкает контакты 4—6 в цепи вспомогательного тока, питающего катушку электромагнита — выключателя главного тока.
Возврат реле в исходное положение может быть либо механическим (нажим на специальный рычаг рукой), либо электромагнитным. Однако немедленный возврат реле невозможен, так как оно обладает тепловой инерцией. Обычно возврат реле осуществляется, когда пластинка остынет.
Тепловые реле пригодны для работы на постоянном и переменном токе. Применяются они обычно для защиты электродвигателей от недопустимых перегрузок. В качестве защиты от токов короткого замыкания тепловые реле не могут служить, так как обладают большой тепловой инерцией.
Тепловые реле изготовляются трех величин: первой величины — типа ТТ-12 для токов до 130 а, второй величины — типа ТТ-21 для токов от 20 до 200 а и третьей величины — типа ТТ-31 для токов от 300 до 2000 а. Они выпускаются однополюсными — с одним нагревательным элементом, двухполюсными — с двумя нагревательными элементами и трехполюсными — с тремя нагревательными элементами. Для защиты электродвигателей трехфазного тока, как правило, применяются двухполюсные реле, нагревательные элементы которых включаются в две фазы, что обеспечивает защиту при обрыве цепи одной фазы электродвигателя.
Термоиндукционное реле типа РПТ-2А
Реле типа РПТ-2А представляет собой аппарат переменного тока и предназначается для защиты короткозамкнутых асинхронных электродвигателей серии МАП от перегрузки. Реле поставляется комплектно с магнитными контроллерами переменного тока.
На рис. 22,9 схематически показано устройство термоиндукционного реле. Оно состоит из следующих основных частей: а) трансформатора тока, магнитопроводом которого служат стальной сердечник 1, угольник 2 и стойка 3; первичной обмоткой является последовательная катушка 4, а вторичной — биметаллическая короткозамкнутая спираль 5, закрепленная верхним концом на сердечнике; первичная катушка реле сменная; б) держателя 6, укрепленного на нижнем конце биметаллической спирали; на держа-
26*
403
Рис. 22,9. Термоиндукцпон-ное реле
теле закреплена биметаллическая пластинка 7, служащая температурным компенсатором реле и одновременно выполняющая роль рычага, воздействующего на контакты 8 реле; последние укреплены на пружинящих пластинах; в) кнопки возврата 9.
Во включенном положении биметаллическая пластинка упирается в пружинящие пластины, благодаря чему контакты реле замкнуты. При прохождении через первичную обмотку тока, пре-
вышающего допустимый ток электродвигателя, биметаллическая спираль вследствие нагрева индуктируемым в ней током раскручивается. В результате биметаллическая пластинка, связанная со спиралью, перемещается и размыкает контакты реле. После остывания спирали реле возвращают в исходное положение вручную, нажимая на кнопку возврата, или дистанционно — при помощи специального электромагнита.
Сменные катушки реле изготовляются на номинальные токи от 2 до 160 а, которые составляют 75% тока срабатывания реле за 30 мин. Исполнение реле открытое. Напряжение силовой сети до 380 в переменного тока.
§ 5. КОНТАКТОРЫ И ТАЙМТАКТОРЫ
В схемах полуавтоматического и автоматического управления корабельными электроприводами широко применяются так называемые контакторы и их модификация — таймтакторы.
Контакторы
Контакторами называются электромагнитные аппараты, предназначенные для частых повторных замыканий и размыканий электрических цепей путем нажатия кнопки или поворота рукоятки командоконтроллера в цепи вспомогательного тока, проходящего по катушкам электромагнита.
В зависимости от действий, выполняемых в схемах автоматического управления электрическими машинами, кон-404
такторы разделяются на: линейные, включающие машины в сеть; реверсирующие, меняющие направление вращения машины; контакторы ускорения, или пусковые, шунтирующие секции пускового сопротивления в цепи электродвигателя; тормозные, управляющие процессами торможения электродвигателя; регулирующие, меняющие скорость вращения электродвигателей; контакторы возбуждения, включающие ток возбуждения машины.
Все указанные контакторы, как правило, имеют главные контакты, размыкающие цепи главного тока, и вспомогательные контакты, или блок-контакты, размыкающие цепи вспомогательного тока, причем как главные контакты, так и блок-контакты могут быть нормально открытыми и нормально закрытыми, что предусматривается конструкцией контакторов.
По роду тока контакторы разделяются на контакторы постоянного и переменного тока, причем род тока определяет и различную конструкцию контакторов. Контакторы делаются однополюсными, двухполюсными и трехполюсными. Они изготовляются как односторонними—на одно направление, так и двухсторонними — на два направления.
На рис. 22,10 показан общий вид одностороннего и двухстороннего контакторов одной из конструкций. Первый состоит из электромагнита 1, якоря 2, главных контактов 3 и 4, стального угольника 5 и изоляционного основания 6. Якорь снабжен пружинами 7 и 8, первая из которых обес-
Рис. 22,10. Контакторы постоянного тока:
а — односторонний; б — двухсторонний
405
печивает хороший контакт при замыкании цепи, а вторая возвращает якорь в исходное положение при размыкании цепи катушки электромагнита. Сверху контакты 3 и 4 покрываются искрогасительной камерой 9, в которой происходит гашение дуги при размыкании контактов подобно тому, как это делается в автоматах, т. е. путем магнитного дутья. Двухсторонний контактор имеет одну пару главных контактов 2 нормально открытых и одну пару 3 нормально закрытых, а также одну пару блок-контактов 1. В остальном он ничем не отличается от рассмотренного выше одностороннего контактора.
Контактор переменного тока в основном отличается от контактора постоянного тока только конструкцией магнитной системы. При переменном токе втягивающее усилие катушки контактора пульсирует соответственно изменению тока, так как при каждом переходе тока через нуль магнитный поток также проходит через нуль и в этот момент контактор стремится открыться. Чтобы контактор не вибрировал и не открывался, на его сердечник насаживается короткозамкнутый виток. В этом витке под действием переменного магнитного потока контактора индуктируется переменный ток, образующий свой магнитный поток. Когда основной магнитный поток приближается к нулю или равен нулю, вспомогательный магнитный поток витка, стремясь его поддержать (по закону Ленца), удерживает якорь в притянутом положении. Когда же исчезает магнитный поток витка, основной магнитный поток уже достигает величины, близкой к максимуму.
Контакторы переменного тока выпускаются двух серий — серии КТ и КТФ. Магнитные системы контакторов серии КТ, как правило, изготовляются П-образной и Ш-образной формы, причем магнитные системы обычно отделены от контактных частей. Контакторы серий КТФ разделяются на две основные группы: а) контакторы на 15, 25, 50 и 100 а, выполняемые с поступательно движущимися якорями и контактами,— прямоходовые контакторы типа КТФ5000; б) контакторы на 150, 300 и 600 а, изготовляемые с подвижной системой на поворотном валу, — поворотные контакторы типа КТФ5100. Оба типа контакторов обычно монтируются на изоляционной плите пускателя и станции управления.
На рис. 22,11 показано устройство контактора типа КТФ5000, подвижная система которого разделена на две части с равными массами, сблокированными между собой 406
так, что при ударе вся система остается неподвижной. Контактор имеет три основные части: магнитную систему, контактно-дугогасительное устройство и блок блок-контактов. Магнитная система состоит из переднего и заднего ярма 1, лапами которого контактор крепится к плите 2, двух цилиндрических якорей 3, снабженных пружинами и упорными
Рис. 22,11. Контактор КТФ5000
планками 4 и движущихся в направляющих, втягивающей катушки 5. Якоря связаны между собой блокировочными рычагами, фиксирующими их в симметричном положении относительно оси магнитной системы. На торцах якорей имеются короткозамкнутые витки, устраняющие вибрацию контактора. Контактная система состоит из подвижных контактов 6, укрепленных на траверсах 7, и неподвижных контактов 8, укрепленных внутри дугогасительных камер 9. Контактор обычно имеет два нормально открытых и два нормально закрытых блок-контакта рубящего типа. Дуго-гасительные камеры выполнены из специальной пластмассы.
При подаче напряжения на втягивающую катушку якоря намагничиваются и притягиваются друг к другу, в результате чего главные контакты контактора замыкаются. При снятии напряжения якоря под действием пружины отбрасываются до упора и главные контакты контак-407
Пуск Стоп
/ Р
----VV
р
Рис. 22,12. Контактор КТФ5100 и его схема управления
тора размыкаются. Вместе с главными контактами замыкаются и размыкаются блок-контакты, включенные в сигнальные цепи и цепи управления. Гашение дуги основано на охлаждении ее о стенки камеры.
Устройство и схема управления контактора типа КТФ5100 показаны на рис. 22,12. Он состоит из магнитной системы, в состав которой входят стальной сердечник — якорь 1, втягивающая катушка 2 и скоба-держатель 3 якоря, контакторного устройства, отделенного от магнитной системы и собранного на изолированном валу 4, дугогасительных камер 5, внутри которых помещены главные контакты контактора, реле-защелки 6 с блок-контактами, имеющего магнитную систему, аналогичную магнитной системе кон-408
та'ктора КТФ5000, блокирующего рычага и дополнительных блок-контактов 7. Все основные части монтируются на гетн-наксовой плите. На рабочих поверхностях сердечника имеются короткозамкнутые витки, устраняющие вибрацию магнитной системы.
Работает контактор следующим образом. При нажатии кнопки «Пуск» подается напряжение на катушку Р реле-защелки, последнее, включаясь, отводит рычаг защелки и своими блок-контактами Р замыкает цепь катушки К контактора и шунтирует кнопку «Пуск». В результате контактор включается. При нажатии кнопки «Стоп» цепь катушки реле-защелки разрывается, якоря реле расходятся и контакт реле разрывает цепь катушки контактов. В результате контактор отключается.
Контакторы типа КТФ изготовляются также смешанного тока.
Таймтакторы
Таймтактором называется контактор с выдержкой времени. Тай.мтактор обычно совмещает функции контактора ускорения и электромагнитного реле времени. На рис. 22,13 показаны магнитная система и общий вид таймтактора.
Таймтактор имеет две магнитные системы: нижнюю Л, выполняющую роль реле времени, и верхнюю В, выполняющую
Рис. 22,13. Схема устройства и внешний вид таймтактора
409
роль контактора. При отсутствии тока в катушках электромагнита пружина П прижимает якорь Я к сердечнику магнитной системы А и главные контакты D разомкнуты. Когда же ток протекает по обеим катушкам, создаются силы притяжения F) и К2, которые стремятся повернуть якорь в разные стороны вокруг оси вращения. При этом сила F\ стремится удержать якорь Я притянутым к сердечнику электромагнита А, а сила К2 стремится оторвать якорь от того же сердечника, притянуть его к сердечнику В и замкнуть тем самым главные контакты.
Для действия таймтактора необходимо, чтобы магнитный поток в системе А достиг определенной величины. Поэтому в схемах автоматики с таймтакторами предусматривается некоторое опережение включения катушки магнитной системы А против катушки магнитной системы В. При размыкании цепи катушки нижней магнитной системы А ток в ней и связанный с ним магнитный поток начинают спадать. По истечении некоторой выдержки времени усилие магнитной системы В преодолевает удерживающее усилие магнитной системы А и тай.мтактор срабатывает, замыкая главные контакты D. Поскольку катушка магнитной системы А создает выдержку времени, то она называется удерживающей, а катушка магнитной системы В — включающей.
§ 6. МАГНИТНЫЕ СТАНЦИИ И ПУСКАТЕЛИ
Для удобства монтажа и обслуживания часть аппаратуры управления и защиты, как правило, монтируется в одном ящике. Такое устройство называется магнитной или контакторной станцией. На данных станциях для отличия аппаратов приняты буквенные и цифровые обозначения: буквенные обозначения отдельных элементов станции содержат начальные буквы наименования аппаратов и их действия, например: КЛ—контактор линейный. КУ— контактор ускорения, ТУ — таймтактор ускорения, РТ—реле тепловое и т. д.; цифры впереди буквенного обозначения дают порядковый номер данного аппарата магнитной станции для отличия его от других однородных аппаратов, имеющихся в данной магнитной станции.
Кроме магнитных станций, наши заводы для пуска электродвигателей изготовляют так называемые магнитные пускатели, включающие в себя контактор, тепловые реле и кнопки управления, смонтированные в одном ящике. На рис. 22,14 представлен магнитный пускатель типа ПМ 410
для пуска и остановки, а также для защиты от перегрузки трехфазных короткозамкнутых асинхронных электродвигателей. Кроме того, пускатели осуществляют и нулевую защиту.
Магнитные пускатели выпускаются как нереверсивные, так и реверсивные при номинальном напряжении до 380 в. По исполнению пускатели изготовляются открытого, брызгозащищенного и водозащищенного исполнения. Пускатели открытого исполнения обычно устанавливаются непосредственно в корпусе
Рис. 22,14. Магнитный пускатель типа ПМ
управляемого механизма.
Для дистанционного управления асинхронными электродвигателями серии МЛП выпускаются еще так называемые магнитные контроллеры, которые по устройству и принципу действия аналогичны магнитным станциям. Управление ими
также осуществляется с помощью командоконтроллера.
ГЛАВА 23
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Управление корабельными электроприводами сводится к управлению их электродвигателями. Управление же электродвигателями в общем случае заключается в пуске их в ход, регулировании числа оборотов, реверсировании, торможении и остановке, а также в защите от перегрузок и других ненормальных явлений, возникающих в цепях электродвигателей. Эти операции могут быть выполнены вручную, полуавтоматически или автоматически с помощью соответствующей аппаратуры управления и защиты,
В соответствии с этим различают три способа управления корабельными электроприводами: ручной, полуавтоматический и автоматический. При ручном управлении все необходимые включения и переключения в схемах электроприводов производятся непосредственно обслуживающим персоналом при помощи соответствующих аппаратов управления. При автоматическом управлении все основные переключения в схемах электроприводов осуществляются автоматически соответствующими аппаратами управления, а роль обслуживающего персонала сводится к начальному включению схем и к их отключению. Иногда и эти действия обслуживающего персонала также автоматизированы. При полуавтоматическом управлении, т. е. с ограниченной степенью автоматизации управления, часть операций выполняется обслуживающим персоналом вручную, а часть — автоматически аппаратами управления.
В зависимости от типа аппаратов управления, применяемых для управления электродвигателями приводов, различают следующие системы управления электроприводами: 412
1) безреостатные, 2) реостатные, 3) контроллерные, 4) контакторные и 5) специальные системы.
Выбор той или иной системы определяется характером и условиями работы электропривода и, следовательно, его электродвигателя.
Процесс работы каждого электропривода осуществляется по вполне определенной схеме включения. Почти каждая схема включения состоит: 1) из цепи главного тока, или, иначе, схемы главного тока и 2) из цепи вспомогательного тока, или схемы управления. Кроме того, в достаточно развитых автоматических схемах могут иметь место и следующие цепи: цепь защиты, цепь блокировки и цепь сигнализации, или контроля.
Схемы электроприводов весьма разнообразны, а цепи управления автоматизированных приводов в ряде случаев, кроме того, и очень сложны. Поэтому для облегчения вычерчивания и чтения схем электроприводов приняты условные обозначения электродвигателей, аппаратов управления и защиты, а также их отдельных элементов. В приложении 1 приведены условные обозначения основных элементов электропривода. Приняты также определенные правила вычерчивания схем. Так, по способу изображения схемы электроприводов разделяются на совмещенные и развернутые схемы. Принципиальные схемы автоматизированных электроприводов, как правило, вычерчиваются в виде развернутых схем. На этих схемах отдельные элементы каждого аппарата изображаются раздельно в различных местах схемы. Однако все части одного аппарата обозначаются одинаковыми буквами. Если же в схеме имеется несколько одинаковых аппаратов, то перед буквами ставятся порядковые номера аппаратов.
На развернутых схемах все параллельные ветви цепи управления изображаются между двумя питающими линиями в виде параллельно расположенных линий с включенными в них соответствующими аппаратами. Кроме того, ветви цепи управления вычерчиваются тонкими линиями, а цепи главного тока — жирными. Если же в схемах в качестве командоаппарата применяется командоконтроллер, то на чертежах рядом со схемой приводят таблицу чередования замыканий контактов командоконтроллера. Такая таблица обычно называется диаграммой управления.
На совмещенных схемах каждый аппарат или прибор изображается в виде одного полного символа, в котором собраны все имеющиеся в аппарате обмотки и контакты.
413
§ 2. БЕЗРЕОСТАТНАЯ И РЕОСТАТНАЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Безреостатной системой управления обычно называется система управления электродвигателями приводов без сопротивления. Такое управление применяется в тех случаях, когда все операции сводятся к пуску в ход и остановке двигателя. В этом случае пуск электродвигателя привода производится непосредственным включением в сеть, т. е. без-реостатно. Эта система характеризуется большими пусковыми токами и поэтому она, как правило, применяется для управления небольшими электродвигателями приводов.
Рис. 23,1. Схема управления электродвигателем пусковым реостатом
Под реостатной системой управления понимается управление электроприводами с помощью пусковых, регулировочных или пуско-регулировочных реостатов. Такое управление отличается простотой и применяется в тех электроприводах, где не требуется реверсирования, торможения и частых пусков, например у вентиляторов.
На рис. 23,1 приведена типовая схема управления электродвигателем смешанного возбуждения при помощи пускового реостата. При пуске двигателя в ход необходимо замкнуть пакетный переключатель ПП на магистраль левого или правого борта в соответствии с корабельным расписанием и медленно повернуть рычаг Р пускового реостата РЗП до отказа. При прохождении рычага реостата через контакт 3 образуется цепь контактора К
(+) — ПП—Л1 — 3 — Р—К— РМ — Л2 — ПП — (—). 414
В результате контактор К сработает и включит электродвигатель в сеть по схеме
.------Ш — H11LU2-----х
( + )—ПП—Л1—К—' )—Л2—ПП—(—).
СП-РМ—Я1-М—С1С2—/
Электродвигатель начинает вращаться с малой скоростью, так как в цепь якоря введено все пусковое сопротивление СП. При сходе рычага Р с контакта 3 в цепь питания контактора К будет включено сопротивление СЭ, которое уменьшит ток катушки контактора, а следовательно, и ее нагрев. Контактор при этом не сработает, так как для удержания его контактов в замкнутом положении необходим меньший ток по сравнению с тем, который требуется для включения аппарата. С переходом рычага на последующие контакты будут выводиться секции пускового сопротивления из цепи якоря и, когда рычаг станет на последний контакт, сопротивление СП будет полностью выведено, благодаря чему электродвигатель разовьет нормальную скорость.
Остановка электродвигателя производится быстрым поворотом маховичка реостата в крайнее левое положение «Откл.» (контакт /). При этом в цепь якоря электродвигателя вводится полное сопротивление реостата и шунтируется контактор К, который размыкает свой контакт и отключает электродвигатель от сети, вследствие чего он останавливается. После шунтирования контактора в его цепи остается включенным сопротивление СЭ, чем предотвращается короткое замыкание сети с момента шунтирования контактора до его отключения.
Максимальная защита электродвигателя осуществляется при помощи реле РМ, которое при увеличении тока до величины уставки срабатывает и размыкает своими контактами цепь питания контактора К, вследствие чего последний срабатывает и отключает электродвигатель от сети. Минимальную защиту осуществляет контактор, который при понижении напряжения сети до 65—25% номинального значения отпускает свой якорь и размыкает свою цепь питания и цепь 'питания обмоток электродвигателя, благодаря чему последний останавливается.
§ 3. КОНТРОЛЛЕРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Под контроллерной системой управления понимается управление электродвигателями приводов при помощи контроллеров. Эта система позволяет простым поворотом руко-
415
ятки или маховичка пускать электродвигатель, регулировать число его оборотов, изменять направление вращения, тормозить и выполнять другие действия по управлению электродвигателем привода. Однако контроллерная система управления может применяться с успехом только тогда, когда рабочий ток электродвигателя сравнительно небольшой и
Вперед
К
65^3210
Назад
Рис. 23,2. Схема управления электродвигателем при помощи барабанного контроллера
разрыв тока можно осуществить в самом контроллере. При больших рабочих токах контроллерная система затрудняет управление из-за больших размеров контроллера. Кроме того, она не обеспечивает достаточную надежность работы при большой частоте включений. На кораблях контроллерные системы обычно применяются для управления электродвигателями подъемных и валоповоротных устройств.
На рис. 23,2 приведена схема управления электродвигателем постоянного тока при помощи контроллера барабанного типа. На схеме обозначены: М — якорь электродвига-416
теля последовательного возбуждения; Cl, С2 — обмотка возбуждения; СП — пускорегулирующее сопротивление; К — реверсивный контроллер; И — искрогасительное устройство.
Действие схемы состоит в следующем. При пуске электродвигателя «Вперед» необходимо поставить рукоятку контроллера на первое положение, при этом цепь электродвигателя замкнется по схеме
{-\-) — С1С2 — 6—СП—1 — К—8 — 9 — М—11~
При этом электродвигатель начнет вращаться с малой скоростью. Последовательным поворотом рукоятки контроллера с одного положения на другое постепенно увеличивают скорость вращения электродвигателя. На последнем (шестом) положении весь реостат выводится и электродвигатель работает с полным числом оборотов.
При постановке рукоятки контроллера на первое положение «Назад» происходит реверс за счет переключения обмотки якоря, причем весь процесс пуска происходит так же, как и при работе «Вперед». Чтобы остановить электродвигатель, необходимо штурвал контроллера поставить в нулевое положение. Цепь электродвигателя будет разорвана и он остановится.
§ 4. КОНТАКТОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Под контакторной системой управления обычно понимается управление электроприводами при помощи контакторов, реле и командоаппаратов, а также с помощью магнитных пускателей. Эта система относится к числу автоматических. Поэтому она находит наиболее широкое применение изо всех систем управления.
Схемы контактного управления электроприводами постоянного тока по принципу пуска в ход электродвигателей разделяются на схемы пуска в зависимости от противоэлектро-движущей силы, от тока электродвигателя и от времени. Схемы пуска в зависимости от времени применяются и для управления электроприводами переменного тока. Автоматические схемы могут быть выполнены также в зависимости от скорости электропривода, от пройденного пути и от величины ускорения.
27—2107
417
Схема управления в зависимости от противоэлектродвижущей силы
Принцип действия подобных схем основан на увеличении обратной э. д. с. при разгоне электродвигателя. На рис. 23,3 представлена схема пуска электродвигателя параллельного возбуждения. На схеме обозначены: Я — якорь электродвигателя; Ш1Ш2 — обмотка возбуждения; КЛ— контактор линейный, 1КУ, 2 КУ — контакторы ускорения; РМ— реле максимальное; 1СП, 2СП — ступени пускового сопротивления.
Рис. 23,3. Схема управления электродвигателем в зависимости от противоэлектродвижущей силы
Предварительной операцией перед пуском электродвигателя является замыкание рубильника и нажатие кнопки «Пуск», а после этого все операции осуществляются автоматически при помощи контакторов.
При включении рубильника подается напряжение на обмотку возбуждения электродвигателя и к цепи управления, а при нажатии кнопки «Пуск» — на катушку линейного контактора КЛ. Последний срабатывает и замыкает свои нормально открытые главные контакты и блок-контакты. В результате образуются две замкнутые цепи
,—КЛ — РМ — Я — 1СП — 2СГК
(+)-1Р7 У
„Стоп" — КЛ — РМ — КЛ 7
Якорь электродвигателя оказывается подключенным к сети через две ступени пускового сопротивления и начинает вращаться с малой скоростью, а кнопка «Пуск» зашун-418
тирована и, следовательно, может быть отпущена. Когда кнопка отпущена, катушки контакторов ускорения 1КУ и 2КУ подключаются к зажимам якоря электродвигателя. Однако в первый момент пуска напряжение на зажимах якоря, равное /я гя мало и контакторы не срабатывают, так как они отрегулированы на определенные величины напряжения По мере нарастания скорости электродвигателя в обмотке якоря увеличивается противоэлектродвижущая сила и, следовательно, увеличивается напряжение на зажимах якоря и катушек контакторов ускорения. При определенном числе оборотов напряжения на зажимах якоря вследствие увеличения противоэлектродвижущей силы достигает такой величины, на которую отрегулирован контактор 1КУ. Последний срабатывает и шунтирует первую ступень пускового сопротивления 1СП.
При дальнейшем увеличении числа оборотов электродвигателя напряжение на его зажимах вследствие увеличения противоэлектродвижущей силы будет увеличиваться. Когда же напряжение на зажимах якоря достигнет величины, на которую отрегулирован контактор 2 КУ, последний сработает и зашунтирует вторую ступень пускового сопротивления 2СП. Скорость электродвигателя снова возрастет и достигнет нормальной, чем завершится процесс пуска электродвигателя.
Нормальная остановка электродвигателя производится нажатием кнопки «Стоп». Максимальную защиту осуществляет реле РМ, а минимальную — линейный контактор КЛ. Последний во всех случаях отключает электродвигатель от сети, и он останавливается.
Схема пуска электродвигателя в зависимости от проти-воэлектродвижущей силы весьма проста. Однако она обладает рядом существенных недостатков. Во-первых, при колебаниях напряжения в сети возможно включение пусковых сопротивлений. Во-вторых, при пуске нагруженного электродвигателя возможно несрабатывание контакторов ускорения. Эти недостатки сильно ограничивают область применения рассматриваемой схемы управления. Она применяется только в установках с постоянным напряжением для пуска небольших электродвигателей с малой частотой включений.
Схема управления в зависимости от тока
Принцип действия подобных схем контактного управления основан на уменьшении пускового тока при разгоне электродвигателя. В качестве примера на рис. 23,4 изобра-
27*
419
Рис. 23,4. Схема управления электродвигателем в зависимости от тока
жена схема пуска электродвигателя последовательного возбуждения, где обозначены: Я — якорь электродвигателя; С1С2 — обмотка возбуждения электродвигателя; КЛ— линейный контактор; 1КУ, 2КУ — контакторы ускорения; 1РУ, 2РУ — реле ускорения с последовательной катушкой; РМ — максимальное реле; 1СП, 2СП — ступени пускового сопротивления. Пуск электродвигателя осуществляется включением рубильника и нажатием кнопки «Пуск», а все остальное выполняется автоматически при помощи реле и контакторов.
При нажатии кнопки «Пуск» ток проходит по катушке линейного контактора КЛ. Последний срабатывает и своими нормально открытыми (н. о.) главными контактами включает электродвигатель на сеть через две ступени пускового сопротивления, а н. о. блок-контакты шунтируют кнопку «Пуск», которая может быть отпущена. Одновременно ток поступает в катушку реле ускорения 1РУ и оно размыкает свои нормально закрытые (н. з.) контакты в цепи катушки контактора ускорения 1КУ, не позволяя ему сработать преждевременно. Электродвигатель же начинает разворачиваться, благодаря чему ток в якоре будет уменьшаться. Когда ток уменьшится до величины, на которую отрегулировано реле 1РУ (обычно до 1,1Z„), последнее отпустит якорь и замкнет свои контакты 1РУ. При этом ток пойдет через катушку контактора ускорения 1КУ и он сработает, шунтируя первую ступень 1СП пускового сопротивления и включая катушку реле ускорения 2РУ в цепь якоря. В резуль-420
тате ток в якоре несколько уменьшится, а реле разомкнет свои н. з. контакты в цепи катушки контактора 2КУ, не позволяя ему раньше времени замкнуть свои контакты.
При дальнейшем увеличении скорости электродвигателя ток в его якоре будет уменьшаться, и, когда он достигнет величины, на которую отрегулировано реле 2РУ, последнее отпустит якорь и замкнет свои контакты в цепи катушки контактора 2КУ. Контактор сработает и зашунтирует вторую ступень пускового сопротивления, после чего электродвигатель начнет вращаться с нормальной скоростью.
Остановка электродвигателя осуществляется нажатием кнопки «Стоп», максимальная защита — максимальным реле РМ, а минимальная защита — контактором КЛ, который во всех случаях отключает электродвигатель от сети, и он останавливается.
Схемы управления в зависимости от времени
Процесс управления в этих схемах осуществляется при помощи или реле времени и контакторов ускорения, или таймтакторов. Последние же работают в определенной последовательности по строго установленному графику. Поэтому эти схемы обеспечивают более надежную работу электродвигателя, чем другие схемы управления.
На рис. 23,5 представлен простейший тип схемы контакторного управления электродвигателем параллельного воз-
Рис. 23,5. Схема управления электродвигателем при помощи контакторов
421
буждения. На схеме обозначены: Я — якорь электродвигателя; Ш1, Ш2 — обмотка возбуждения электродвигателя; 1СП, 2СП — пусковые сопротивления; РМ — максимальное реле; КЛ — линейный контактор; 1КУ, 2КУ — контакторы ускорения; 1РУ, 2РУ—реле ускорения.
При пуске в ход электродвигателя необходимо включить линейный рубильник 1Р и нажать кнопку «Пуск».
При включении рубильника 1Р ток поступает в параллельную обмотку возбуждения, в катушки реле ускорения 1РУ и 2РУ по схеме
/РМ — Я—1СП — 2РУ.
(+) — 1Р~-------Ш1Ш2---------1Р— (—).
\------КЛ—1РУ-------/
Реле ускорения включаются и размыкают свои нормально закрытые контакты 1РУ и 2РУ в цепях катушек контакторов ускорения 1КУ и 2КУ, не позволяя последним срабатывать раньше времени.
При нажатии кнопки «Пуск» замыкается цепь катушки линейного контактора КЛ. Последний срабатывает и включает якорь электродвигателя в сеть по схеме
{+} — 1Р — РМ — Я—1СП—2СП—КЛ—1Р—{—).
Якорь электродвигателя, имея возбуждение, начинает вращаться с малой скоростью. Одновременно с этим шунтируется кнопка «Пуск» нормально открытым блок-контак-том КЛ и выключается реле ускорения 1РУ. Последнее, оставшись без тока, с выдержкой времени замыкает свои контакты в цепи катушки контактора 1КУ. вследствие чего контактор срабатывает и замыкает свои контакты. При этом контактор шунтирует первую ступень сопротивления 1СП и реле 2РУ. Последнее с выдержкой времени замыкает свои контакты, включенные в цепь катушки контактора 2КУ. Контактор срабатывает и шунтирует вторую ступень пускового сопротивления 2СП. После этого электродвигатель начинает вращаться с нормальной скоростью.
Защита от перегрузок и коротких замыканий осуществляется максимальным реле РМ, которое при увеличении тока в цепи якоря выше допустимого значения срабатывает и размыкает цепь катушки линейного контактора. Последний отключает электродвигатель от сети, и он останавливается. Минимальная защита осуществляется с помощью линейного контактора.
422
На рис. 23,6 показана простейшая схема контакторного управления асинхронным короткозамкнутым электродвигателем при помощи магнитного пускателя. На схеме обозначены: Д — короткозамкнутый асинхронный двигатель; КЛ — трехполюсный линейный контактор; РТ — тепловое реле.
Схема предусматривает пуск, остановку и защиту электродвигателя. При пуске в ход электродвигателя Д необходимо включить трехполюсный рубильник и нажать кнопку
Рис. 23,6. Схема управления асинхронным электродвигателем при помощи магнитного пускателя
«Пуск» Вследствие этого замыкается цепь катушки линейного контактора КЛ по схеме
пр. 1 — 2РТ— КЛ — „Пуск" — „Стоп" — 1РТ— пр. 3.
В результате трехполюсный контактор срабатывает и включает обмотку статора непосредственно в сеть. Электродвигатель приходит во вращение. Одновременно замыкаются блок-контакты КЛ, шунтирующие кнопку «Пуск», благодаря чему она может быть отпущена.
Остановка электродвигателя производится нажатием кнопки «Стоп». При этом цепь управления, а следовательно, и катушка контактора КЛ остаются без тока, что приводит к размыканию главных контактов контактора КЛ и остановке электродвигателя.
Защита от перегрузки осуществляется тепловыми реле 1РТ и 2РТ, которые при перегрузке размыкают цепь питания катушки контактора. Последний отключает электродвигатель от сети. Минимальная защита осуществляется контактором КЛ, который при исчезновении или значительном снижении напряжения размыкает свои контакты и отключает электродвигатель от сети, который и останавливается.
423
Недостатком схем управления с независимой выдержкой времени является то, что как при пуске электродвигателя вхолостую, так и при пуске с полной нагрузкой время включения пусковых сопротивлений остается одинаковым. Это может привести к тому, что при пуске электродвигателя при полной нагрузке пусковые токи могут иметь весьма большие значения.
§ 5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Специальными системами управления обычно считаются системы генератор—двигательи с электромашинными усилителями. Эти системы управления применяются в тех случаях, когда требуется очень широкая и плавная регулировка скорости вращения электродвигателя, например для электродвигателей рулевых приводов.
Система генератор — двигатель
Особенностью этой системы управления является то, что питание исполнительного электродвигателя, приводящего в движение тот или иной механизм, производится не непосредственно от сети, а от специального вращающегося преобразователя.
Система генератор—двигатель позволяет: а) пускать исполнительный электродвигатель без пускового реостата; б) плавно регулировать скорость исполнительного электродвигателя в широких пределах — от нуля до максимальной; в) изменять направление вращения исполнительного электродвигателя; г) тормозить исполнительный электродвигатель; д) управлять исполнительным электродвигателем на расстоянии, причем при всех этих операциях преобразователь работает с постоянной скоростью вращения.
Имеющая наибольшее распространение система генератор— двигатель показана на рис. 23,7. Для пуска в ход этой системы необходимо замкнуть линейный переключатель Р. При этом подается питание на независимую обмотку возбуждения НО исполнительного электродвигателя ИД, пусковой реостат ПР и пост управления ПУ. При повороте рукоятки пускового реостата приводной электродвигатель преобразователя ПД начинает вращаться. Когда двигатель — генератор разовьет нормальное число оборотов, с помощью поста управления ПУ надо дать небольшое возбуждение генератору Г, при котором он разовьет небольшое напряжение. Такое же напряжение будет на исполнительном элек-424
тродвигателе, который начнет вращаться с малой скоростью.
Для увеличения скорости вращения исполнительного электродвигателя надо выводить сопротивление регулировочного реостата ПУ. Вследствие уменьшения сопротивления в цепи возбуждения генератора напряжение на его зажимах будет расти и вместе с тем будет расти и скорость
Рис. 23,7. Схема системы генератор — двигатель
вращения исполнительного электродвигателя, так как скорость его пропорциональна напряжению.
Чтобы произвести реверс исполнительного электродвигателя, надо изменить направление тока в обмотке возбуждения генератора путем перевода рычага поста управления с одной стороны на другую. При этом изменится направление тока в генераторе, а следовательно, и в якоре исполнительного электродвигателя и он будет вращаться в другую сторону.
Чтобы затормозить исполнительный электродвигатель, надо разомкнуть цепь возбуждения генератора, т. е. поставить рычаг поста управления на положение «Стоп». При этом исполнительный электродвигатель, вращаясь по инерции и имея нормальное возбуждение, перейдет в режим генератора, причем якорь его будет замкнут на очень малое сопротивление якоря генератора и электродвигатель ИД быстро остановится.
Кроме того, система генератор — двигатель обеспечивает
425
автоматическое снижение скорости вращения исполнительного электродвигателя при увеличении нагрузки,а следовательно, уменьшает перегрузку как электродвигателя, так и системы. Действительно, увеличение нагрузки на исполнительный электродвигатель вызывает увеличение тока в якоре генератора, что в свою очередь приводит к увеличению магнитного потока противокомпаундной обмотки. Последний, будучи направлен навстречу магнитному потоку независимой обмотки возбуждения, уменьшает результирующий магнитный поток генератора и, следовательно, снижает напряжение на зажимах генератора. Снижение напряжения генератора вызывает уменьшение числа оборотов исполнительного электродвигателя и ограничивает развиваемую им мощность, что видно из следующего уравнения:
П Мп
Р==^5Кв,П>
где М — вращающий момент, развиваемый электродвигателем и равный моменту сопротивления, приложенному к его валу;
п — число оборотов электродвигателя в минуту.
При сильной перегрузке исполнительный электродвигатель может даже остановиться и одну — две минуты стоять под током без чрезмерного перегрева его обмоток и коллектора, так как от сильного размагничивающего действия противокомпаундной обмотки напряжение генератора уменьшится до незначительной величины и ограничит ток в якоре электродвигателя до безопасной величины.
Таким образом, система генератор — двигатель обладает следующими достоинствами: 1) простотой пуска и плавностью регулировки скорости вращения исполнительного электродвигателя; 2) простотой реверса исполнительного электродвигателя; 3) простотой торможения исполнительного электродвигателя; 4) пост управления можно вынести на значительное расстояние от исполнительного электродвигателя, например на мостик корабля; 5) надежностью действия.
Основными недостатками системы генератор — двигатель являются наличие трех машин и относительная сложность схемы.
Система с электромашинным усилителем
Система управления с электромашинным усилителем представляет собой видоизменение системы генератор — 426
двигатель. Принципиальная схема этой системы представлена на рис. 23,8. Схема состоит из приводного электродвигателя ПД, электромашинного усилителя ЭУ с обмоткой управления ОУ и компенсационной обмоткой КО, исполнительного электродвигателя ИД с независимой обмоткой возбуждения НО, пускового реостата ПР и поста управления ПУ, представляющего собой небольшой регулировочный реостат в цепи обмотки управления.
Эта система позволяет выполнять все операции по управлению исполнительным электродвигателем так же, как и
рассмотренная выше система генератор—двигатель. Однако ток в цепи управления системы с электромашинным усилителем, как правило, значительно меньше, чем в системе генератор—двигатель, так как мощность, подводимая к обмотке управления усилителя, небольшая и обычно исчис
Рис. 23,8. Схема управления электродвигателем с помощью электромашинного усилителя
ляется несколькими ваттами, а в небольших машинах и долями ватта. Кроме того, система с
электромашинным усилителем позволяет осуществлять пуск, торможение, реверсирование и регулирование скоро
сти вращения исполнительного электродвигателя очень быстро, так как электромашинный усилитель почти не обладает электромагнитной инерцией, благодаря чему влияние самоиндукции на протекание процессов почти исключается.
Электромашинные усилители мощностью до 25 квт, как правило, применяются для непосредственного питания исполнительных электродвигателей. При большой мощности исполнительных электродвигателей электромашинные усилители применяются ;в качестве возбудителей генераторов в системе генератор—-двигатель. Это, естественно, несколько усложняет систему, но работа системы значительно улучшается.
ГЛАВА 24
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ КОРАБЛЯ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Современный корабль имеет большое количество вспомогательных механизмов и устройств, предназначенных для различных целей. По назначению корабельные вспомогательные механизмы разделяются на рулевые, якорные, грузоподъемные, валоповоротные механизмы, насосы, вентиляторы, бытовые механизмы и механизмы специального назначения. Все эти механизмы должны иметь высокую надежность действия, живучесть, минимальные вес и габариты. Поэтому большинство корабельных вспомогательных механизмов имеют электрический привод, который по сравнению с другими видами привода имеет небольшой вес и малые габариты, надежен в действии и прост в эксплуатации. Кроме того, электрический привод наиболее полно удовлетворяет всем требованиям и особенностям работы различных корабельных механизмов и устройств.
Приводные электродвигатели многих корабельных вспомогательных механизмов в зависимости от их режимов работы должны иметь либо широкую и плавную регулировку скорости вращения, либо большую перегрузочную способность, либо то и другое одновременно. Эти особенности и определяют выбор того или иного типа электродвигателя для вспомогательного механизма, той или иной системы его управления.
С целью стандартизации электроприводов корабельных вспомогательных механизмов, а следовательно, и облегчения их обслуживания разработаны типовые контакторные схемы управления электроприводами отдельных групп корабельных вспомогательных механизмов.
428
§ 2. РУЛЕВЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
Устройство, предназначенное для изменения курса корабля, а также для удержания его на заданном курсе, называется рулевым устройством. Оно состоит из руля и, как правило, электропривода. Руль в свою очередь состоит из пера и баллера. Перо служит для изменения курса корабля, а баллер — для крепления пера в кормовом подзоре корабля и поворота пера с помощью электропривода. Последний же
Рис. 24,1. Схема электромеханического винтового рулевого устройства
состоит из электродвигателей, передачи, связывающей электродвигатели с баллером руля, и аппаратуры управления.
Рулевые устройства по характеру связи электродвигателей с баллером руля разделяются на электромеханические, т. е. с механической передачей на руль и, электрогидравли-ческие, т. е. с гидравлической передачей на руль, причем электромеханические устройства в свою очередь подразделяются на винтовые, секторные и штуртросовые. Наибольшее же распространение на кораблях флота получили электромеханические винтовые и секторные рулевые устройства и электрогидравлическне рулевые устройства. Поэтому ниже рассмотрим принцип действия только этих устройств.
На рис. 24,1 изображена схема электромеханического винтового рулевого устройства. Сущность действия его состоит в следующем. Электродвигатели М (на рис. 24,1 один не показан) через дифференциальную муфту D и шестерни Ш вращают шпиндель 1, имеющий правую и левую нарезки. На шпинделе находятся два ползуна гайки 4, которые, двигаясь при вращении шпинделя по направляющим 5, сближаясь или удаляясь друг от друга, при помощи тяг 3 вращают румпель 2 и, следовательно, баллер Б руля. Дифференциальная муфта обеспечивает как одновременную
429
работу двух электродвигателей, так и раздельную работу каждого из них. Перекладка руля с борта на борт осуществляется изменением направления вращения электродвигателей.
Секторные рулевые приводы бывают одномоторные одинарные, т. е. работающие на один руль, одномоторные двойные и двухмоторные двойные, т. е. работающие на два руля. По конструкции они имеют много общего. На рис. 24,2 представлена схема двойного секторного привода с двумя электродвигателями. Привод состоит из редуктора /, зубчатого сектора 2, румпелей 3 с тормозами 4 и тягами 5, связываю-
Рис. 24,2. Схема секторного рулевого привода
щими румпели с сектором. Последний свободно вращается на оси стальной стойки и постоянно находится в зацеплении с ведущей шестерней редуктора. Нормально перекладка рулей производится электродвигателями 6, а в аварийных случаях применяется ручная перекладка, осуществляемая двумя штурвалами 7, связанными цепной 8 и конической 9 передачами с сектором. Привод обеспечивает как одновременную, так и раздельную работу электродвигателей. На приводе установлены два электрических ограничителя поворота руля.
На рис. 24,3 представлена схема электро-гидравлического рулевого устройства. Принцип действия его состоит в том, что электродвигатель приводит в действие специаль-
430
Рис. 24,3. Схема электрогидравлического рулевого устройства
ный насос, нагнетающий рабочую жидкость в правый или левый гидравлический пресс, который и воздействует на баллер руля. Управляя работой насоса при помощи рычажной передачи, осуществляют перекладку руля.
Характерными особенностями работы рулевых устройств являются: а) непрерывный или продолжительный повторнократковременный режим работы с большой частотой включений; б) изменение момента на валу электроприводов в широких пределах почти от нуля до двукратного значения номинальной величины; в) наличие режимов стоянки под током не менее чем в течение одной минуты.
По характеру действия рулевые электроприводы разделяются на электроприводы простого действия, электроприводы следящего действия и электроприводы автоматического действия. Первые характеризуются тем, что положение рукоятки или штурвала поста управления не связано с положением пера руля и электродвигатель начинает вращаться при каждом переводе рукоятки поста управления из нейтрального положения и останавливаться при возвращении рукоятки в это положение. Электроприводы следящего действия характеризуются тем, что угол отклонения пера руля строго соответствует углу отклонения рукоятки
431
поста управления от нулевого положения, а электродвигатель останавливается тогда, когда перо руля устанавливается в положение, соответствующее углу отклонения рукоятки поста управления от установленного положения. Это достигается применением так называемой обратной синхронной связи исполнительного механизма с постом управления.
Электроприводы автоматического действия характеризуются тем, что электродвигатель приходит в действие автоматически под влиянием гирокомпаса при всяком отклонении корабля от заданного курса.
Управление рулевыми электроприводами обычно осуществляется по контакторной системе или по системе генератор — двигатель. Выбор той или иной системы управления определяется особенностями каждого корабля.
Схемы управления рулевыми приводами электромеханического типа
Схемы управления электродвигателями рулевых приводов электромеханического типа должны обеспечивать пуск, регулирование скорости, торможение, реверсирование, ограничение тока стоянки и защиту электродвигателей. Поэтому для таких приводов применяются как схемы контакторного управления, так и схемы по системе генератор — двигатель. В качестве приводных электродвигателей в приводах постоянного тока могут применяться все типы электродвигателей. Однако чаще всего применяются электродвигатели смешанного возбуждения. В приводах переменного тока при управлении по контакторной системе, как правило, применяются двухскоростные короткозамкнутые асинхронные электродвигатели или асинхронные электродвигатели с фазным ротором, а при управлении по системе генератор — двигатель — асинхронные короткозамкнутые электродвигатели. Рассмотрим две наиболее типовые схемы управления электромеханическими рулевыми приводами простого действия.
На рис. 24,4 представлена типовая схема контакторного управления рулевым электроприводом постоянного тока средней мощности. На схеме обозначены: Я — якорь электродвигателя; Ш1Ш2 — параллельная обмотка возбуждения; С1С2 — последовательная обмотка возбуждения; К.В1, КВ2 — конечные выключатели; 1СП, 2СП — пусковые сопротивления; СТ — тормозное сопротивление; К.Л — линейный контактор; IB, 1Н — реверсивные контакторы; lTi/t 432
2ТУ— таймтакторы; РМ — реле максимальное; КК—ко-м а ндоконтроллер
При пуске в ход электродвигателя необходимо включить рубильник 1Р и переводить рукоятку командоконтрол-лера КК вправо или влево согласно приказанию. При включении рубильника ток поступает в параллельную обмотку возбуждения Ш1Ш2 электродвигателя и в удерживающую
Рис. 24.4, Контакторная схема управления винтовым рулевым электроприводом
катушку таймтактора 1ТУу. При постановке рукоятки команде контроллер а на первое положение, например вправо, замкнутся контакты 1 и 5, благодаря чему по цепи катушек линейного контактора КЛ и контактора 1В начнет проходить ток. Вследствие этого оба контактора сработают и включат главную цепь электродвигателя по схеме
(+) — 1Р — РМ— 1В — Я— 1Н—1СП — 2СП—
— С1С2 — КЛ—1Р— (—).
Якорь электродвигателя начинает вращаться с малой скоростью. При этом пусковые сопротивления 1СП и 2СП будут включены, а тормозное сопротивление СТ будет за-шунтировано н. о. контактами КЛ. Одновременно с замыканием главных контактов контактора КЛ разомкнутся его
28—2107
433
н. з. блок-контакты в цепи удерживающей катушки тайм-тактора 1ТУу, вследствие чего его магнитный поток будет спадать. Кроме того, при срабатывании контактора 1В замыкаются его н. о. блок-контакты 1В, благодаря чему контакты 5 контроллера будут шунтированы.
При постановке командоконтроллера на второе положение замкнутся контакты 3 и включающая катушка тайм-тактора ускорения 1ТУ окажется под током. Если к этому времени магнитный поток в удерживающей катушке 1ТУу достаточно уменьшился, то произойдет немедленное срабатывание таймтактора 1ТУ и шунтирование первой ступени 1СП пускового сопротивления. Если же к моменту замыкания контактов 3 магнитный поток в удерживающей катушке 1ТУу не успел снизиться, то таймтактор 1ТУ сработает с выдержкой времени, на которую он отрегулирован. При срабатывании первого таймтактора шунтируется удерживающая катушка 2ТУу и замыкаются н. о. блок-коя-такты 1ТУ в цепи включающей катушки таймтактора 2ТУ.
На третьем положении командоконтроллера замыкаются контакты 4 и срабатывает таймтактор 2ТУ, который шунтирует последнюю Ступень 2СП пускового сопротивления, после чего электродвигатель начинает вращаться с нормальной скоростью.
Если необходимо сделать реверс электродвигателя, то рукоятку командоконтроллера надо перевести в противоположное положение. При переходе рукоятки через нулевое положение разрывается цепь катушек КЛ и 1В, вследствие чего контакторы КЛ и 1В приходят в нормальное положение. Контакты КЛ и н. о. контакты 1В разомкнутся, а н. з. контакты 1В замкнутся, благодаря чему якорь электродвигателя отключается от сети и замыкается на тормозное сопротивление СТ. При переходе рукоятки командоконтроллера через первое положение «Лево» срабатывает линейный контактор КЛ и двухсторонний контактор 1Н, в результате чего электродвигатель начнет вращаться в противоположном направлении. Дальнейший процесс разгона электродвигателя происходит так же, как и при повороте «Право».
В случае перегрузок максимальное реле РМ срабатывает и размыкает цепь катушек контакторов КЛ и 1В или 1Н, вследствие чего указанные контакторы отключают электродвигатель от сети и замыкают его на тормозное сопротивление СТ. Остановка электродвигателя производится переводом рукоятки командоконтроллера из рабочего поло-434
женил в нулевое. При этом якорь электродвигателя также замыкается на тормозное сопротивление и быстро останавливается.
Укажем, что схема позволяет переводить рукоятку командоконтроллера сразу на последнее положение без вы-
Рис. 24,5. Схема управления секторным рулевым электроприводом
держки на промежуточных положениях. Таймтакторы ускорения в этом случае осуществляют необходимую выдержку времени при пуске электродвигателя.
На рис. 24,5 представлена одна половина схемы управления двойным секторным рулевым приводом по системе генератор — двигатель, которая состоит из исполнительного электродвигателя и трехмашинного преобразователя с
28*
435
пускорегулирующей аппаратурой й сдвоенного поста управ* ления. Вторая половина схемы совершенно одинакова и предназначается для управления вторым электродвигателем привода. Одновременное управление с двух постов исключается тем, что в цепи постов имеется переключатель постов. На схеме обозначены: ПД — приводной асинхронный электродвигатель с магнитным пускателем; ИД — исполнительный электродвигатель с независимой обмоткой возбуждения ШОИ\ Г — генератор преобразователя с возбудителем В.
Предварительная подготовка схемы к работе заключается в подаче питания от соответствующего главного распределительного щита с помощью пакетного переключателя ПП, замыкания переключателя постов на один из постов управления и запуска приводного электродвигателя ПД при помощи магнитного пускателя. Дальнейшее же управление осуществляется переводом рукоятки поста управления 1ПУ влево или вправо в зависимости от требуемой перекладки руля.
При включении пакетного переключателя подается напряжение на зажимы магнитного пускателя, а при нажатии кнопки «Пуск» контактор 1ДЛ пускателя срабатывает и подключает статор асинхронного электродвигателя в сеть и ротор электродвигателя начинает вращаться, а вместе с ним вращается и якорь генератора Г и возбудителя В. Одновременно с замыканием главных контактов контактора 1КЛ замыкается его н. о. блок-контакт 1ДЛ, шунтирующий кнопку «Пуск», и н. о. блок-контакт 1КЛ, замыкающий цепь параллельной обмотки ШОВ возбудителя. Последний развивает напряжение, которое с помощью реостата РВ доводится до нормального значения, и обмотка возбуждения ШОИ исполнительного электродвигателя ИД окажется под током, причем последовательно с ней включено добавочное сопротивление СД. Отметим, что при работе двух исполнительных электродвигателей на привод руля в цепи независимых обмоток возбуждения генераторов вводятся дополнительные сопротивления СДГ (размыкаются н. з. блок-контакты 1КЛ и 2ДЛ), ограничивающие суммарный момент стоянки двух исполнительных электродвигателей.
На нулевом положении рукоятки поста управления все его контакты разомкнуты и горит белая сигнальная лампа ЛБ. Генератор при этом вращается вхолостую, так
436
Кйк Цепь его независимой обмотки возбуждения разомкнута.
При отклонении рукоятки поста управления, например, на первое положение «Право» замкнутся его контакты 2, 4 и 5. В результате замыкания контактов 5 шунтируется дополнительное сопротивление СД в цепи обмотки возбуждения ШОИ и электродвигатель получает полное возбуждение, а контакты 2 и 4 включают обмотку возбуждения ШОГ генератора на зажимы якоря возбудителя по схеме
(+) _ 2 (ШУ) — ВП2 — ШОГ—4 (ШУ) — 1СР — — 2СР—ЗСР — СУ Г — 2КЛ —
Генератор, продолжая вращаться, разовьет небольшое напряжение, которое создаст ток в якоре электродвигателя. Последний начнет вращаться с малой скоростью, приведет в движение секторный привод и переложит перо руля. Одновременно конечный выключатель, вал которого механически связан с баллером, разомкнет свой контакт ВП4 и замкнет ВПЗ, вследствие чего погаснет белая сигнальная лампа Лъ и загорится зеленая лампа Л3.
Для увеличения скорости перекладки руля необходимо перевести рукоятку поста управления 2, 3 и 4, благодаря чему поочередно замкнутся контакты 6, 7 и 8 поста управления и из цепи возбуждения последовательно будут выводиться ступени 1СР, 2СР и ЗСР регулировочного сопротивления. В результате возбуждение генератора увеличится, а следовательно, увеличится и напряжение на зажимах якоря исполнительного электродвигателя. Это приведет к увеличению скорости вращения электродвигателя ИД и, следовательно, скорости перекладки руля. Плавность регулировки определяется числом секций регулировочного сопротивления.
Перекладка руля на другой борт осуществляется изменением направления вращения исполнительного электродвигателя, которое, как и во всякой схеме генератор — двигатель, достигается изменением направления тока в обмотке возбуждения генератора при помощи перевода рукоятки поста управления из положения «Право» в положение «Лево» или наоборот. На первом положении «Лево» замыкаются контакты 1, 3 и 5 поста управления, вследствие чего изменяется направление тока в обмотке возбуждения генератора и загорается красная сигнальная
437
ламйа Лк. В остальном же схема работает аналогично положению «Право».
При отклонении пера руля в крайние положения конечный выключатель размыкает цепь питания независимой обмотки возбуждения ШОГ генератора, вследствие чего снимается напряжение с якоря исполнительного электродвигателя и он, продолжая некоторое время вращаться по инерции с возбужденной параллельной обмоткой ШОИ и замкнутый на якорь генератора, переходит в генераторный режим и останавливается вследствие динамического торможения. Устойчивое положение руля после остановки электродвигателя осуществляется самоторможением передачи рулевой машины.
Защита системы от кратковременных перегрузок осуществляется размагничивающим действием противокомпаундной обмотки ПКО, от коротких замыканий — предохранителями во вспомогательных цепях, а в цепи приводного электродвигателя — максимальными расцепителями автоматов, установленных на ГРЩ. Кроме того, схема имеет тепловую и нулевую защиту приводного электродвигателя, которая осуществляется соответственно тепловым реле РТ и контактором магнитного пускателя 1КЛ.
Нормальная остановка исполнительного электродвигателя производится постановкой рукоятки поста управления в нулевое положение, вследствие чего обмотка возбуждения генератора ШОГ будет обесточена, напряжение генератора снизится до напряжения, вызываемого остаточным намагничиванием, незначительная величина которого не оказывает влияния на работу исполнительного электродвигателя. Последний под влиянием динамического торможения останавливается. Остановка преобразователя осуществляется нажатием кнопки «Стоп» магнитного пускателя и выключением пакетного переключателя.
§ 3. ШПИЛЕВЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
Под шпилевыми устройствами понимаются устройства, предназначенные для отдачи и выбирания якорей, а также для выполнения швартовых операций. На рис. 24,6 показан общий вид шпилевого устройства. По характеру связи между электродвигателем и исполнительным механизмом шпилевые устройства разделяются на шпили с червячной передачей, шпили с цилиндрической передачей и шпили с
438
гидравлической передачей, которые в одинаковой степени широко распространены
Характерными особенностями работы шпилевых электроприводов являются: а) кратковременный режим работы — обычно не более получаса; б) изменение нагрузки
Рис. 24,6. Общий вид шпилевого устройства
в широких пределах — от 30 до 200% номинальной величины; в) наличие стоянки электродвигателя под током не менее одной минуты; г) частые пуски электродвигателей (до 10—15 в течение получаса) и возможны реверсы. Кроме того, скорость электродвигателей должна увеличиваться при уменьшении момента сопротивления на валу, а при увеличении — уменьшаться.
Управление электроприводами шпилей, как правило, осуществляется по контроллерной и контакторной системам. Система генератор — двигатель применяется очень редко и лишь при большой мощности исполнительного
439
электродвигателя. Схемы контроллерного управления обычно применяются при мощности привода до 16 кет, а схемы контакторного управления — в пределах от 10 до 150 кет. Схемы контакторного управления наиболее широко распространены, причем все контакторные системы построены по одному принципу и отличаются в основном количе-
Рис. 24,7. Контакторная схема управления шпилевым электроприводом
ством секций пусковых сопротивлений и способом торможения. В качестве примера рассмотрим типовую схему, применяемую для управления электроприводами шпилей.
На рис. 24,7 приведена контакторная схема управления шпилевым электроприводом переменного тока. Схема состоит из трех основных элементов; короткозамкнутого асинхронного электродвигателя, магнитного контроллера и командоконтроллера. На схеме обозначены: Д— короткозамкнутый асинхронный двухскоростной электродвигатель; В, Т — контакторы направления; М — контактор малой скоро-440
ста; Б—контактор большой скорости; ТМ — тормозной электромагнит; ТБ— тормозной контактор; PH — реле напряжения; РТ — тепловое реле; АБ — аварийная кнопка; ВУ — выключатель управления; ББ — командоконтрол-лер; ЛС — сигнальная лампа.
Схема предусматривает три режима работы: а) стоянку или нулевое положение; б) режим «Выбирать»; в) режим «Травить». В последних режимах схема обеспечивает по две ступени скорости электродвигателя.
При замыкании выключателя управления ВУ подается питание на кагушку реле напряжения PH. Последнее срабатывает и одним своим н. о. контактом шунтирует контакты / командоконтроллера, а вторым замыкает цепь сигнальной лампы ЛС и она загорается.
Управление электроприводом в режимах «Выбирать» и «Травить» осуществляется поворотом рукоятки командоконтроллера. При постановке рукоятки на первое положение «Выбирать» замыкаются контакты командоконтроллера 2 и 4 и контакторы В и М получают питание и замыкают свои главные контакты, вследствие чего срабатывает тормозной контактор и подается напряжение на статорную обмотку малой скорости и тормозной электромагнит, который оттормаживает электродвигатель, и он начинает вращаться с малой скоростью. Одновременно с этим размыкаются н. з. блок-контакты В и М, что не позволяет контакторам Т и Б срабатывать на данном положении командоконтроллера. Если необходимо увеличить скорость вращения электродвигателя, то надо поставить рукоятку на второе положение. В результате сработает контактор Б, включающий статорную обмотку большой скорости, и обесточится контактор М, отключающий в этом положении статорную обмотку малой скорости; электродвигатель начинает вращаться с большей скоростью.
Работа схемы в режиме «Травить» аналогична ее работе в режиме «Выбирать», только вместо контактора В будет работать контактор Т. Остановка электродвигателя производится переводом рукоятки командоконтроллера в нулевое положение. При этом снимается питание с контакторов, которые отключают электродвигатель от сети, и он под действием электромеханического тормоза останавливается.
Защита схемы от коротких замыканий осуществляется установочными автоматами и предохранителями, от перегрева — тепловыми реле, от снижения или исчезновения напряжения — реле напряжения.
441
§ 4. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПОДЪЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
Под подъемными устройствами понимаются краны, лифты и различные лебедки, предназначенные для подъема, спуска и перемещения грузов. Корабельные подъемные устройства обычно имеют электрический привод, характерными особенностями которого являются: а) кратковременный и повторно-кратковременный режим работы; б) возможность запуска электродвигателя при перегрузках и недогрузках; в) частые пуски и реверсы.
По числу электродвигателей приводы подъемных устройств бывают одиночные и многодвигательные, а по роду тока — приводы постоянного тока и приводы переменного тока. Электроприводы постоянного тока для кранов и лебедок широко применяются и на кораблях, имеющих общекорабельную сеть переменного тока. Управление электроприводами подъемных устройств, как правило, производится по контакторной и контроллерной системам. Однако чаще всего применяется контакторная система.
На рис. 24,8 изображена схема контакторного управления электроприводом грузовой лебедки. На схеме обозначены: М — электродвигатель смешанного возбуждения; All — электродвигатель вентилятора; 1СП — 5СП — пускорегулировочные сопротивления; СТ — тормозное сопротивление; СД — добавочное сопротивление; КЛ — линейный контактор; В — контактор подъема; Н — контактор спуска; КД — контактор электродинамического торможения; 1КУ, 2КУ, ЗКУ, 4КУ — контакторы ускорения; РМ — реле максимальное; PH— реле напряжения; 1РУ, 2РУ— реле ускорения; РУП — реле усиления поля; 1ВД — 2ВД — контакты блокировочных устройств на дверцах магнитной станции; АК— аварийная кнопка; КК— командокон-тролллер.
Схема допускает три режима: а) нулевое положение; б) режим «Подъем»; в) режим «Спуск». На нулевом положении командоконтроллера при замкнутом линейном рубильнике получают питание параллельная обмотка возбуждения Ш1Ш2 и реле напряжения PH. Последнее, замкнув свои н. о. контакты, включает электродвигатель вентилятора М ] и шунтирует контакты 1 командоконтроллера, подготовив схему к работе в режимах подъема и спуска.
В режиме «Подъем» электродвигатель работает по схеме смешанного возбуждения. При постановке рукоятки 442
командоконтроллсра на первое положение этого режима замыкаются контакты 2, 4, 5 и 7, вследствие чего получают питание реле ускорения 1РУ и контакторы 1Н, КЛ, КД и
РУЛ
-------W
1ВД 2ВД РМ /И ~Н—Н-W—
7дкрн
КК
543ZIО123У5 i 'г-н Ч*' И,! ®ж
2КУ №
~H
КЛ 2H nB ir^pp zj---
ЗКУ 2РУ
।; : i
ithn
-М-1------
HI i!i w
1РУ niH
-r—2^ L__^M
I __n2H
---------
---------%
1РУ гуЗКУ
2КУ
2 РУ_ПЫУ
"W
Т . 2РУ
0
Рис. 24,8. Схема управления электроприводом грузовой лебедки
1КУ. Реле замыкает свои н. о. контакты в цепи катушки реле 2РУ и размыкает н. з. контакты в цепи катушки контактора ЗКУ. Контактор 1КУ шунтирует секцию 1СП сопротивления, контактор КД размыкает цепь электродина-
443
мического торможения, а контакторы 1Н и КЛ включают электродвигатель в сеть по схеме
---—------Ш1Ш2—СД-----------
/ .—в—м------ч
Л1—РМ У—С1С2-4СП-ЗСП-2СП- 1КУ
ЭТ.
Электродвигатель, имея возбуждение и будучи оттор-моженным, начнет вращаться с малой скоростью. На втором положении контроллера размыкаются контакты 4, вследствие чего срабатывает контактор 1Н, который отключает сопротивление 5СП, расшунтируя якорь электродвигателя. На третьем положении контроллера замыкаются контакты 3 и 8, в результате чего получает питание реле 2РУ и срабатывает контактор ускорения 2КУ. Первое размыкает свои н. з. контакты в цепи катушки контактора 4КУ, а второй шунтирует секцию 2СП сопротивления в цепи якоря. На четвертом положении шунтируется секция ЗСП, а на пятом — секция 4СП сопротивления. После этого электродвигатель начинает вращаться с нормальной скоростью.
В режиме спуска на всех положениях командоконтрол-лера последовательная обмотка возбуждения подключается параллельно якорю, чем достигается тормозной спуск тяжелых грузов. На первом положении срабатывают контакторы 1Н, КЛ, КД, 2Н, 1КУ, 2КУ, ЗКУ и 4КУ, в результате чего электродвигатель включается в сеть по схеме
/------------П11Ш2—СД -----------------ч
/ М—РУП—21-k \
Л1 -РМ(—1Н-5СП—К >-4КУ-ЗКУ-2КУ-1КУ-КЛ—±Л2.
\ х--С1С2--/ /
\------------------ЭТ--------------/
Электродвигатель, будучи возбужденным и отторможен-ным, начинает вращаться с малой скоростью. На последующих положениях в цепь последовательной обмотки возбуждения последовательно вводятся секции 4СП, ЗСП, 2СП и 1СП пускорегулировочного сопротивления, благодаря чему скорость электродвигателя увеличивается и на пятом положении достигает номинальной величины для этого режима.
Характерной особенностью работы схемы в режиме спуска является действие реле усиления поля РУП, которое позволяет повысить скорость спуска холостого гака и лег-444
ких грузов и, наоборот, уменьшить скорость спуска тяжелых грузов. Действительно, при небольшом значении тормозного тока контакты реле остаются разомкнутыми и магнитное поле параллельной обмотки возбуждения ослаблено, так как в цепь обмотки введено добавочное сопротивление СД. В результате электродвигатель будет иметь повышенную скорость. При спуске же тяжелых грузов тормозной ток увеличивается и достигает величины, на которую отрегулировано реле. Оно срабатывает и шунтирует добавочное сопротивление в цепи параллельной обмотки возбуждения. Благодаря этому поле обмотки усиливается, а скорость электродвигателя уменьшается.
Остановка электродвигателя осуществляется переводом рукоятки командоконтроллера в нулевое положение. При этом электродвигатель отключается от сети и под влиянием электродинамического и электромеханического торможений останавливается. Электродвигатель останавливается также при срабатывании защитных аппаратов (максимального реле и реле напряжения), при размыкании блокировочных дверных контактов. Однако в аварийных случаях, когда остановка электродвигателя недопустима, контакты аппаратов защиты могут быть шунтированы аварийной кнопкой.
§ 5. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ РАЗНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Па кораблях, помимо рассмотренных выше механизмов, имеется еще целый ряд других электрифицированных механизмов, в частности насосы, вентиляторы, компрессоры, валоповоротные устройства, бытовые механизмы, механизмы мастерских и камбуза. Рассмотрим электроприводы некоторых из этих механизмов.
Электроприводы корабельных насосов
На кораблях для перекачки жидкостей применяются различные насосы. По роду перекачиваемой жидкости корабельные насосы разделяются на три группы — водяные, топливные и масляные. По конструкции наиболее распространенными являются два типа насосов — поршневые и центробежные. Большинство корабельных насосов электрифицировано. В качестве электродвигателей приводов применяются электродвигатели параллельного и смешанного возбуждения, а также асинхронные электродвигатели переменного тока.
445
Характерной особенностью большинства насосов является то, что они обычно работают с постоянной скоростью и не требуют изменения направления вращения, торможения и больших пусковых моментов. Поэтому для управления электроприводами этих насосов в большинстве случаев применяется реостатная система управления, а при необходимости осуществления дистанционного включения —
Рис. 24,9. Схема управления электроприводом насоса с монометрическим реле
магнитные пускатели и несложные контакторные схемы. Управление некоторыми насосами автоматизируется. Включение и выключение таких насосов осуществляются при помощи поплавковых или манометрических реле, контролирующих уровень или давление жидкости в резервуарах корабля.
Управление электроприводами постоянного тока при помощи реостатов и управление асинхронными короткозамкнутыми двигателями с помощью магнитного пускателя рассмотрено в главе 24. Поэтому здесь приведем только типовую схему автоматического управления электроприводами корабельных насосов, управления электроприво-
дом насоса с манометрическим реле. На схеме обозначены: Д — асинхронный электродвигатель; КЛ — линейный контактор; ПК — переключатель, предназначенный для переключения схемы с ручного пуска на автоматический; PH — реле напряжения; РТ — тепловые реле; РП — промежуточное реле; М.Р—манометрическое реле; СЛБ, СЛЗ — сигнальные лампы.
Схема допускает ручное и автоматическое управление. При ручном управлении переключатель ПК замкнут, а при автоматическом разомкнут. Ручной пуск производится нажатием кнопки «Пуск», вследствие чего реле PH замыкает
На рис. 24,9 приведена схема
446
свои н. о. контакты в цепи управления и н. о. блок-контакты, шунтирующие кнопку «Пуск». Линейный контактор, оказавшись под напряжением, срабатывает и включает статорную обмотку электродвигателя в сеть. Электродвигатель начинает развивать скорость. Одновременно одни н. о. блок-контакты контактора шунтируют переключатель ПК, а другие включают зеленую лампу; н. з. блок-контакты отключают белую сигнальную лампу. Ручная остановка производится нажатием кнопки «Стоп», благодаря чему электродвигатель отключается от сети и останавливается.
Автоматическое управление, т. е. пуск и остановка электродвигателя, осуществляется реле МР. Последнее в результате механического воздействия при пуске замыкает своп н. о. контакты в цепи реле напряжения и в цепи катушки контактора КЛ и размыкает н. з. контакты в цепи промежуточного реле РП. В результате реле напряжения срабатывает и подает питание на контактор, а тот, срабатывая, подключает электродвигатель к сети и он начинает вращаться. При обратном срабатывании реле МР оно размыкает контакты в цепи питания реле напряжения и в цепи питания контактора и замыкает контакты в цепи питания промежуточного реле. В результате промежуточное реле размыкает свои н. з. контакты в цепи питания контактора, благодаря чему срабатывает контактор и отключает электродвигатель от источника питания.
Электроприводы вентиляторов и компрессоров
Электровентиляторы применяются как в общесудовой вентиляции, которая служит для обмена воздуха в жилых, бытовых и служебных помещениях, так и для вентиляции машинных и котельных отделений, а также для вентиляции и охлаждения погребов боезапаса. Компрессоры применяются для снабжения сжатым воздухом торпедных и артиллерийских установок, для зарядки пусковых баллонов, а также для подачи воздуха в цилиндры главных дизелей и т. д.
Для привода вентиляторов на постоянном токе применяются электродвигатели параллельного и смешанного возбуждения, а на переменном токе — асинхронные короткозамкнутые и фазные электродвигатели. В качестве же приводных электродвигателей компрессоров на постоянном токе обычно применяются электродвигатели смешанного возбу-
447
ждения, а на переменном — фазные асинхронные электродвигатели, и только при небольшой мощности компрессора используются короткозамкнутые асинхронные электродвигатели, что обусловливается работой корабельных электросетей.
Электровентиляторы, как правило, не требуют регулировки скорости и поэтому пускаются непосредственным включением в сеть или при помощи пускового реостата. Исключение составляют машинные вентиляторы, мощность которых доходит иногда до 50 квт и более. Эти вентиляторы требуют регулировки скорости, поэтому для их пуска применяются пускорегулировочные реостаты и контакторные станции. Для пуска электродвигателей компрессоров применяются также контакторные станции и пускорегулировочные реостаты.
Схемы управления электроприводами вентиляторов и небольших компрессоров довольно просты и не требуют специального пояснения. Они аналогичны схемам реостатного управления и схемам управления электроприводами корабельных насосов. Поэтому рассмотрим только наиболее характерные схемы управления электродвигателями компрессоров.
На рис. 24,10 представлена схема управления электродвигателем компрессора. На схеме обозначены: М — электродвигатель смешанного возбуждения; 1СП — 5СП — пусковые сопротивления; 1К.Л, 2КЛ — линейные контакторы; 1К.У, 2КУ, ЗКУ, 4КУ,5КУ—контакторы ускорения; РМ — максимальное реле; 1РУ, 2РУ, ЗРУ, 4РУ, 5РУ— реле ускорения, работающие в зависимости от тока.
Схема позволяет производить пуск и остановку электродвигателя. При пуске электродвигателя необходимо включить рубильник и нажать кнопку «Пуск». Вследствие этого сработает контактор 1КЛ и замкнет свои н. о. главные контакты и блок-контакты. Последние замкнут цепь катушки контактора 2КЛ, который, оказавшись под напряжением, сработает и подключит электродвигатель к сети через все секции пускового сопротивления; электродвигатель пойдет в ход и будет увеличивать обороты, вследствие чего пусковой ток будет уменьшаться. Одновременно с этим разомкнутся контакты 1РУ и замкнутся н. о. блок-контакты 21<Л в цепи питания контактора 1КУ. Когда ток в цепи якоря достигнет величины, на которую отрегулировано реле ускорения 1РУ, оно отпустит якорь и замкнет свои контакты 1РУ.
448
Благодаря этому сработает контактор 1КУ и зашунтируе! первую секцию сопротивления 1СП. После этого включится реле 2РУ, которое при достижении током величины, равной уставке реле, отпустит якорь и замкнет цепь питания контактора 2КУ. Последний сработает и зашунтирует вторую
1 КУ 1РУ
---W
гку гру
НТ"
ЗКУ ЗРУ
—TfT"
гуЬКУ Ц.РУ
' /г^да—
п5КУ 5 РУ г—да—
5 КУ TF—
1КУ
II
2КУ
II
ЗКУ
"II
УКУ
"II—
5КУ
Стоп
1КЛ
Рис. 24,10. Схема управления электроприводом компрессора
I
РМ
тг
секцию сопротивления. Затем последовательно включатся ЗРУ и ЗКУ, 4РУ и 4КУ, 5РУ и 5КУ, которые зашунтируют остальные секции пускового сопротивления, благодаря чему электродвигатель начнет вращаться с нормальной скоростью. После срабатывания контактора ускорения 5КУ катушки контакторов 1КУ— 4КУ и реле 2РУ — 5РУ обесто-чатся.
Остановка электродвигателя производится нажатием кнопки «Стоп», вследствие чего снимается напряжение с линейных контакторов, которые отключают электродвигатель l/j29—2107 449
от сети, и он останавливается. Реле РМ осуществляет максимальную защиту, а линейные контакторы — минимальную.
Отметим, что число секций пускового сопротивления зависит от мощности электродвигателя компрессора.
Электропривод валоповоротных устройств
Электропривод валоповоротных устройств служит для проворачивания главных судовых машин, валопровода и винта при стоянке на якоре. Характерными особенностями
Рис. 24,11. Схема управления электродвигателем валоповоротного устройства при помощи магнитного пускателя
этого электропривода являются: а) пуск и реверс при максимальном моменте на валу; б) отсутствие регулировки скорости вращения; в) кратковременный режим работы.
На постоянном токе в качестве приводных электродвигателей валоповоротных устройств применяются электродвигатели смешанного возбуждения с управлением по контроллерной системе, а на переменном токе — короткозамкнутые асинхронные электродвигатели, как правило, с управлением при помощи магнитных пускателей.
На рис. 24,11 изображена схема управления двигателем валоповоротного устройства при помощи реверсивного магнитного пускателя. На схеме обозначены: Д — короткозамкнутый асинхронный электродвигатель; ВД—контактор «Вперед»; НК— контактор «Назад»; РТ — тепловые реле; ДУВ — кнопки управления «Вперед»; КУН — кнопки
450
управления «Назад»; КУС—кнопка «Стоп»; ПП— переключатель пакетный.
Схема электропривода обеспечивает пуск электродвигателя, реверс, остановку и защиту. Пуск электродвигателя «Вперед» производится включением переключателя ПП на сеть и нажатием кнопки КУ В. В результате создается цепь питания катушки контактора ВК по схеме
Л1 — КУС — КУН — КУ В — ВК — РТ — Л3.
Контактор ВК сра'ботает и своими главными контактами подключит электродвигатель на сеть, а блок-контактами шунтирует кнопку КУВ. Электродвигатель, получив питание, разгоняется до номинальных оборотов.
Работа схемы при пуске электродвигателя «Назад» отличается от работы схемы при пуске электродвигателя «Вперед» только тем, что пуск осуществляется кнопкой КУН, вследствие чего получает питание контактор НК. Последний срабатывает и подключает электродвигатель к сети, переключая при этом две фазы обмотки статора электродвигателя. В результате изменяется направление вращающего магнитного толя статора и, следовательно, направление вращения электродвигателя.
Реверс электродвигателя при работе его «Вперед» осуществляется нажатием кнопки КУН, вследствие чего размыкается цепь питания катушки контактора ВК и он отключает электродвигатель от сети. Одновременно с этим замыкается цепь питания катушки контактора НК- Последний срабатывает и подключает электродвигатель к сети, который, имея переключенные две фазы обмотки статора, начинает вращаться в противоположную сторону. Реверс электродвигателя с положением «Назад» в положение «Вперед» производится нажатием кнопки КУВ.
Остановка электродвигателя осуществляется нажатием кнопки КУС, вследствие чего контактор ВК или НК остается без питания и отключает электродвигатель от сети, который и останавливается.
Защита электродвигателя от перегрузок осуществляется тепловыми реле, нулевая — контакторами, защита от коротких замыканий — установочным автоматом, установленным на распределительном щите отсека.
‘/г29*
РАЗДЕЛ СЕДЬМОЙ
КОРАБЕЛЬНАЯ ТЕЛЕФОНИЯ
ГЛАВА 25
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕФОННОЙ АППАРАТУРЫ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Под телефонией понимается способ передачи речи на дальние расстояния. Общая схема телефонной передачи представлена на рис. 25,1. Схема состоит из четырех основных элементов: передающего устройства М, принимающего устройства Т, проводов Л и источника постоянного тока Е. Передающее устройство обычно называется микрофоном, а принимающее — телефоном. Провода, соединяющие микрофон и телефон, называются линией связи. Микрофон М состоит из трех основных частей — колодки 1, тонкого цинкового или угольного кружка 2, называемого мембраной, и угольного порошка 3, помещенного между колодкой и мембраной. Такой микрофон называется угольным микрофоном. Телефон Т представляет собой небольшой электромагнит 4, перед полюсами которого на очень близком расстоянии укреплена круглая мембрана 5 из тонкого листового железа. Обмотка телефона с помощью проводов ЛЛ соединена с микрофоном. Для питания схемы последовательно в цепь включена аккумуляторная батарея.
Процесс телефонной передачи происходит следующим образом. При замыкании ключа К в цепи потечет постоянный ток, величина которого обусловливается сопротивлением микрофона, телефона и линии связи. Если разговаривать перед микрофоном, то происходящие при этом колебания воздуха передаются мембране микрофона. Колебания мембраны то уплотняют, то разрыхляют угольный порошок, вследствие чего то уменьшается, то увеличивается сопротивление микрофона. Это ведет к изменению тока в цепи, и в ней создается пульсирующий разговорный ток, который 452
создает переменный магнитный поток в электромагните телефона, отчего мембрана его колеблется и издает звуки, переданные в микрофон.
Таким образом, сущность батарейной телефонной передачи состоит в том, что в микрофоне звуковые колебания
Рис. 25,1. Принципиальная схема батарейной телефонной передачи
превращаются в колебания электрического тока. Эти колебания передаются по проводам в телефон, где вновь преобразуются в звуковые колебания. Следовательно, угольный микрофон есть преобразователь акустической энергии в колебания электрического тока, а телефон — преобразователь электрической энергии в акустическую.
Рис. 25,2. Принципиальная схема безбатарейной телефонной передачи
Передача телефонного разговора может осуществляться и при отсутствии аккумуляторной батареи. Принципиальная схема такой безбатарейной телефонной связи представлена на рис. 25,2. В этой схеме микрофон и телефон представляют собой совершенно одинаковые устройства, каждое из которых состоит из постоянного магнита / и железного сердечника 2 с катушкой 3. Перед сердечником укреплена тонкая железная мембрана. Такое устройство называется электромагнитным телефоном.
30—2107
453
При отсутствии разговора магнитный поток микрофона, пронизывающий мембрану, остается неизменным. Если же разговаривать перед мембраной, то под воздействием звука она придет в колебание, т. е. она будет то приближаться к сердечнику, то удаляться от него. В результате этого в микрофоне будет происходить изменение магнитного потока, который, воздействуя согласно закону электромагнитной индукции на катушку микрофона, будет индуктировать в ней переменную э. д. с. Эта э. д. с. создаст в цепи пульсирующий электрический ток, вследствие чего в принимающем телефоне будет изменяться магнитный поток в соответствии с колебаниями приходящего тока В результате мембрана телефона Б будет колебаться и повторять звуки, переданные в микрофон А.
Таким образом, электромагнитный микрофон является преобразователем акустической энергии в электрическую, а телефон, как и в батарейной связи,— преобразователем электрической энергии в акустическую.
§ 2. УСТРОЙСТВО МИКРОФОНОВ И ТЕЛЕФОНОВ
Применяемые в современных телефонных установках микрофоны и телефоны имеют несколько различных конструкций. На рассмотрении этих конструкций мы и остановимся.
Устройство микрофонов
Современные микрофоны разделяются на угольные и электромагнитные. Угольные микрофоны в свою очередь разделяются на нормальные и антишумовые. Угольные микрофоны применяются в батарейной связи, а электромагнитные микрофоны — в безбатарейной. Независимо от конструкции каждый микрофон состоит из трех основных частей: капсюля, корпуса и амбушура. Капсюль является главным рабочим элементом микрофона. Его устройство и определяет тип микрофона.
Устройство современных угольных капсюлей показано на рис. 25,3. Нормальный капсюль типа МКЗ-ЦБ состоит из латунной чашки /, на дне которой установлен стакан 2 из пластмассы, прижимающийся к дну чашки головкой латунного золоченого болта 9, проходящего через отверстия в стакане и чашке. Снаружи капсюля болт затягивается гайкой 6, изолированной от чашки шайбой 8. Головка болта имеет коническое углубление, угол конуса которого со-454
Рис. 25,3, Угольные микрофонные капсюли:
а — нормальный типа МкЗ-ЦБ; б — антишумовой типа ОК-2
ответствует углу конуса мембраны. На пластмассовый стакан 2 надевается кольцо 3 из мягкого фортепианного войлока, на которое сверху кладется коническая золоченая мембрана 4 из тонкой листовой бронзы. Крышка 5 имеет в центральной части ряд мелких отверстий для проникновения к мебране звуковых колебаний и несколько отверстий по краям для стока конденсирующейся на мембране влаги. В полость между войлочным кольцом, пластмассовым ста.каном, мембраной и головкой болта после сборки капсюля засыпается через отверстие в болте угольный порошок; отверстие затем закрывается винтом 7. При включении капсюля в электрическую цепь один полюс ее подключается к корпусу, а другой — к центральному болту с гайкой и винтом, изолированным от корпуса капсюля.
Антишумовой, или ос-теофонический, капсюль типа ОК-2 (рис. 25,3, б) отличается от нормального капсюля тем, что у него вместо угольной мембраны применяется резиновая. Он состоит из латунной золоченой коробки /, закрытой мембраной 3 с укрепленным на ней золоченым конусом 2. Мембрана с конусом изолированы от корпуса капсюля изоляционным кольцом 4. Непосредственно на мембрану надевается крышка 5, прижимающаяся к мембране изоляционной шайбой 8, на которую в свою очередь накладывается латунное кольцо 9. В камеру между дном коробки и конусом насыпается через отверстие в коробке угольный порошок, а затем отверстие закрывается винтом. На винт 6 коробки навинчивается резиновый держатель капсюля.
30*
455
Рис. 25,4- Дифференциальный электромагнитный капсюль типа ДЭМ
В электрическую сеть капсюль включается через винты 6 и 7, к которым присоединяются проводники, идущие в линию.
При передаче речи с помощью антишумового микрофона надо его приложить к челюсти и говорить. При этом резиновая мембрана будет то сжиматься, то разжиматься в такт речи и тем самым изменять сопротивление угольного порошка. При изменении сопротивления угольного порошка будет изменяться ток в цепи, а следовательно, и магнитный поток телефона. Мембрана телефона начнет колебаться и издавать звуки, переданные в антишумовой микрофон.
Электромагнитные капсюли бывают двух типов: БЭМ-2 и ДЭМ, причем первые в новых установках уже не применяются. На рис. 25,4 показано устройство дифференциального электромагнитного капсюля ДЭМ. Он состоит из латунного кожуха 1 с крышкой 2, имеющей отверстие для проникновения звуковых колебаний, основания 3, поляризованного электромагнита, конусной мембраны 4 с радиальными ребрами жесткости, пластмассовой колодки 5 с клеммами 6. Электромагнит, смонтированный снизу на основании, состоит из двух полюсных наконечников 7, загнутых в виде скобы, двух накладок, 8, двух постоянных магнитов 9, двух катушек 10 и якоря //, жестко связанного с мембраной при помощи тяги 12. Якорь является сердечником катушек и удерживается в центре зазоров пружинами 13, жестко закрепленными на колонках 14 с помощью винтов 15 и планок. По устройству якорь представляет собой прямоугольную пластину, изготовленную из материала с высокой магнитной проницаемостью.
Действие капсюля заключается в следующем. В состоянии покоя (рис. 25,5, а) концы якоря располагаются в центре зазоров, благодаря чему оба конца якоря находятся под одинаковым магнитным потенциалом и магнитный поток Фо 456
не проходит вдоль якоря. Если теперь под действием звука мембрана начнет колебаться, то концы якоря будут приближаться к полюсным наконечникам (рис. 25,5,6). При этом магнитное равновесие нарушается и магнитный поток, стремясь пройти по пути наименьшего сопротивления, замыкается через якорь, причем магнитный поток в якоре при изменении положения концов якоря будет менять свое направление на противоположное предыдущему. Изменяющийся магнитный по-
Рис. 25,5. Схема работы капсюля ДЭМ в качестве микрофона
ток Ф__ будет пересекать витки катушек капсюля, вслед-
ствие чего в обмотке будет индуктироваться переменная электродвижущая сила. Эта э. д. с. создает в цепи пульсирующий разговорный ток, который, протекая через телефон другого аппарата, вызывает в нем изменение магнитного потока и, следовательно, колебания мембраны телефона.
Устройство телефонов
В качестве капсюлей телефонов во всех современных корабельных телефонных аппаратах применяются дифференциальные электромагнитные капсюли типа ДЭМ. Работает капсюль при этом следующим образом. В нерабочем состоянии якорь капсюля находится в равновесии (см. рис. 25,5, а). При работе пульсирующий разговорный ток,
Рис. 25,6. Схема работы капсюля ДЭМ в качестве телефона
457
созданный микрофоном, проходит по обмотке катушек капсюля, создавая переменный магнитный поток Ф~. Этот поток в одних накрестлежащих воздушных зазорах будет совпадать по направлению с потоком постоянных магнитов Фо (рис. 25,6), а в других направлен навстречу. Поэтому в одном зазоре общий поток будет увеличиваться, а в другом — уменьшаться. В результате будет нарушено равновесие сил, притягивающих якорь к полюсным наконечникам, и концы якоря будут поворачиваться в стороны большего потока. Поскольку по обмотке капсюля будет протекать переменный разговорный ток, то якорь будет колебаться, а вместе с ним будет колебаться и мембрана, воспроизводя колебания мембраны микрофона.
§ 3. МИКРОТЕЛЕФОННЫЕ ТРУБКИ И СХЕМЫ СВЯЗИ
Для удобства пользования микрофон и телефон, как правило, монтируются на одной трубке, которая называется микротелефонной трубкой. В нижней части трубки помешается микрофон, а в верхней — телефон. Для улучшения приема речи корабельные телефонные аппараты обычно снабжаются добавочным телефоном, накладывающимся на второе ухо слушающего. На рис. 25,7 показан общий вид
Рис. 25,7. Мпкротелефонные трубки:
7 — микротелефонная; 2 — остео фоническая; 3 — добавочный телефон; 4 — шнур; 5 — штепсельная вилка
458
некоторых микротелефонных трубок и добавочного телефона корабельного образца.
Двухсторонняя телефонная связь между абонентами, как правило, осуществляется по однопроводной, двухпроводной или трехпроводной схемам. На рис. 25,8, а изображена однопроводная схема телефонной связи. При включенной батарее ток проходит по цепи
(+) — провод JIJJ—Т2— Л12 — земля — — Т\ — (—).
Если перед микрофоном Л4, произносить речь, то в телефоне Т2 ее можно слушать. Если же речь произносить перед микрофоном Л12, то ее можно слушать в телефоне Л-
Рис. 25,8. Схема телефонной связи: а — однопроводная; б — двухпроводная; в — трехпроводная
Достоинством схемы является использование земли в качестве второго провода, что и применяется в некоторых гражданских и военно-полевых телефонах. К недостаткам схемы относятся: а) плохое действие телефонной связи, в виду того что в земле имеются блуждающие токи, создающие шумы в телефоне; б) слышны переговоры, ведущиеся по линиям, проложенным параллельно, вследствие индукции токов, что облегчает возможность подслушивания; в) говорящий в микрофон слышит в телефоне свой голос и шум своего помещения.
Наиболее надежной схемой является двухпроводная схема (рис. 25,8,6). Ее недостаток тот, что при разговоре в телефоне слышен звук своего голоса. Однако этот недостаток вполне устраняется с помощью специальных фильтров. Трехпроводная схема телефонной связи представлена на рис. 25,8, в. В этой схеме свой микрофон и телефон не имеют прямой связи, благодаря чему улучшается качество передачи На кораблях обычно применяются двухпроводная и трехпроводнзя схемы разговорных цепей.
459
§ 4. ВЫЗЫВНЫЕ УСТРОЙСТВА И СПОСОБЫ ВЫЗОВА
Очевидно, что, прежде чем вести переговор одного абонента с другим, необходимо вызвать этого абонента, т. е. послать в его аппарат вызывной сигнал. Поэтому телефонные установки, помимо аппаратов передачи и приема, снабжаются вызывными устройствами. К последним относятся звонки, прерыватели световой сигнализации и индукторы. В некоторых же установках применяются еще зуммеры, бленкеры и сигнальные лампы.
Звонки
В телефонных установках батарейной связи, как правило, применяются звонок постоянного тока с обрывающейся цепью и поляризованный звонок переменного тока, а в установках безбатарейной связи — только поляризованный звонок переменного тока. Механизм звонка постоянного тока обычно встраивается в телефонный аппарат и так называемый коммутатор. Поляризованный звонок выполняется в виде самостоятельного прибора — звонок типа ЗВИ, либо его механизм устанавливается в телефонный аппарат или коммутатор. В последнем случае звонок яв-
ляется составной частью одного из указанных аппаратов.
На рис. 25,9 показана электрическая' схема звонка постоянного тока. Действие звонка заключается в следую-
щем. При прохождении тока по обмоткам электромагнита ОЭ создается магнитный поток, якорь 1 притягивается
+
Рис. 25,9. Схема звонка
к сердечнику и, изгибая мембрану 2, поворачивает стержень с бойком 3, который ударяет по чашке звонка 4. Одновременно якорь с помощью ролика 5 отгибает контактную пружину КП, вследствие чего обрывается цепь тока электромагнита. Последний размагничивается и якорь под действием упругих сил мембраны возвращается в исходное положение, отчего цепь звонка замкнется и якорь снова притянется. Так будет продолжаться до
тех пор, пока звонок будет находиться под напряжением. Конденсатор С служит для уменьшения
постоянного тока
помех радиоприему.
460
Рис. 25,10. Схема поляризованного звонка
На рис. 25,10 изображена схема работы поляризованного звонка. Механизм звонка состоит из электромагнита 1 и постоянного магнита NS, якоря 2, жестко скрепленного с мембраной 3 и бойком 4, и звонковой чашки 5. При отсутствии тока в катушке электромагнита на якорь воздействует только магнитный поток Фо (рис 25,10,сг), созданный постоянным магнитом, величина которого недостаточна для притяжения якоря, и он находится в равновесии. Но если пропустить переменный ток по обмотке электромагнита, то его сердечник получит добавочный переменный поток Ф^., накладывающийся на Фо. При этом в первую половину периода магнитные потоки в сердечнике складываются (рис. 25,10,6), а во вторую вычитаются (рис. 25,10, в). В результате в первом случае якорь под действием суммарного потока притягивается к сердечнику и, изгибая мембрану, заставляет боек ударить по чашке звонка. Во втором случае якорь, находясь под действием разностей потоков, силой упругости мембраны возвращается в исходное положение. Затем процесс повторяется, т. е. якорь при прохождении по катушке электромагнита переменного тока будет колебаться с частотой, равной частоте переменного тока, и эти колебания будут сопровождаться ударами бойка по чашке звонка.
Прерыватели световой сигнализации
Помимо звуковой сигнализации, в корабельных телефонах предусматривается еще оптическая сигнализация. Для этого внутри корпуса телефона помещается сигнальная лампа накаливания и в корпусе прибора против лампы
461
делается застекленное отверстие. Лампа включается параллельно обмотке электромагнита звонка и действует одновременно с ним. В безбатарейных телефонах обычно устанавливается неоновая лампа.
Однако более эффективным является мигающий световой сигнал. С этой целью применяется специальный прерыватель световой сигнализации типа ПРТ-2, ПРТСП или ПРТС, который при вызове автоматически замыкает и размыкает цепь сигнальной лампы В результате создается
Рис. 25,11. Схема прерывателя ПРТ-2
прерывистый мигающий световой сигнал, дублирующий сигнал звонка телефонного аппарата. Такими прерывателями обычно снабжаются только те телефонные аппараты, которые устанавливаются в шумных помещениях корабля.
Прерыватель представляет собой литую коробку с крышкой. Внутри коробки установлены телефонные реле, остеклованные сопротивления, плата с клеммами и конденсаторы. В качестве примера на рис. 25,11 изображена принципиальная схема преобразователя типа ПРТ 2. Реле РП6 является пусковым, а реле РП3 и РП.1 составляют так называемую пульспару.
Прерыватель подключается к телефонному аппарату и работает следующим образом. При вызове подается питание в катушку пускового реле РПй. Реле срабатывает и своими контактами 1—2 замыкает цепь пульспары. В результате замыкания контактов 1—2 получает питание 462
обмотка реле Р/74 через н. з. контакты 2—3 реле РП-з по одной нз цепей
= 220 B-R3-R2-Rt^
= 110/-220 в-R., — Rt R, - (2 — 3) РП3 —
~ 127 e — Rl-----Х
— PPR —(2 — 1) РПа — 0.
Реле РПц срабатывает, вследствие чего его н. о. контакты 1—2 и 3—4 замыкаются, а н. з контакты 5—7 размыкаются Контакты 1—2 и 3—4 включают сигнальную лампу, а контакты 5—7 расшунтировывают реле РП3. Последнее, оказавшись под напряжением, срабатывает, размыкая при этом свои контакты 2—3 и замыкая контакты 3—1. Последние шунтируют обмотку реле Р/74 и оно отпускает свои контакты. Благодаря этому гаснет сигнальная лампа и шунтируется обмотка реле РП3, которое приходит в исходное положение, и процесс повторяется снова. Таким образом создается мигающий световой сигнал с частотой 3—5 раз в секунду.
Индукторы
Индукторы применяются в качестве источников питания поляризованных звонков в безбатарейных телефонах, а также в устройствах и аппаратах ручных телефонных станций. Индуктор (рис. 25,12) представляет собой магни-
о схему телефонного аппарата.
Рис. 25,12. Схема устройства индуктора
463
тоэлектричеСкую машину переменного тока, состоящую из двух плоских постоянных магнитов NS с полюсными наконечниками, укрепленных между двумя стояками из немагнитного материала. В пространстве между магнитами и полюсными наконечниками помещается якорь Я с обмоткой, приводимый во вращение при помощи рукоятки Р через зубчатую передачу Ш.
При вращении рукоятки ось индуктора перемещается в сторону рукоятки на 1,5—2 мм, сжимая пружину П и освобождая пружину 1, вследствие чего контакты 1—2 размыкаются, а контакты 1—3 замыкаются. Одновременно в обмотке вращающегося якоря, пересекающей магнитное поле, индуктируется переменная электродвижущая сила. Эта э. д. с. в замкнутой внешней цепи создает переменный ток с частотой 19—21 гц. Напряжение, развиваемое индуктором телефона, около 80—90 в.
Способы вызова к телефону
Применяются три способа вызова к телефону: фонический, батарейный и индукторный. Фонический вызов находит применение в некоторых типах полевых телефонов. На кораблях применяются батарейный и индукторный вызовы.
При батарейном вызове после снятия микротелефонной трубки с аппарата автоматически или же нажатием специальной педали замыкается контакт в цепи аккумуляторной батареи, вследствие чего начинает действовать звонок у вызываемого абонента. На рис. 25,13 представлена трехпроводная схема соединения двух телефонных аппаратов с батарейным вызовом, где буквами М, Т и 3 обозначены контакты, автоматически замыкаемые или размыкаемые рычагом, удерживающим микротелефонную трубку. Контакты расположены так, что при нахождении трубки на месте контакты М и Т разомкнуты, а звонковый контакт 3 замкнут. При снятии трубки контакты М и Т замыкаются, а контакт 3 размыкается.
464
Если абонент А желает говорить с абонентом Б, то он снимает у себя микротелефонную трубку, при этом в его аппарате контакты ЛК и Tt замыкаются, а контакт Si размыкается. Вследствие этого образуется цепь: плюс батареи— провод ,П2 — контакт 32 — звонок — провод Л\ — контакт 1\— телефон — минус батареи.
Звонок абонента Б будет звонить, вызывая последнего к телефону. Услышав сигнал, абонент снимает трубку, при этом контакты Л12 и Т2 замыкаются, а контакт 32 размыкается, вследствие чего образуются разговорные цепи.
Звонок у абонента Б перестанет звонить, что будет замечено в телефоне абонента А, и может состояться двухсторонний разговор абонентов.
По окончании разговора трубки ставятся на место, причем вновь замыкаются контакты 3| и 32, а контакты Mlt М2 и Ti, Т2 размыкаются.
При индукторном вызове при вращении рукоятки индуктора по катушкам электромагнитов звонков как у вызываемого абонента, так и у вызывающего будет протекать переменный ток. В результате звонки и оптическая сигнализация будут работать. Если вызывающий абонент не желает, чтобы его звонок работал, то он должен снять микротелефонную трубку. Абонент, услышав сигнал, снимает микротелефонную трубку, и разговор между ними может состояться. При снятии микротелефонной трубки цепь звонка размыкается.
§ 5. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Под телефонной аппаратурой вообще понимаются различные приборы и устройства — телефонные аппараты, телефонные коммутаторы и телефонные станции ручного или автоматического действия. Эти аппараты и устройства, помимо переговорных и вызывных элементов, имеют еще ряд совершенно одинаковых вспомогательных деталей и элементов.
Основными вспомогательными элементами, которые применяются почти во всех типах телефонных установок, являются: ключи, переключатели, штепсельные вилки, преобразователи, реле и бленкеры.
Ключи, применяемые в телефонной аппаратуре ручного действия, представляют собой устройства, посредством которых производится переключение цепей в коммутаторах и других аппаратах в процессе их работы. На рис. 25,14 по-
465
Рис. 25,14. Общие виды ключей и переключателей: а — коммутаторные ключи; б — рычажный переключатель
казаны общие виды ключей, а также устройство рычажного переключателя. Ключи по устройству одинаковы и отличаются друг от друга только числом контактных групп и фиксированных положений. Рычажный переключатель состоит из наружного 1 и внутреннего 2 рычагов, насаженных на оси 3, контактной группы КГ и пружины. Переключатель устроен так, что при установленной на аппарате трубке МТ контакты, включенные в разговорную цепь, разомкнуты, а контакты, включенные в вызывную цепь, замкнуты. Наоборот, при снятой трубке первые замкнуты, а вторые разомкнуты. Кроме того, в некоторых коммутаторах устанавливается вызывная педаль, которая предназначается для замыкания вызывных цепей при вызове або нента.
Реле в приборах телефонных установок применяются для выполнения различных операций. Так, по назначению бывают реле пуска, реле вызова, реле включения сети, об-
4G6
щеотбойное реле, контрольное реле, линейное реле, разделительное реле, реле пульспары и другие. В цепях постоянного тока обычно применяются реле типа РМ и типа КДР, а в цепях переменного тока — типа РП. На рис. 25,15 показаны общие виды этих реле. Каждое из них представляет собой электромагнит с якорем и системой пружинящих контактов. При прохождении тока по обмотке электромагнита якорь реле притягивается, вследствие чего одна часть контактов контактной системы замыкается, а другая размыкается, производя соответствующие включения.
Преобразователи в установках батарейной связи обычно применяются для вызова абонента с коммутатора и для посылки сигнала занятости с коммутатора. В первом случае для преобразования постоянного тока в переменный применяются вибропреобразователи, а во втором — зуммер. На рис. 25,16 показаны эти приборы. Вибропреобразователь состоит из стального основания 1, контактной группы 2 и двух катушек 3 с обмотками электромагнита вибратора, насаженных на сердечники и прикрепленных к основанию. При прохождении тока по обмоткам электромагнита втягивается его якорь в зазор между сердечниками, изгибая при этом контактную пружину. В результате контакты на пружине замыкаются, шунтируя при этом обмотки электромагнита; якорь возвращается в исходное положение и далее процесс повторяется. Благодаря этому во вторичной обмотке трансформатора, к которому подклю-
Рис. 25,15. Общие виды телефонных реле:
а - типа РМ; б — типа РП: в — типа КДР; ОР — обмотка реле; Я — якорь; КГ — контактная группа
467
чен вибропреобразователь, наводится переменная э. д. с., создающая переменный ток в цепи вызова.
Зуммер (рис. 25,16,6) состоит из катушки 1 с двумя обмотками, сердечника 2, якоря 3, угольника 4, на котором укреплены конденсаторы 5 и 6 фильтра, скобы 7, на которой укреплены три контактные пружины. Работает зуммер так же, как звонок постоянного тока. При прохождении тока по обмотке зуммера его якорь начинает колебаться
Рис. 25,16. Общие виды преобразователей: а — вибропреобразователь; б — зуммер
с частотой в несколько сот герц, замыкая и размыкая при этом цепь обмотки электромагнита. В результате в замкнутой электрической цепи зуммера будет протекать пульсирующий ток. Если зуммер будет замкнут на первичную обмотку трансформатора, то в его вторичной обмотке будет индуктироваться переменная э. д. с. с частотой, равной частоте пульсирующего тока.
Бленкеры устанавливаются в коммутаторах безбата-рейной связи в качестве указателей вызывающих абонентов, подключенных к коммутатору. Бленкер представляет собой электромагнитный механизм, якорь которого механически связан с индикатором в виде флажка-указателя. При прохождении тока по обмотке электромагнита якорь последнего притягивается и приводит в рабочее положение связанный с ним флажок-указатель, что и служит сигналом вызова или отбоя.
468
В приборах телефонной связи также широко применяются различные трансформаторы, дроссели, конденсаторы, предохранители, соединительные ящики и штепсельные соединения. По назначению телефонные трансформаторы делятся на микрофонные, входные, выходные и силовые. Отличаются они друг от друга в основном размерами и конструкцией сердечника. Применяются также дифференциальные трансформаторы, у которых каждая обмотка разделена на две одинаковые в электрическом и магнитном отношении половины. Дроссели и конденсаторы, как правило, применяются в качестве фильтров, а также для защиты от проникновения токов высокой частоты на электроды электронных усилителей. Конденсаторы, кроме того, применяются для электрического разделения отдельных цепей. Для переключения линий телефонных аппаратов с одного коммутатора на другой применяются соответствующие типы переключателей, а для разветвления магистральных телефонных кабелей — соединительные ящики. Как переключатели, так и соединигельные ящики представляют собой коробки. В первом случае в коробке установлен механизм переключателя, а во втором — предохранители и зажимы.
31—2107
ГЛАВА 26
КОРАБЕЛЬНЫЕ ТЕЛЕФОННЫЕ УСТАНОВКИ
§ 1. ТРЕБОВАНИЯ К ТЕЛЕФОННЫМ УСТАНОВКАМ
КОРАБЛЯ
Телефонные установки на корабле часто являются почти единственным средством связи, так как сообщение между многочисленными помещениями корабля во время боя сильно затруднено, а во многих случаях совершенно невозможно.
Исходя из этого, к корабельным телефонным установкам предъявляются вполне определенные требования. Телефонные установки должны:
1) быть прочны, надежны в работе и защищены от попадания воды;
2) обеспечивать ясные и четкие вызовы и передачи при всех условиях, свойственных кораблю;
3) в случае необходимости обеспечивать циркулярную передачу нескольким абонентам одновременно;
4) быть простыми в пользовании и в обслуживании, по возможности иметь минимальное излучение магнитного поля;
5) обладать достаточной живучестью.
Эти специфические требования и определяют конструкцию корабельной телефонной аппаратуры, а также обусловливают ряд особенностей в схемах и системах ее соединения.
Телефонные установки по принципу питания разделяются на две основные группы — батарейные установки, требующие для своей работы источника питания, и безба-тарейные телефонные установки, не требующие для своей работы никакого источника питания.
470
§ 2. КОРАБЕЛЬНЫЕ ТЕЛЕФОННЫЕ АППАРАТЫ
Телефонным аппаратом называется устройство, состоящее из микрофона, телефона, вызывных и переключающих приспособлений, смонтированных в металлической или пластмассовой коробке. Внутри коробки обычно находятся панель (плата) с зажимами, звонок или механизм звонка, ряд подвижных и неподвижных контактов, служащих для замыканий и размыканий разговорных и вызывных цепей.
Рис. 26,1. Общий вид и схема телефонного аппарата ТАК-2
На внешней стороне коробки, как правило, имеется рычажный переключатель для установки микротелефонной трубки, а также для автоматического включения телефона в линию и выключения его из линии. Корабельный телефонный аппарат, кроме микротелефонной трубки, как правило, снабжается добавочным телефоном. Основной и добавочный телефоны соединяются между собой последовательно или параллельно.
В зависимости от места установки и назначения телефонные аппараты бывают стенные, настольные, нагрудные и т. п. По конструкции телефонные аппараты ручного действия изготовляются следующих типов: ТАК-2, ТАК-3, ТАКО-2, ТАКО-3 и ТАК-Б
На рис. 26,1 показан общий вид и электрическая схема аппарата ТАК-2 (телефонный аппарат корабельный двух
31*
471
проводный). В аппаратах этого типа применяются микрофон с капсюлем МКЗ-ЦБ и телефоны типа ДЭМ или БЭМ-2. Связь между микрофоном и телефоном трансформаторная, что уменьшает слышимость собственной речи в своем телефоне. Конденсатор Ci служит для защиты телефонов от постоянного тока, а конденсатор С? является добавочным сопротивлением в цепи неоновой лампы. Кон-
Рис. 26,2. Общий вид и схема аппарата ТАК-Б
тактная группа рычажного переключателя РП служит для подключения к линии вызывных и разговорных цепей аппарата.
Разновидностью аппарата ТАК-2 является аппарат ТАКО-2. Последний конструктивно отличается от аппарата ТАК-2 лишь тем, что в нем вместо микротелефонной трубки установлена остеофоническая.
Трехпроводный аппарат ТАК-3 по внешнему виду ничем не отличается от аппарата ТАК-2, а по устройству он отличается тем, что в нем установлен звонок постоянного тока и имеются четыре линейных зажима. Что касается аппарата ТАКО-3, то он отличается от аппарата ТАК-3 только тем, что он вместо микротелефонной трубки имеет остеофоническую трубку.
На рис. 26,2 показаны общий вид и электрическая схе
472
ма безбатарейного телефонного аппарата ТАК-Б. Такой аппарат имеет микрофон и телефон типа ДЭМ или БЭМ-2. Индуктор имеет шунтирующие контакты ИК. При вращении индуктора шунтирующие контакты 1—2 размыкаются, а контакты 1—3 замыкаются. Конденсатор Сь включенный параллельно телефону, служит для выравнивания частотной характеристики телефонов, а конденсатор С2 — для снижения величины вызывного тока, попадающего на микрофон и телефоны при снятой трубке. Сопротивление, включенное последовательно в цепь неоновой лампы, служит для ограничения тока, потребляемого лампой.
Помимо стенных аппаратов, в телефонных установках ручного действия применяются головные телефоны с нагрудным микрофоном типа ТП-2 и типа ТН-Б, а также головные телефоны в летнем и зимнем шлемах типа ТЛШ-2, ТЛШ-Б и ТЗШ-Б. Телефоны ТН-2 и ТН-Б отличаются только микрофонным капсюлем: в первом применяется капсюль МКЗ-ЦБ, а во втором — ДЭМ или БЭМ-2. Телефоны в шлемах по внешнему виду все одинаковы и отличаются только типом микрофонного капсюля.
Для подключения к линии батарейных головных телефонов применяются штепсели типа ШО-2 и ШК-2, а для подключения безбатарейных головных телефонов—штепсели ШИ-Б и ШК-Б. Каждый штепсель представляет собой коробку с крышкой, внутри которой установлены соединительные и другие нужные элементы.
§ 3. ГРУППЫ ТЕЛЕФОНОВ И СИСТЕМЫ ИХ СОЕДИНЕНИЯ
Телефонные установки на корабле предназначаются для обеспечения: связи между главным командным пунктом и командными пунктами отдельных боевых частей и служб; связи командных пунктов между собой; связи между командными пунктами каждой боевой части со всеми боевыми постами, входящими в эту часть; связи корабля с береговыми телефонными станциями при стоянке корабля у стенки пли на бочке; связи повседневного, обиходного характера. Все эти виды связи осуществляются путем установки на корабле отдельных групп телефонов. Так, на надводных кораблях устанавливаются телефоны управления кораблем, телефоны механической группы, телефоны электротехнической группы, телефоны группы связи, телефоны управления артиллерией, телефоны торпедной группы, штурманские телефоны, телефоны ряда спецгрупп
473
и постов и обиходные телефоны. На подводных кораблях обычно деление телефонов на группы не делается.
Соединение телефонных аппаратов внутри вышеперечисленных групп осуществляется по одной из следующих систем: а) системы парной связи; б) системы командных коммутаторов; в) системы отдельных коммутаторов; г) системы центральных телефонных станций; д) системы автоматических телефонных станций. Первые четыре системы являются системами ручного действия.
§ 4. СИСТЕМА ПАРНОЙ СВЯЗИ
Система парной связи представляет собой непосредственное соединение между собой двух телефонных аппаратов. К достоинствам этой системы относятся: быстрота
Рис. 26,3. Парное соединение аппаратов ТАК-Б
действий и отсутствие посредников, секретность переговоров, простота и надежность работы системы. Ее основной недостаток — ограниченность действия. Такая система обычно применяется для связи наиболее ответственных командных пунктов и постов корабля. Парная связь, как правило, оборудуется безбатарейной телефонной связью.
На рис. 26,3 приведена схема парного соединения аппаратов типа ТАК-Б. На схеме обозначены: М — микрофон, Т — телефон, ДТ — добавочный телефон, Зв — звонок. Ci и С2 — конденсаторы, И — индуктор, R— добавочное сопротивление, НЛ—неоновая лампа, Л1 и Л2— линейные провода, РП — рычажный переключатель. При работе схемы
474
могут быть три операции: вызов абонента, разговор и разъединение абонентов.
Если абонент А желает вызвать абонента Б, то для этого он вращает рукоятку индуктора В результате в аппарате А контакты индуктора 1—2 размыкаются, контакты 1—3 замыкаются и образуется основная цепь вызова: индуктор И аппарата А — контакты /—3 индуктора —провод Лх — контакты 2—3 РП аппарата Б — звонок Зв — контакты 1—2 индуктора — провод Л2— второй зажим индуктора аппарата А. Одновременно вызывной ток ответвляется в цепи неоновых ламп обоих аппаратов. У абонента Б звонит звонок и горит неоновая лампа, вызывая его к аппарату, а у абонента А горит неоновая лампа, контролируя исправность индуктора.
Абонент Б, получив вызов, снимает микротелефонную трубку, благодаря чему цепь вызывных сигналов обрывается и при передаче речи в микрофон МБ создается разговорная цепь
МБ — С2 — (1 — 2) РП — —
/Та\
— (2— \)РП- С^~ДТА -^(1 -2)И—Л2—(2 1) И—МБ.
Аналогичная разговорная цепь образуется при передаче с микрофона аппарата А.
По окончании разговора абоненты ставят микротеле-фонные трубки в аппараты, при этом в обоих аппаратах разговорные контакты 1—2 РП размыкаются, а вызывные контакты 2—3 РП замыкаются и аппараты готовы к приему следующего сигнала вызова.
§ 5. СИСТЕМА КОМАНДНЫХ КОММУТАТОРОВ
Система командных коммутаторов является системой централизованного управления с одного аппарата-передатчика несколькими аппаратами-приемниками. Обычно в командном пункте при телефонном аппарате-передатчике устанавливается коммутатор, от которого идут линии к ряду телефонных аппаратов-приемников. Аппарат-передатчик может говорить с любым аппаратом-приемником в отдельности или с группой их одновременно. Аппараты-
475
приемники же могут говорить только с передатчиком, но не между собой. К достоинствам этой системы относятся простота н быстрота соединения, отсутствие посредника, секретность переговоров и надежность работы системы. Такая система применяется там, где ряд постов подчиняется одному командному пункту.
Необходимо отметить, что некоторые схемы командной телефонной связи обслуживают два или три командных пункта, в каждом из которых установлен коммутатор. В этом случае коммутаторы подключаются к подчиненным абонентам через переключатель, причем командным коммутатором может быть только один из коммутаторов. Другие же коммутаторы в это время остаются включенными как обычные абоненты-приемники и принимают приказание командного коммутатора.
В соответствии с основными типами телефонных аппаратов командная связь, как правило, осуществляется по системе БКК и по системе ОКК-2. Первая является безба-тарейной телефонной связью, а вторая — батарейной.
Установки системы БКК
Основными приборами телефонной установки БКК являются:
1) безбатарейный ключевой коммутатор на то или другое число номеров, обозначаемый сокращенно БКК; 2) телефонные аппараты ТАК-Б; 3) головные телефоны типа ТН-Б, ТЛШ-Б и ТЗШ-Б; 4) комплект вспомогательной аппаратуры— штепсели типа ШК-Б, ШП-Б и ШИ-Б, звонки, переключатели и соединительные ящики типа СЯ.
Коммутаторы БКК изготовляются емкостью от 3 до 12 номеров и соответственно обозначаются БКК-3, БКК-7, и БКК-12. Отличаются они между собой только размерами и количеством деталей. На рис. 26,4 показан общий вид коммутатора БКК-7. Коммутатор, представляющий собой литую коробку с крышкой, имеет: а) переговорный комплект приборов; б) вызывной комплект приборов, состоящий из индуктора поляризованного звонка и неоновой лампы; в) семь абонентских комплектов, каждый из которых состоит из ключа, имеющего положения «Сообщено» и «Разобщено», и бленкера. На внешней стороне коммутатора имеются еще держатель и рычаг переключателя.
На рис. 26,5 представлены блок-схема соединения приборов установки БКК-7 с двумя командными пунктами и 476
Рис. 26,4. Внешний вид коммутатора БКК-7
на рис. 26,6 схема соединения коммутатора с аппаратами, причем последняя показана в исходном положении, т. е. микротелефонные трубки стоят на месте, а ключи коммутатора в положении «Разобщено». На схемах обозначены: СЯ— соединительные ящики; П-418 — переключатель коммутаторов; СК — соединительные коробки; /И — микрофоны, Т — телефоны; Зв — звонки;
И — индуктор; ПК — контактная группа индуктора; РП — рычажный переключатель; ЛК— линейные ключи; Б— бленкер; НЛ— неоновые лампы; С — конденсаторы; ШК-Б — штепсель, предназначенный для включения головного телефона с нагрудным микрофоном электромагнитного типа.
При вызове коммутатора абоненту необходимо вращать рукоятку индуктора. При вращении рукоятки индуктора, например, аппарата Anl, шунтирующие контакты /—2 индуктора размыкаются, а контакты 1—3 замыкаются. В результате создается вызывная цепь переменного тока: правый зажим индуктора аппарата — контакт 1—3 индуктора — провод .771 — контакты 2—3 бленкера Б комму
татора — обмотка Р бленкера — контакты 2—1 линейного ключа ЛК.1 — контакты 5—6 линейного ключа ЛК\— провод Л2—левый зажим индуктора аппарата Anl. Одновременно ток проходит через параллельную цепь неоновой лампы НЛ аппарата. Последняя будет гореть, указывая абоненту на исправность индуктора.
Бленкер Р на коммутаторе, оказавшись под током, срабатывает и выбрасывает флажок, указывая этим, какой абонент вызывает коммутатор. Одновременно с этим контакты 2—3 бленкера размыкаются, обесточивая обмотку бленкера, а контакты 2—1 замыкаются и подключают
477
к проводам JJi и Л2 звонок коммутатора. Последний будет звонить, вызывая к коммутатору.
На коммутаторе, получив вызов, поворачивают линейный ключ вызывающего абонента в положение «Сообщено» (в данном случае ключ ЛКх), благодаря чему прекращается работа звонка и убирается флажок бленкера, и снимают микротелефонную трубку. В результате перемыкаются контакты РП и образуется разговорная цепь: микрофон М коммутатора — контакты 1—2 переключателя
Рис. 26,5. Блок-схема коммутатора БКК-7
РП — конденсатор С —контакты 4—3 ключа ЛК\ — контакты 2—1 бленкера — провод Л] — контакты 2—1 переключателя РП аппарата — конденсатор С2 — параллельно телефон и микрофон аппарата — контакты 1—2 индуктора аппарата—провод Л2 — контакты 7—8 ключа ЛК\— контакты 2—1 индуктора коммутатора — микрофон М коммутатора. По этой же цепи будет проходить разговорный ток от микрофона М абонента, но в обратном направлении, причем часть тока от обоих микрофонов проходит по своим телефонам, в которых собственная речь будет прослушиваться.
По окончании разговора оба абонента ставят микроте-лефонные трубки на место, а на коммутаторе, кроме того, 478
М2
поворачивают линейный ключ ЛК\ в положение «Разобщено».
При вызове абонента коммутатором необходимо на коммутаторе повернуть линейный ключ вызываемого абонента в положение «Сообщено» и вращать рукоятку индуктора. При этом у абонента будет звонить звонок и гореть неоновая лампа, а на коммутаторе будет гореть неоновая лампа, указывая на исправность индуктора.
Абонент, получив вызов, снимает микротелефонную трубку, на коммутаторе после прекращения посылки вызова также снимают микротелефонную трубку. В результате устанавливается разговорная цепь, аналогичная рассмотренной выше. По окончании разговора оба абонента ставят трубки на место, а на коммутаторе поворачивают еще линейный ключ в положение «Разобщено».
При циркулярной передаче на коммутаторе необходимо повернуть соответствующее количество ключей в положение «Сообщено» и вращать рукоятку индуктора По окончании посылки вызова на коммутаторе снимают микротелефонную трубку, абоненты, получив вызов, снимают трубки, благодаря чему создается разговорная цепь, при которой все абоненты подключены параллельно. По окончании разговора абоненты ставят трубки на место, а на коммутаторе ставят трубку на место и поворачивают все ключи в положение «Разобщено».
Следует иметь в виду, что во всех рассмотренных операциях на коммутаторе пользовались микротелефонной трубкой. В случае же использования на коммутаторе головных телефонов при вызове с коммутатора поступают так же, как и при пользовании трубкой. После же окончания посылки вызова и необходимости приступить к разговору микротелефонную трубку не снимают, а на штепселе ШК.-Б поворачивают ключ в положение «Включено». После этого на коммутаторе приступают к разговору через головной телефон, причем разговорная цепь аналогична цепи, которая образуется при пользовании микротелефонной трубкой. По окончании разговора ключ на штепселе поворачивают в положение «Выключено».
Отметим, что при вызове коммутатора каким-либо абонентом во время переговоров коммутатора с другим абонентом, т. е. когда на коммутаторе снята микротелефонная трубка, звонок на нем не будет звонить. В этом случае сработает только бленкер вызывающего абонента.
480
Установки системы ОКК-2
Основными приборами телефонной установки ОКК-2 являются: 1) отдельный ключевой двухпроводный коммутатор, т. е. рассчитанный! для связи с абонентами по двухпроводной схеме связи и обозначаемый сокращенно ОКК-2; 2) вызывное устройство ВУ-2; 3) выпрямитель типа ВТ; 4) дуплексный усилитель типа ДУ-2П; 5) телефонные аппараты ТАК 2, ТАКО-2, ТАК-3 и ТАКО-3; 6) головные телефоны типа ТН-2, ТЛШ-2 и ТЗШ 2; 7) звонок переменного тока ЗВИ и прерыватель ПРТСП, ПРТС или ПРТ-2; 8) переключатели типа ПТ; 9) соединительные ящики СЯ. Рассмотрим устройство только первых четырех приборов, так как остальные приборы нами уже рассмотрены.
Коммутаторы ОКК-2 выпускаются емкостью от 3 до 20 номеров и соответственно обозначаются ОКК-2-3, ОКК-2-7, ОКК-2-12 и ОКК-2-20, причем, если коммутатор снабжается микротелефонной трубкой, то в конце условного обозначения ставится буква М, а если остеофониче-ской — то буква О. По устройству указанные коммутаторы одинаковы и отличаются габаритами и весом в соответствии с количеством установленных в них деталей.
На рис. 26,7 показан общий вид коммутатора ОКК-2-7М. Он представляет собой литую коробку с крышкой. Все детали коммутатора разделяются на две основные части — общекоммутаторную и абонентскую. Первая имеет следующие детали: плату с клеммами и предохранителями, местное реле, звонок для приема вызова абонентов, микротелефонную трубку и добавочный телефон, зуммер, дроссель, сопротивление и вызывную педаль. Абонентская часть имеет семь абонентских комплектов, каждый из которых состоит из следующих детален: линейного реле, вызывной лампы, линейного ключа, разделительного конденсатора и клеммной платы с девятью парами клемм, которые могут замыкаться перемычками. Рукоятки всех ключей расположены на наружной стороне крышки и имеют два положения — «Сообщено» и «Разобщено». Кроме того, на крышке расположены линзы вызывных ламп, рычаги вызывной педали и рычажного переключателя.
Коммутатору придаются еще дополнительные устройства: а) усилитель для повышения громкости в телефонах при передаче с остеофона и при циркулярной передаче с микрофона; б) выпрямитель для питания усилителя в том случае, когда в качестве источника питания усилителя
481
используется сеть переменного тока; в) вызывное устройство типа ВУ-2, служащее для осуществления посылки вызова переменным током, включенным в коммутаторы. Однако на практике первые два прибора, как правило, не используются.
Вызывное устройство ВУ-2 в основном состоит из понижающего силового трансформатора, вибрационных пре-
Рис. 26,7. Коммутатор ОКК-2-7М'
образователей и реле. При наличии в месте установки ВУ-2 сети переменного тока посылка вызова осуществляется через трансформатор, а при ее отсутствии — через вибропреобразователи, которые преобразуют постоянный ток аккумуляторной батареи в переменный.
На рис. 26,8 изображена блок-схема телефонной установки ОКК-2-7М. При работе системы могут производиться следующие операции: вызов коммутатора абонентом, вызов абонента с коммутатора, разговор между абонентами и их разъединение, а также циркулярная передача.
Для вызова коммутатора необходимо снять микротеле-фонную трубку с аппарата. В результате на коммутаторе будет звонить звонок и гореть лампа, указывая номер вызывающего абонента. Работа звонка будет слышна в виде треска в телефоне аппарата. На коммутаторе, получив вы-482
Рис. 26,8. Блок-схема соединения приборов установки ОКК-2-7М
зов, поворачивают линейный ключ вызывающего абонента в положение «Сообщено» и снимают микротелефонную трубку для ведения разговора.
При вызове абонента с коммутатора необходимо поставить линейный ключ требуемого абонента в положение «Сообщено» и нажать вызывную педаль для посылки вызова абоненту. Если же установка ОКК-2 имеет выносной аппарат, то, кроме указанного, надо снять трубку с аппарата. В результате у вызываемого абонента будут работать вызывные сигналы. Если при этом абонент имеет настенный аппарат, то он снимает трубку и начинает разговор с коммутатором. Если же абонент имеет головной телефон, то он, услышав сигналы вызова, ставит ключ на штепселе в положение «Включено» и приступает к разговору,
Если на коммутаторе пользуются головным телефоном, то для вызова абонента на коммутаторе следует: а) установить ключ на штепселе ШК-2 в положение «Включено»; б) перевести соответствующий линейный ключ на коммутаторе в положение «Сообщено»; в) нажать вызывную пе
483
даль. Абонент, приняв сигнал вызова, снимает микротелефонную трубку, если у него установлен настенный аппарат, или переводит ключ на штепселе в положение «Включено», если у него установлен головной телефон, и приступает к разговору.
При необходимости одновременной передачи распоряжения нескольким абонентам, аппараты которых подключены к коммутатору, по требованию командира телефонист поворачивает линейные ключи требуемых абонентов в положение «Сообщено». Благодаря этому посылается одновременно вызов всем аппаратам- Абоненты всех вызванных аппаратов, получив сигнал, снимают микротелефонные трубки, вследствие чего создаются цепи разговора между передатчиком и приемниками. Все приемники слушают распоряжения передатчика. Если же при циркулярной передаче необходимо повысить слышимость передачи, то на коммутаторе ключ 52 ставят в положение «Сообщено» и тем самым включают усилитель в работу. Однако при этом необходимо выдержать время (около 30 сек), которое требуется для разогрева ламп усилителя, лишь после этого можно приступить к разговору.
Отметим, что если во время разговора на коммутатор поступит вызов со стороны других абонентов, исключая выносной аппарат, то на коммутаторе загорится вызывная лампа, соответствующая вызывающему абоненту, и будет работать зуммер, сигнал которого слышен в телефоне вызывающего абонента.
§ 6. СИСТЕМА ОТДЕЛЬНЫХ КОММУТАТОРОВ
Система отдельных коммутаторов представляет собой установку (рис. 26,9), в которой каждый абонент имеет возможность осуществить связь с одним или несколькими абонентами, объединенными этой установкой, непосред-
кгн кп-п кп-ш кп-w
Рис. 26,9. Схема соединения отдельных коммутаторов
484
ственно без помощи каких-либо посредников. С этой целью у каждого абонента устанавливается свой отдельный коммутатор типа БКК или ОКК-2. Однако в большинстве случаев этот вид связи осуществляется при помощи безбата-рейных коммутаторов типа БКК-3. Эта система, помимо прямой связи одного абонента с другим, допускает циркулярную передачу любым абонентом другим абонентам, подключенным к коммутатору.
§ 7. СИСТЕМА ЦЕНТРАЛЬНЫХ ТЕЛЕФОННЫХ СТАНЦИЙ
Система центральных телефонных станций представляет собой такую систему телефонной связи, которая дает возможность осуществить соединение любого абонента с любым другим или несколькими абонентами этой системы, производить одновременно разговор нескольких независимых пар абонентов, усилить громкость при разговоре и позволяет соединять абонентов различных станций. Все указанные соединения производятся на станции телефонистом, несущим вахту.
Основными достоинствами этой системы являются гибкость и большая емкость. К ее недостаткам относятся: наличие посредника, медленность соединения, возможность ошибок при соединениях и занятость абонента. Эта система применяется в тех телефонных группах, которые имеют большое число абонентов.
В конструктивном отношении телефонная станция представляет собой либо одну секцию центрального коммутатора типа ЦКС, либо несколько секций в зависимости от числа номеров телефонной группы. Телефонная станция с одной или несколькими секциями ЦКС сокращенно называется КРТС—ключевая ручная телефонная станция. В комплект всей установки станции КРТС, помимо секций ЦКС, входят еще следующие элементы: два вызывных устройства ВУ-1 и ВУ-2, телефонные аппараты типа ТАК-2 и ТАКО-2, головные телефонные аппараты ТН-2, подключаемые через штепсели ШО-2, телефонные релейные прерыватели типа ПРТСП, ПРТС или ПРТ-2, соединительные ящики СЯ и источники питания постоянного тока 24 в и переменного— 110/220 в.
На рис. 26,10 приведена блок-схема установки КРТС с одной секцией. Эта телефонная установка предназначается для повседневной связи служебных и жилых помещений корабля. Она обеспечивает парное соединение або
485
нентов, циркулярную передачу одного абонента с шестью абонентами данной станции, связь по соединительным линиям с внутрикорабельными абонентами другой КРТС и автоматической телефонной станцией, а при стоянках в базах— связь с береговыми телефонными станциями как ручного, так и автоматического действия. Установка обслуживается вахтенным телефонистом, причем один вахтенный телефонист может обслуживать станцию емкостью до трех
Рис. 26,10. Блок-схема установки КРТС с одной секцией
секций. При большей емкости станция обслуживается двумя вахтенными телефонистами. Схема связи двухпроводная.
Основные элементы установки КРТС аналогичны элементам установок БКК и ОКК-2 Новыми элементами являются номеронабиратель, коммутационная секция ЦКС и вызывное устройство типа ВУ-1. На рис. 26,11 показан общий вид секции ЦКС, которая состоит из корпуса, крышки и релейной рамы. В корпусе размещены плата с линейными клеммами и релейная рама. На раме укреплены реле, конденсаторные и клеммные платы. На внутренней стороне крышки расположены три ряда ключей — по одиннадцати ключей в ряду, а также вызывные и отбойные лампы. На внешней стороне крышки расположены линзы вызывных и отбойных ламп, рукоятки ключей и планки с номерами абонентов.
486
Общий вид вызывного устройства ВУ-1 представлен на рис. 26,12. Оно состоит из корпуса, крышки и микротелефонной трубки. В корпусе установлены механизм звонка постоянного тока, реактивные катушки, плата с предохранителями, плата с клеммами, штепсельная розетка микротелефона и релейная рама, на которой размещены четыре
Рис. 26,11. Общий вид секции типа ЦКС
реле. На корпусе снаружи установлена чашка звонка 2. 11а внутренней стороне крышки расположены четыре сигнальные лампы, пружины вызывных педалей и ключа, механизм номеронабирателя, индуктор, трансформатор и конденсаторы. На наружной стороне крышки расположены линзы сигнальных ламп 3, диск номеронабирателя 6, вызывные педали 1 и 5, рукоятка ключа 4, рукоятка индуктора 7 и микротелефонная трубка.
Соединение абонентов между собой в коммутационной секции типа ЦКС производится при помощи шести соединительных шин (шнуров), благодаря чему станция с одной секцией может одновременно иметь шесть парных соединений. Секция имеет одиннадцать линейных комплектов, из которых восемь используются в качестве абонентских, а три — в качестве комбинированных. Первый из последних трех может быть использован как местный опросный, абонентский или передаточный в другую секцию. Второй и третий комплекты могут быть использованы как або-
487
нентские или соединительные для связи с другими станциями. Такое 4 использование трех комплектов достигается соответствующим переключением перемычек на платах секции, находящихся внутри корпуса.
При каждом телефонном соединении двух абонентов последовательно производятся следующие манипуляции: вызов абонентом станции, опрос вызывающего абонента телефонистом, соединение и вызов требуемого абонента, ответ вызываемого абонента, разговор абонентов, отбой и разъединение абонентов.
Для вызова станции абонент снимает микротелефонную трубку со сво-
Рис. 26,12. Общий вид вызывного устройства ВУ-1
его аппарата, благодаря чему замыкается электрическая цепь линейных проводов, которыми аппарат соединен со станцией, и на ней будут работать вызывные приборы — звонок и вызывная лампа. Получив вызов, телефонист по лампочке определяет номер вызывающего абонента и приступает к опросу путем поворота своего линейного ключа и линейного ключа вызывающего абонента в одном из свободных рядов в одну и ту же сторону. Узнав номер требуемого абонента, телефонист посылает ему вызов, для чего он поворачивает линейный ключ вызываемого абонента в ту же сторону и в том же горизонтальном ряду, что и ключ вызывающего абонента,
I
I
при этом посылка переменного вызывного тока может производиться от сети переменного тока, вибратора или от индуктора. Получив вызов абонент снимает трубку с аппарата, что замечает телефонист по погасанию лампы. Со-
488
единив между собой абонентов, телефонист, ставя свой ключ в исходное положение, отключается. По окончании разговора абоненты ставят свои трубки на аппараты, вследствие чего на коммутационной секции загораются отбойные лампы, а на вызывно?л устройстве ВУ-1 звонит звонок и загорается отбойная лампа. Телефонист, получив сигнал отбоя, поворачивает линейные ключи соединенных абонентов в исходное положение, благодаря чему прекращают работу сигналы отбоя.
32—2107
ГЛАВА 27
КОРАБЕЛЬНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ ТЕЛЕФОННЫЕ СТАНЦИИ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Под автоматическими телефонными станциями понимаются такие телефонные станции, в которых выполнение соединений, разъединении и других операций производится главным образом с помощью реле и специальных аппаратов — искателей. Реле и искатели с рядом вспомогательных деталей заменяют полностью дежурного телефониста Другими словами, автоматическими телефонными станциями называются устройства, состоящие из ряда электрических аппаратов и выполняющие все операции по соединению абонентов автоматически, без помощи обслуживающего персонала.
Автоматические телефонные станции, применяемые на кораблях флота, называются корабельными автоматическими телефонными станциями илн сокращенно КАТС. Последние изготовляются на 10, 20, 50 и более номеров. В зависимости от количества номеров, или, иначе, емкости, корабельные автоматические телефонные станции соответственно обозначаются КАТС-10, КАТС-20 и т. д. Эти станции применяются главным образом в обиходных группах телефонов, т. е. для обслуживания повседневных нужд корабля.
§ 2. ПРИНЦИП РАБОТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ ТЕЛЕФОННЫХ СТАНЦИЙ
Соединение абонентов через центральную телефонную станцию, осуществляемое дежурным телефонистом, может быть разделено на две основные операции — осмысленную и механическую. Первая операция заключается в приеме 490
заказа от абонента и выполнении его, а вторая — в соединении абонентов, проверке занятости абонента, в его вызове, если он свободен, и в производстве отбоя. Эти операции в автоматических телефонных станциях осуществляются раздельно. Осмысленная операция осуществляется
Рис. 27,1. Внешний вид, номеронабиратель и схема аппарата ЛТС
самим абонентом на аппарате, а механическая—электрическими аппаратами на станции, причем электрические аппараты работают при воздействии на них токовых импульсов, посылаемых абонентом с аппарата.
Абонент выполняет свою операцию на аппарате с помощью специального механизма — номеронабирателе. На рис. 27,1 показаны общий вид и схема одного из типов або-
32*
491
кентского аппарата автоматической станции, а также его номеронабиратель с передней стороны. Последний состоит из круглого металлического вращающегося на оси диска 1 с десятью отверстиями по краю. За диском на корпусе аппарата укреплен циферблат с цифрами от 1 до 0, расположенными таким образом, что каждая из цифр находится против отверстия на подвижном диске. На самом диске нанесены еще буквы в порядке алфавита от А до Л, исключая букву 3. Кроме того, на внешней стороне аппарата имеется упор 2, который служит для ограничения вращения диска при наборе номера. В электрическом же отношении номеронабиратель представляет собой систему разомкнутых и замкнутых контактов, которые при вращении диска замыкаются и размыкаются, посылая токовые импульсы в электрические аппараты станции, выполняющие механическую работу.
Отметим, что к вращению диска, т. е. к посылке импульсов тока, предъявляются строгие требования. Импульсы должны быть чистыми и полными и прежде всего не должны посылаться слишком быстро. Поэтому все номеронабиратели дают импульсы при вращении, не зависимом от абонента, т. е. при обратном вращении отпущенного диска. Для равномерности вращения диска, а также для регулировки скорости его номеронабиратель имеет регулятор скорости. Нетерпеливые абоненты пытаются ускорить вращение диска, помогая ему пальцем, чего, конечно, делать нельзя.
Принцип действия автоматической телефонной станции может быть уяснен по схеме, представленной на рис. 27,2. Он состоит в следующем. Все операции по соединению абонентов на станции производятся, как уже отмечалось, при помощи реле и искателей. Каждый искатель состоит из электромагнита ЭМ, якоря Я, пружины П, храпового колеса ХК, щетки Щ и ряда металлических контактов 1, 2, 3, 4 и 5, образующих так называемое контактное поле. К этим контактам подключены линии абонентов.
При вызове нужного абонента, т. е. при наборе его номера, необходимо снять с аппарата микротелефонную трубку и вставить палец в то отверстие диска, под которым стоит номер вызываемого абонента, и повернуть диск номеронабирателя по часовой стрелке до упора, после чего палец надо освободить. Как только палец будет освобожден, диак под действием заведенной пружины возвращается в исходное положение. При возвращении диск своими изоляционными выступами замыкает пружинящие контакты 492
НН столько раз, сколько единиц содержит номер вызываемого абонента. Столько же раз замыкается цепь электромагнита ЭМ искателя. При каждом замыкании цепи электромагнита якорь Я будет притягиваться к сердечнику и поворачивать храповое колесо ХК, на один зубец (шаг), пере-
Рис. 27,2. Принципиальная схема АТС на пять номеров
водя при этом щетку Щ на следующий контакт контактного поля. Очевидно, что щетка сделает столько шагов по контактному полю, сколько импульсов тока будет подано на электромагнит искателя. Щетка же представляет собой по существу конец провода аппарата вызывающего абонента, а к контактам контактного поля присоединены концы проводов аппаратов всех абонентов станции. Поэтому если, например, абонент № I набрал номер абонента № 5, то
493
щетка сделает пять шагов и остановится на пятом контакте контактного поля, осуществив тем самым соединение абонентов. В результате будут работать приборы вызова у абонента № 5. Последний, услышав вызов, снимает с аппарата микротелефонную трубку, благодаря чему образуется цепь разговора абонентов.
По окончании разговора абоненты ставят микротелефон-ные трубки на место. При этом искатель, двигаясь свободным движением, вернется в начальное положение. Возвращение искателя в исходное положение часто управляется специальным реле отбоя. Точно так же замыкание цепи электромагнита искателя осуществляется с помощью другого специального реле — импульсного реле, которое включается в цепь номеронабирателя. Это реле, отпуская свой якорь, обеспечивает замыкание цепи электромагнита искателя.
Характерной особенностью рассмотренной схемы является то, что каждый абонент имеет свой собственный искатель, который ишет непосредственно линию набираемого абонента. Поэтому такая схема называется схемой прямого искания. Основным ее достоинством является быстрота соединения.
Схема прямого искания применяется для станций не большой емкости или для специальных линий, имеющих большую нагрузку. Для станций же большой емкости эта схема не применяется, потому что применение такой схемы сделало бы станции весьма громоздкими и к тому же неэко комичными, так как искатели работали бы с низким коэф фициентом использования. По этой причине станции большой емкости оборудуются по двум другим схемам: схеме прямого предыскания и схеме обратного предыскания. В корабельных АТС применяется только последняя, на ее рассмотрении мы и остановимся.
На рис. 27,3, а приведена принципиальная схема обратного предыскания. В этой схеме абоненты не имеют своих искателей, а станция располагает определенным количеством парных искателей, связанных друг с другом. Один из парных искателей называется искателем вызова и обозначается буквами ИВ, а другой — линейным искателем или линейным соединителем и обозначается буквами ЛС. Щетки одного ИВ соединены со щетками какого-либо ЛС и работают совместно. Другими словами, в схеме обратного предыскания линия каждого абонента станции включена в соответствующие контакты контактных полей всех 494
искателей. Поэтому последние находятся как бы в коллективном пользовании всех абонентов.
При работе схемы производятся следующие операции: вызов станции, набор номера и отбой.
Для вызова станции необходимо снять с аппарата микротел ефонную трубку. При снятии трубки, например, с первого аппарата свободные искатели вызова ИВ (на
Рис. 27,3. Принципиальные схемы АТС: а — обратного предыскания; б — обратного предыскания с группообразованием
рис. 27,3, а их два на пять абонентских аппаратов) начинают двигаться и искать вызывающего абонента. Как только один из них, например ИВГ, первым найдет этого абонента, он остановится, а вместе с ним прекращает движение и второй искатель, после чего абоненту посылается сигнал готовности станции к приему заказа.
Абонент, услышав сигнал готовности — низкий зуммерный гудок, набирает нужный ему номер, например пятый. При этом один линейный искатель ЛС, соединенный с искателем ИВЬ начнет двигаться и станет своими щетками на контакты требуемого абонента. В результате осуществляется соединение абонентов (первого и пятого) для разговора.
По окончании разговора абоненты ставят трубки на аппараты. При этом линейный искатель ЛС возвращается в исходное положение. Что же касается искателя вызова ИВ, то он остается на месте, так как не имеет ника1кого начального положения.
Схема обратного предыскания, как и схема прямого искания, может быть применена только в тех станциях, ем
495
кость которых не превышает емкости контактного поля искателей. Поэтому в станциях, имеющих число аппаратов больше, чем число контактов контактного поля искателя, применяются схемы группообразования.
Отличительной особенностью каждой схемы группообра-зования (27,3, б) является то, что все число абонентов станции делится на равные группы, причем в каждой группе число абонентов не превышает емкости контактного поля искателя. Кроме того, на станции вводится третий вид искателей— искатели групп, которые обозначаются буквами ГИ (групповой искатель) или ГВ (групповой выбиратель). Поэтому вызывной номер абонента, кроме основного номера, включает в себя еще и дополнительные цифры, стоящие впереди и определяющие группу. Очевидно, что все это ведет к уменьшению скорости соединения. Из схемы видно, что линии абонентов включены в контактные поля искателей ИВ и ЛС, а щетки искателей ИВ и ГИ соединены между собой. Что касается контактного поля группового искателя ГИ, то оно разбито на несколько частей. К контактам каждой части подключены щетки искателей Л С, в контактное поле которых включены абоненты одной группы.
При работе схемы осуществляются те же операции, что и при работе схемы обратного предыскания. Для вызова станции абонент снимает с аппарата трубку, вследствие чего свободные искатели вызова приходят в движение и ищут вызывающего абонента. Как только один из них найдет его, он, а с ним и остальные искатели вызова останавливаются. После этого абоненту посылается сигнал готовности искателя к приему заказа.
Абонент, услышав сигнал готовности, набирает номер нужного ему абонента. При наборе цифры или группы цифр, обозначающих группу, в которую включен требуемый абонент, начинает двигаться групповой искатель Г И и останавливается на первом контакте той части поля, куда включен первый линейный искатель ЛС, имеющий в своем контактном поле контакты абонента из требуемой группы. Если первый искатель ЛС занят, то искатель ГИ начнет поиск свободного в данный момент искателя ЛС. Абонент, продолжая набор номера, воздействует уже на выбранный линейный искатель. Последний, двигаясь по контактному полю, находит требуемого абонента данной группы.
Корабельные автоматические телефонные станции изготовляются разных емкостей, причем как многопроводные, так и двухпроводные. Но в настоящее время чаще всего при-496
меняются двухпроводные станции. Независимо от этого оборудование любой станции делится на следующие основные части: а) абонентскую часть, состоящую чаще всего из двух реле — линейного и разделительного, которые иногда совмещаются в одном реле, но со ступенчатым действием; б) шнуровую часть, состоящую из шнуровых линий, каждая из которых состоит из искателей и комплекта реле; число шнуровых линий обычно равно 15—20% емкости станции; в) об-щестанционную часть, представляющую собой набор реле и разных других аппаратов.
РАЗДЕЛ ВОСЬМО FI
ПРИБОРЫ УПРАВЛЕНИЯ КОРАБЛЕМ И КОНТРОЛЯ
ГЛАВА 28
ПРИБОРЫ УПРАВЛЕНИЯ КОРАБЛЕМ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
На кораблях для передачи отдельных приказаний на расстояние устанавливаются синхронные приборы передачи угла. Такие приборы обеспечивают одновременное поворачивание валов на равные или пропорциональные угловые величины, причем по окончании поворачивания валов их конечные показания фиксируются до начала следующей передачи. Валы этих приборов обычно связываются со стрелками, которые фиксируют отданные приказания.
Синхронные приборы передачи угла изготовляются главным образом двух типов: 1) импульсные синхронные приборы постоянного тока; 2) индукционные самосинхронизи-рующиеся приборы переменного тока. Под самосинхрони-зирующимися приборами понимаются такие приборы, которые обеспечивают автоматическое согласование указательных стрелок как во время передачи угла, так и в момент включения их в цепь, т. е. в работу.
Синхронные приборы передачи угла дают возможность не только отдавать приказания, но и осуществлять контроль принятия и исполнения приказаний. Поэтому они нашли широкое применение в качестве приборов управления кораблем, приборов управления отдельными энергетическими средствами и приборов управления специального назначения.
На кораблях применяются следующие синхронные приборы передачи угла: машинные телеграфы, машинно-котельные телеграфы, рулевые указатели и телеграфы, а также 498
ряд указателен и телеграфов специального назначения. Первая группа этих приборов называется приборами управления кораблем. В настоящее время в качестве таких приборов, как правило, применяются индукционные самосинхро-низирующиеся приборы, или, иначе, приборы, самосинхро-низирующейся системы переменного тока. На рассмотрении приборов управления кораблем этой системы мы и остановимся.
§ 2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ССП
Самосинхронизирующаяся система передачи угла, называемая сокращенно ССП, состоит из четырех основных элементов: а) дающего устройства — датчика, угловые перемещения вала которого в известном масштабе дают меру передаваемой величины; б) принимающего устройства — приемника, повороты вала которого воспроизводят в определенном масштабе передаваемую датчиком величину; в) линии связи, соединяющей датчик с приемником; г) источника переменного тока для питания системы.
Линия связи в простейшем случае представляет собой несколько проводов. В качестве же источника питания обычно используется корабельная сеть переменного тока или специальная установка переменного тока.
Устройство датчика и приемника
По устройству датчик и приемник совершенно одинаковы и представляют собой небольшие индукционные машины, выполненные по типу асинхронных машин с однофазной обмоткой возбуждения и трехфазной вторичной обмоткой. Эги небольшие самосинхронизирующиеся индукционные машины имеют сокращенное название— с е л ь с и н ы.
Сельсины, подобно другим индукционным машинам, состоят из двух основных частей — статора и ротора. По форме исполнения ротора сельсины разделяются на два основных вида: а) сельсины с контактными кольцами, или просто контактные сельсины; б) сельсины без контактных колец, или бесконтактные сельсины. На рис. 28,1 показаны общие виды контактного и бесконтактного сельсинов.
Контактные сельсины изготовляются в двух конструктивных исполнениях, принципиально не отличающихся друг от друга. В первом исполнении (рис. 28,2, а) однофазная обмотка возбуждения наматывается на два явно выражен-
499
Рис. 28,1. Общие виды сельсинов: а — контактный; б — бесконтактный
Рис. 28,2. Конструктивные исполнения контактных сельсинов
ных полюса статора, между которыми находится ротор с неявно выраженными полюсами и трехфазной вторичной обмоткой, соединенной звездой. Свободные концы трехфазной обмотки присоединены к трем контактным кольцам, сидящим на валу. По контактным кольцам скользят металлические щетки, укрепленные на плате траверсы. Во втором же исполнении (рис. 28,2,6) однофазная обмотка возбуждения располагается на роторе с явно выраженными полюсами, а трехфазная обмотка — на статоре с неявно 500
выраженными полюсами. Поэтому эти сельсины имеют два контактных кольца. Роторы двухконтактиых сельсинов получаются легче по весу и с меньшим моментом трения. Тут же показаны условные обозначения этих сельсинов на схемах.
Сельсины, использованные в качестве приемников, на валу ротора имеют еще успокоители — демпферы, служащие для уменьшения колебаний ротора. Обычно в качестве демпфера применяется дисковый маховик, насаженный на
Рис. 28,3. Детали контактного сельспн-датчика:
1 — статор; 2 — ротор; 3 — траверса; 4 — крышки; 5 — контактные кольца
втулку и имеющий возможность вращаться независимо от втулки. Последняя жестко насажена на вал ротора. Действие демпфера заключается в следующем. При небольших колебаниях ротора втулка поворачивается вместе с ротором, а маховик благодаря своей инерции остается неподвижным. В результате между втулкой и маховиком возникает трение, поглощающее энергию колебания ротора, и он быстрее успокаивается.
На рис. 28,3 показаны детали контактного сельсина.
На рис. 28,4 показано устройство бесконтактного сельсина и его изображение на схемах. Он, как и контактный сельсин, состоит из статора и ротора. Статор представляет собой полый цилиндр 1, изготовленный из алюминиевого сплава и имеющий по внутреннему диаметру восемь продольных канавок. В этих канавках размещены стальные стержни 2 с выступами на концах, образующими внешнюю
501
Рис. 28,4- Устройство бесконтактного сельсина
часть магнитопровода. Внутри цилиндра укреплен сердечник 3 статора. Между наружной поверхностью сердечника и внутренней поверхностью цилиндра имеется воздушный зазор, представляющий собой значительное сопротивление для прохождения магнитных силовых линий. В пазы сердечника статора уложена трехфазная вторичная обмотка 4, соединенная звездой. Над лобовыми частями трехфазной обмотки расположена однофазная обмотка возбуждения 5, выполненная в виде двух секций, имеющих форму колец прямоугольного сечения. Секции между собой соединены последовательно.
Ротор бесконтактного сельсина обмоток не имеет и является вращающимся магнитопроводом, который состоит из двух сердечников — полюсов 6 Г-образной формы, насаженных на вал 7 из немагнитной стали и разделенных немагнитной прокладкой 8 из алюминиевого сплава. Для проведения магнитного потока от полюсов ротора к стальным стержням внешнего магнитопровода применены боковые кольца — тороиды 9, набранные из кольцеобразных пластин электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью.
Для некоторого момента времени на рисунке показано направление переменного тока в обмотке возбуждения, а
502
1
5
Рис. 28,5. Детали бесконтактного сельсин-приемника: 1 — статор; 2 — ротор; 3 — демпфер; 4 — тороиды; 5 — крышки
также направление магнитных силовых линий, созданных этим полем. При изменении направления тока в обмотке возбуждения меняется только направление магнитных силовых линий, но путь их при этом не меняется. Нетрудно видеть, что магнитный поток в полюсах направлен вдоль оси ротора. Поэтому при повороте ротора поворачивается и магнитный поток возбуждения, который, пересекая неподвижную трехфазную обмотку, индуктирует в каждой ее фазе электродвижущую силу.
На рис. 28,5 показаны детали бесконтактного сельсина.
Таблица 28,1
Некоторые типы сельсинов
Тип сельсина Напряжение, в Тпк возбуждения, а Потребляемая мощность, вт Вторичное напряжение, в Максимальный момент, гем
СС-405 0,16 7,5 49
ДИ-500 1,0 17 58 5 000
СС-500 0,4 16 55 1 050
ДС-500 0,4 16 55 1050
СС-501 0,45 15 55 1800
ДИ-511 1,0 18 57 —
ДИ-500 1 0,45 17 55 —
БС-500 1 127 0,45 17 55 —-
ДБС-500 1 0,45 17 55 —
В табл. 28,1 приведены основные данные некоторых сельсинов, выпускаемых промышленностью. Буквы в условном
503
обозначении сельсинов означают: СС — сельсин контактный, ДИ — контактный сельсин-датчик, ДС — двойной сельсин, состоящий из двух механически соединенных контактных сельсинов, ДН — двухконтактный сельсин-датчик, БС — бесконтактный сельсин, ДБС — двойной бесконтактный сельсин. Цифры, стоящие после буквенного индекса, указывают номер типа сельсина и характеризуют его конструктивные параметры.
В настоящее время в приборах управления кораблем в качестве приемников применяются только бесконтактные сельсины. Это объясняется, во-первых, тем, что из-за отсутствия щеток у сельсинов их тормозящий момент уменьшается, и, во-вторых, благодаря отсутствию переходного электрического сопротивления щеточных контактов не происходит уменьшения и колебания тока в трехфазных обмотках синхронизации, а следовательно, и величины момента синхронизации. В результате повышается точность установки ротора сельсин-приемника в синхронное положение с ротором сельсин-датчпка. Кроме того, отсутствие щеток в бесконтактных сельсинах упрощает эксплуатацию приборов управления кораблем, а также повышает надежность их действия.
Однако бесконтактные сельсины вследствие сложной конструкции магнитной системы имеют несколько больший вес и большие габариты, чем контактные сельсины Поэтому в качестве датчиков обычно применяют контактные сельсины. Тормозящий же момент, создаваемый щетками, для этих приборов не имеет значения, так как поворот ротора сельсин-датчика осуществляется под воздействием внешнего механического усилия.
Принцип действия системы ССП
В простейшем виде самосинхронизирующаяся система ССП состоит из двух электрически соединенных между собой сельсинов. На рис. 28,6, а изображена принципиальная схема соединения двух контактных сельсинов, где трехфазная обмотка датчика Д соединена с трехфазной обмоткой приемника П, образуя замкнутую трехфазную систему. Обмотки же статоров датчика и приемника присоединены к общей сети однофазного переменного тока.
При прохождении однофазного переменного тока по обмоткам возбуждения в статорах создается пульсирующее магнитное поле, изменяющееся как по величине, так и по на-504
правлению. В результате в фазных обмотках роторов датчика и приемника будут индуктироваться переменные электродвижущие силы, величины которых зависят от положения обмоток роторов относительно магнитного поля. Если роторы, соединенные между собой, находятся в одинаковых положениях, то индуктирующиеся э. д. с. соответствующих фазных обмоток роторов будут одинаковы по величине и направлены навстречу друг другу, поэтому они будут уравновешивать друг друга и тока в соединительных проводах не будет — роторы будут неподвижны. Если же роторы сместить относительно друг друга, в частности при передаче приказания ротор датчика повернуть на некоторый угол, то
Рис. 28,6. Принципиальные схемы ССП а — с контактными сельсинами; б — с бесконтактными сельсинами
э. д. с. не будут равны и, следовательно, возникнут уравнительные токи, которые проходя через фазные обмотки роторов и взаимодействуя с магнитным полем статора, повернут ротор приемника на тот же угол. В результате роторы приборов снова займут одинаковые положения.
На рис. 28,6,6 приведена принципиальная схема соединения двух бесконтактных сельсинов. Принцип работы ССП с этими сельсинами не отличается от принципа работы системы с контактными сельсинами. Действительно, если роторы сельсинов находятся в одинаковых положениях, то индуктирующиеся э. д. с. в соответствующих фазах трехфазных обмоток будут равны по величине и направлены навстречу друг другу, вследствие чего роторы будут неподвижны. Если же ротор датчика Д повернуть на некоторый угол, то повернутся и его полюсы N и S. Вместе с полюсами повернется и магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, относительно трехфазной обмотки, что равноценно повороту трехфазной обмотки ротора контактного сельсина относительно магнитного потока обмотки возбуждения. В результате в одноименных фазных обмотках дат
33—2107 505
чика Д и приемника П э. д. с. не будут равны и, следовательно, по трехфазной системе будут протекать уравнительные токи. Последние создадут магнитные поля, которые, проходя через полюсы роторов и, взаимодействуя с полями обмоток возбуждения, создадут вращающие моменты. Так как ротор датчика заторможен, то ротор приемника повернется на тот же угол и в ту же сторону, на которую был повернут ротор датчика.
Следует отметить, что на один датчик могут быть включены два и более приемников. Число приемников, работающих от одного датчика, определяется мощностью последнего. Это обстоятельство имеет важное значение для приборов управления кораблем, так как позволяет при помощи одного датчика, установленного в командном пункте, одновременно передавать приказания в несколько исполнительных постов.
§ 3. ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА, ПРИМЕНЯЕМАЯ В ПРИБОРАХ УПРАВЛЕНИЯ
В установках приборов управления кораблем широко применяется ряд унифицированных сигнальных и вспомогательных приборов, в частности номерники, звонки, трещотки, звонки-ревуны, прерыватели, замыкатели, сигнальные лампы, переключатели, соединительные ящики, крестовые соединительные коробки, реле, предохранители и конденсаторы, устройство которых рассмотрено в предыдущих главах. Помимо указанных вспомогательных приборов, применяются также бленкеры, влагопоглотители, следящая система и защитные устройства. Рассмотрим кратко устройство этих приборов.
Бленкер и влагопоглотитель
Бленкер, применяемый в приборах управления кораблем служит для сигнализации о включении прибора под питание, а также для сигнализации об исправности электрических цепей статоров и роторов сельсинов. На рис. 28,7 изображены общий вид бленкера и схема его включения. Он состоит из электромагнита 1, якоря 2 с оттягивающей пружиной и флажка 3 с надписью «Обесточен», укрепленного на якоре электромагнита. Для устранения вибрации якоря при прохождении переменного тока по обмотке электромагнита 506
на его сердечнике имеется короткозамкнутый виток в "виде медного кольца.
Бленкер включается параллельно обмотке возбуждения сельсина. Поэтому при включении сельсина в сеть под напряжением оказывается и обмотка бленкера. В результате якорь, преодолевая противодействие оттягивающей пружины притягивается к сердечнику электромагнита и поднимает вверх флажок, благодаря чему он не виден на рабочей
Рис. 28,7. Бленкер.
а — внешний вид; б — схема включения
части шкалы прибора. При отключении прибора размыкается и цепь бленкера, вследствие чего его якорь под действием пружины возвращается в исходное положение, а флажок появляется на рабочей части шкалы прибора. В этом положении флажок остается и в том случае, если роторная цепь сельсина повреждена, так как в этом случае срабатывает индивидуальное защитное устройство прибора, которое, замыкая свой сигнальный контакт СК, шунтирует обмотку бленкера. Последний отпускает свой якорь и флажок возвращается в рабочую часть шкалы прибора. Для предохранения сети от короткого замыкания при замыкании сигнального контакта последовательно с обмоткой бленкера включено сопротивление г, ограничивающее величину тока в цепи.
33*
507
Влагопоглотитель предназначается для поглощения влаги из воздуха, попадающего в прибор при открывании его крышки. Он предохраняет также смотровое стекло прибора от запотевания три изменениях температуры.
Следящая система
Следящая система (рис. 28,8) служит для автоматического включения звуковых и световых сигнальных приборов, установленных в одном месте с сельсин-приемником, при подаче приказания по телеграфу, а также для автоматического отключения указанных сигнальных приборов в момент окончания передачи правильного ответа о приеме приказания. Сигнальная система состоит из пластмассового основания /, на котором установлены зубчатое колесо 2 и два контактных кольца 3, изолированных друг от друга эбонитовыми кольцами 4, пар контактных щеток 5, каждая из которых скользит по своему контактному кольцу, и двух контактных
Рис. 28,8. Следящая система п схема ее включения: Д — вал сельсин-датчика; П — вал сельснн-приемника
508
пружин 6, укреплённых на контактных кольцах и электрически соединенных с ними. Одна из этих пружин имеет текстолитовый ролик 7, который прижимается к текстолитовому диску 8, насаженному на металлическую втулку 9. Диск на своем ободе имеет полукруглый вырез и скреплен с валом сельсин-приемника. Через зубчатое колесо следящая система связана также с валом сельсин-датчика, установленного в корпусе того же прибора, где установлен и сельсин-приемник, в частности в корпусе машинного или котельного телеграфа.
Следящая система работает следующим образом. При прохождении тока по трехфазной обмотке сельсин-приемника, что имеет место при приеме какой-либо команды, его ротор повернется на некоторый угол, а вместе с ротором на такой же угол повернутся контактные кольца 3 и диск 8 следящей системы. В результате ролик 7, выйдя из впадины, будет катиться по ободу диска и замкнет контактные пружины 6. Последние в свою очередь замкнут цепь реле Р, которое, оказавшись под током, срабатывает и своими контактами включает сигнальные приборы. Отключение сигнальных приборов происходит при окончании передачи ответа о получении приказания путем поворота ротора сельсин-датчика на тот же угол, на который повернулся ротор сельсин-приемника. Вследствие этого ролик возвращается во впадину, контактные пружины, размыкаясь, отключают сигнальное реле, а последнее отключает сигнальные приборы.
Защитные устройства
С целью повышения надежности работы приборов управления устанавливается индивидуальная защита для каждого прибора, которая в случае короткого замыкания в цепи прибора отключила бы его и тем обеспечила работу всех других приборов схемы. В качестве индивидуальной защиты приборов переменного тока применяются: для защиты первичной обмотки сельсина — обычные слаботочные предохранители с серебряной плавкой вставкой и для защиты роторов сельсинов — специальные защитные устройства.
Индивидуальное специальное защитное устройство по принципу действия представляет собой термореле и предназначается для автоматического отключения цепи ротора неисправного сельсина, например, при коротком замыкании в цепи фазных обмоток ротора или при механическом засто-порении ротора вследствие какого либо дефекта прибора.
509
На рис. 28,9 дана электрическая схема индивидуального защитного устройства. Оно состоит из биметаллической пластины с тремя обмотками г из проволоки высокого сопро
Рис. 28,9. Схемы защитного устройства
тивления, включаемыми в цепи фаз ротора сельсина, и контактной группы из трех пар контактных пружин /, 2, 3. Обмотки являются нагревательными элементами для биметаллической пластинки, причем две из них включаются последовательно с замкнуты-
ми парами контактов. Весь механизм устройства помещается в пластмассовую коробку, которая в свою очередь устанавливается в соеди
нительных ящиках схемы.
При прохождении чрезмерного тока по нагревательным обмоткам г биметаллическая .пластинка изгибается и освобождает свой якорь-рычаг. Последний под действием упругих сил контактных пружин поворачивается на своей оси, а контактные пары / и 2 размыкаются и отключают роторные цепи поврежденного сельсина. Одновременно с этим замыкается контактная пара 3, шунтируя обмотку бленкера. В результате бленкер выбрасывает флажок в поле шкалы, сигнализируя о неисправности прибора.
Отметим, что при перегорании серебряной плавкой вставки стеклянного предохранителя стенки трубки окрашиваются, что является сигналом срабатывания предохранителя.
Номерники
Номерниками называются сигнальные приборы, фиксирующие подачу звуковых или световых сигналов и тем указывающие место подачи сигналов.
На рис. 28,10 показан внешний вид одного из типов но-мерника. На крышке видны смотровые отверстия, покрытые стеклами. За ними на задней стороне крышки смонтированы бленкеры, называемые шаровыми сигналами или дробсамн. Их число равно числу номеров номерника. Для размыкания цепи подачи сигналов на передней стороне крышки имеется педаль с надписью «Разблок», а на внутренней стороне 510
крышки — сами контакты. Внутри коробки на гетинаксовой панели расположены зажимы для подключения подводящих кабелей и включения звонка
Рис. 28,10. Номернпк
Номерники изготовляются постоянного тока типа НМ и переменного—типа Н, причем как те, так и другие выпускаются на 4 и 10 номеров. По устройству номерники постоянного и переменного тока отличаются только данными обмоток электромагнитов бленкеров.
§ 4. МАШИННЫЕ ТЕЛЕГРАФЫ
Машинные телеграфы предназначаются для передачи приказаний с пункта управления кораблем в машинные отделения о скорости хода корабля, а также для передачи ответов из машинных отделений о приеме этих приказаний. На кораблях флота, как правило, устанавливаются основной и аварийный машинные телеграфы.
Основной машинный телеграф
Основной машинный телеграф представляет собой автономную установку, обеспечивающую передачу приказаний из командных пунктов кораблем в машинные отделения и передачу из машинных отделений в командные пункты ответов о приеме приказаний, а также получения в специальных контрольных постах как переданных приказаний, так и
511
принятых ответов. С этой целью в командных пунктах устанавливают передатчики-приемники машинного телеграфа, в машинных отделениях — приемники-передатчики машинного телеграфа и в контрольных постах — контрольные приемники машинного телеграфа. Первые представляют собой объединение в одном корпусе сельсин-датчика и сельсин-приемника, вторые — объединение сельсин-приемника и сельсин-датчика, третьи — объединение двух сель-син-приемников. В табл. 28,2 приведены основные типы указанных приборов, выпускаемых промышленностью в настоящее время.
Таблица 28,2
Основные типы приборов машинного телеграфа
Тип прибора Наименование прибора Род тока Напряжение, в
МТ-ПЗ/ПС Приемник-передатчик машинного телеграфа со следящей системой без освещения шкалы, настенный Однофазный переменный частотой 50 гц 110 и 127
МТ-613/ПС То же, но с освещением шкалы То же То же
МТ-713/ПС Передатчик-приемник машинного телеграфа с освещением шкалы для установки на колонки »> м
МТ-213/ПС То же, но без освещения шкалы Передатчик-приемник машинного телеграфа двухшкальпый с освещением шкалы
МТ-913/ПС » и
Г1К-2/ПС Приемник машинного телеграфа контрольный настенный
На рис. 28,11 показан общий вид приемника-передатчика машинного телеграфа типа МТ-ПЗ/ПС. Он состоит из корпуса с крышкой, имеющей круглое смотровое окно, закрытое стеклом. Под стеклом крышки размещена шкала прибора с надписями, над которой перемещается одна исполнительная электрическая стрелка. Внутри корпуса установлены сельсин-датчик типа ДИ-500 или Д11-500, сельсин-приемник типа БС-500, следящая система, система зубчатых передач, фиксатор, бленкер, влагопоглотитель и сопротивление. Для вращения ротора сельсин-датчика имеется рукоятка со стрелкой-указателем, связанная при помощи поводка с зубчатым колесом и храповиком фиксатора. По ободу корпуса имеются пазы, число которых равно числу делений шкалы. При перемещении рукоятки ее защелка западает в пазы, 512
28,11. Внешний вид
Рис.
приемника-передатчика машинного телеграфа
благодаря чему рукоятка со стрелкой-указателем устанавливается точно против каждого деления шкалы. В верхней части корпуса расположена клеммная коробка.
Приемник-передатчик типа МТ-613/ПС отличается от прибора МТ-113, ПС лишь наличием внутреннего освещения шкалы тремя лампами, расположенными по ободу крышки приборов. Поэтому в приборе дополнительно установлены понижающий трансформатор и реостат для регулирования силы света ламп. Передатчик-приемник типа Л1Т-713/ПС отличается от прибора МТ-613/ПС отсутствием следящей системы, диаметрально противоположным расположением рукоятки и клеммной коробки, а также наличием на корпусе прибора табличек, дублирующих команды, написанные на шкале прибора.
Передатчик-приемник типа МТ-913/ПС представляет собой совокупность двух комплектов всех элементов передатчика-приемника, смонтированных в одной металлической тумбе. Соответственно этому прибор имеет две шкалы, над каждой из которых перемещаются две стрелки: механическая—командная (обычно рамочной формы), связанная через систему зубчатых колес с ру-
кояткой, и электрическая — исполнительная стрелка. По одной шкале осуществляется передача приказаний в исполнительный пост правой машины, а по другой — левой машины.
Приемник контрольный типа ПК-2/ПС состоит из двух сельсин-приемников типа БС-500, смонтированных в одном корпусе. Над шкалой такого прибора перемещаются две электрические стрелки — красная, фиксирующая отданные приказания с командного пункта, и желтая, контролирующая переданные ответы из машинного отделения.
На рис. 28,12 изображена однолинейная схема установки основного машинного телеграфа с применением всех прибо-
513
ров и при наличии на корабле двух командных пунктов управления и двух машинных постов. На схеме обозначены: МТ-1— передатчики приемники типа МТ-913/ПС, установленные на командных пунктах; МТ-2 — приемники-передатчики типа Л4Т-113/ПС, установленные в машинных отделениях; МТ-3 — контрольные двухстрелочные приемники, установленные в котельных отделениях; ТРП — трещотки;
Рис. 28,12. Схема установки основного машинного телеграфа
РВП — ревуны; СЛ — сигнальные лампы; СК — соединительные коробки; СЯ — соединительные ящики; ПП — переключатель постов на два направления. Передача приказаний по этой схеме может производиться одновременно только из одного командного пункта. Переход с одного пункта управления на другой осуществляется переводом рукоятки переключателя постов ПП из верхнего положения в нижнее или наоборот в соответствии с надписями, указывающими пункты управления. Для привлечения обслуживающего персонала к передаваемым приказаниям рядом с приборами машинного телеграфа установлены соответствующие сигнальные приборы.
Принцип работы основного машинного телеграфа состоит в следующем.
Для отдачи приказания по телеграфу из командного пункта в машинное отделение надо повернуть рукоятку датчика телеграфа МТ-1 и установить его механическую — командную стрелку на необходимое деление шкалы — малый, средний, полный и т. п. Синхронно с командной стрел-514
кой повернутся и стрелки приемников телеграфов МТ-2 и МТ-3 на то же деление шкалы. Одновременно с этим начнет действовать следящая система, которая включит сигнальные приборы, и они будут подавать сигналы.
В машинном отделении, получив приказание, вращают рукоятку датчика до совмещения его механической стрелки-указателя с электрической стрелкой приемника. В командном пункте синхронно с датчиком будет вращаться приемник, и его стрелка также совместится с механической командной стрелкой датчика, что укажет на правильный прием приказания. Во время вращения рукоятки датчика через зубчатую передачу будут поворачиваться диски следящей системы. При совмещении механической стрелки с электрической отключатся сигнальные приборы. Прекращение действия сигнальных приборов также указывает на правильный прием показания.
Ответ о выполнении приказания будет принят также приемниками в котельных отделениях.
На больших кораблях в качестве резервного средства устанавливаются или вторая схема машинного телеграфа основного типа, или гак называемые комбинированные машинные телеграфы.
Аварийный машинный телеграф
Находит применение еще так называемый аварийный машинный телеграф постоянного тока, который обычно устанавливается в дополнение к основному машинному телеграфу. Поэтому питание обоих телеграфов, как правило, осуществляется через один и тот же контактор переменного тока, имеющий два н. о. контакта и два н. з. контакта. При замыкании первых подается питание на схему основного машинного телеграфа, а при замыкании вторых — на схему аварийного машинного телеграфа.
На рис. 28,13 изображена однолинейная схема одной из возможных установок аварийного телеграфа, где приняты следующие обозначения: АМТ—приемник-передатчик командного пункта; МТ — приемники-передатчики, установленные в машинных отделениях; КТФ — контакторы переменного тока; ТРФ — трещотки; РВ — ревуны; Cfl — соединительные ящики; Б-24 — аккумуляторные батареи напряжением 24 в каждая; СЛ — сигнальные лампы.
При исчезновении напряжения в сети основного машинного телеграфа контактор переменного тока, оставшись без
515
Рис. 28,13. Схема установки аварийного машинного телеграфа
питания, отпускает свой якорь, вследствие чего его н. о. кон-
такты размыкаются, а н. з. контакты замыкаются. В результате схема основного машинного телеграфа отключается, а
Рис. 28,14. Внешний вид передатчика-приемника аварийного машинного телеграфа
схема аварийного машинного телеграфа подключается к аккумуляторной батарее на 24 в и телеграф готов к действию. Однако прежде чем передавать приказания по аварийному машинному телеграфу, необходимо сначала установить рукоятки его приборов на те команды, которые были в действии до выхода из строя основного машинного телеграфа. Все последующие манипуляции при работе аварийного телеграфа аналогичны манипуляциям при работе основного машинного телеграфа. Переход с работы аварийного телеграфа на основной осуществляется вручную.
В качестве командного прибора аварийного машинного телеграфа обычно применяется двух-
шкальный передатчик-приемник типа АМТ-713/Б, а в качестве исполнительного прибора — настенный приемник-передатчик типа МТ-113/Б.
516
На рис. 28,14 показан общий вид командного прибора АМТ-713/Б. Он представляет собой металлическую тумбу, в верхней части которой установлено два комплекта всех элементов передатчика-приемника. Каждый передатчик-приемник состоит из потенциометрического датчика-коммутатора и приемника, представляющего собой бесконтактный сельсин, выполненный по типу синхронного электродвигателя специальной конструкции. Над шкалой передатчика-
Рис. 28,15. Принципиальная схема аварийного машинного телеграфа
приемника перемещаются две стрелки: командная, сидящая на валу датчика, который через систему зубчатых колес связан с рукояткой, и исполнительная стрелка, сидящая на валу ротора бесконтактного сельсина. Для освещения шкал прибора под крышкой установлены лампы, силу света которых можно регулировать реостатом. Приемник-передатчик МТ-НЗ/Б состоит из датчика-коммутатора, бесконтактного сельсина и следящей системы.
Датчик Д (рис. 28,15), называемый коммутатором, представляет собой диск, приводимый во вращение через систему зубчатой передачи рукояткой. На диске укреплены два контактных кольца с сегментами А и В, занимающие по окружности 131° каждый. На сегмент Л подается плюс, а на сегмент В — минус источника питания. Между сегментами включен потенциометр, состоящий из четырех секций сопро-
517
тивлений гь г2. г3 и г4. Контакты аа, вв и сс попарно электрически соединены. По внешней поверхности сегментов и по контактам скользят неподвижные щетки 1, 2 и 3, сдвинутые относительно друг друга на 120°. Щетки соединяются с фазными обмотками статора сельсин-приемника П. Фазные обмотки статора сдвинуты друг от друга по окружности на 120° и концы их соединены звездой. Ротор же сельсин-приемника представляет собой постоянный двухполюсный магнит, на оси которого укреплена стрелка.
При вращении диска датчика, например по часовой стрелке относительно неподвижных щеток, в обмотке статора приемника протекает переменный трехфазный ток, частота которого зависит от скорости вращения диска. В результате в статоре сельсин-приемника создается вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полюсами ротора, и последний синхронно поворачивается с полем статора.
Сельсин-приемник имеет на один оборот (360°) одно устойчивое положение, поэтому система является самосин-хронизирующейся.
Следует отметить, что средняя точка потенциометра служит для снижения погрешности в показаниях сельсин-приемника при работе от одного датчика нескольких приемников, а также при обрыве у одного из них одной фазы.
§ 5. МАШИННО-КОТЕЛЬНЫЕ ТЕЛЕГРАФЫ
Машинно-котельные, или просто котельные, телеграфы служат для передачи приказаний из машинных отделений в котельные об изменении режима работы котлов, а также для получения ответа о приеме переданных приказаний. По принципу действия котельные телеграфы ничем не отличаются от основного машинного телеграфа и изготовляются главным образом индукционной самосинхронизирующейся системы.
По назначению приборы, применяемые в установках котельных телеграфов, разделяются на передатчики-приемники, приемники-передатчики, датчики однострелочные, приемники контрольные — двухстрелочные и однострелочные, сигнальные и вспомогательные приборы.
На рис. 28.16,с показан общий вид передатчика-приемника котельного телеграфа. Он состоит из корпуса с крышкой, имеющей шкалу, над которой перемешаются дзе стрелки — командная и исполнительная. Шкала имеет деле-018
Рис. 28,16. Внешний вид приборов котельного телеграфа:
а — датчик-приемник; б — однострелочный приемник
б
ния с цифрами и текстовыми командами. В нижней части крышки прибора расположен штурвал, поворотом которого осуществляется передача команд. Внутри корпуса установлены сельсин-датчик и сельсин-приемник, а также бленкер, который при обесточенном приборе выбрасывает флажок в поле шкалы. Приемник-передатчик по внешнему виду не отличается от передатчика-приемника, а по устройству отличается лишь наличием в нем следящей системы. Однострелочный же датчик котельного телеграфа отличается от передатчика-приемника меньшими размерами, так как в нем установлен только один сельсин-датчик.
Общий вид однострелочного контрольного прибора показан на рис. 28,16, б. Внутри корпуса прибора установлены сельсин-приемник, бленкер и клеммная плата. Этот прибор устанавливается в исполнительном посту. Двухстрелочный контрольный приемник отличается от однострелочного большими размерами, поскольку в ием установлен двойной принимающий сельсин, на валах которого укреплены две стрелки — командная и исполнительная.
К сигнальным приборам относятся ревуны, трещотки и лампы, а к вспомогательным — номерники, соединительные ящики, замыкатели и переключатели постов.
Схемы установки котельных телеграфов
Существует два способа синхронной связи между машинными постами и котельными отделениями. По первому способу в машинном посту устанавливается столько датчи
519
ков-приемников, сколько имеется котельных отделений, и соответственно в каждом котельном отделении устанавливается по одному приемнику-датчику. В этом случае электрические схемы котельного телеграфа не отличаются от схем машинного телеграфа.
По второму способу в главном машинном посту устанавливается один однострелочный датчик и к нему присоединяются приемники всех котельных отделений. В качестве
Рис. 28,17. Схема установки котельного телеграфа с двухсторонней несинхронной связью
примера на рис. 28,17 изображена принципиальная однолинейная схема установки машинно-котельного телеграфа, работающего по второму способу.
Передача приказаний из машинного поста в котельное отделение производится вращением штурвала датчика Дь причем приказания передаются сразу во все котельные отделения. Для привлечения внимания котельного машиниста у каждого приемника имеется звонок Зв и сигнальная лампа СЛ, которые действуют при вращении штурвала датчика. Для контроля выполнения приказаний в машинном посту рядом с датчиком установлены звонок Зв и номерник НМ с бленкерами, а у приемников — замыкатели Зм. При нажатии педали замыкателя на приемнике у датчика звонит звонок и открывается бленкер на номернике, сигнализирующий о выполнении приказания.
520
§ 6. РУЛЕВЫЕ УКАЗАТЕЛИ И ТЕЛЕГРАФЫ
Рулевые телеграфы предназначены для передачи приказаний о перекладке руля, а рулевые указатели — для дистанционного контроля за положением пера руля. Оба типа этих приборов, как правило, изготовляются самосинхрони-зирующейся системы. Принцип действия как телеграфа, так и указателей аналогичен принципу действия других командных телеграфов.
Рис. 28,18. Внешний вид рулевого телеграфа и указателей: а — датчик-приемник; б — приемник телеграфа и указателей; в — датчик указателей
В установках рулевых телеграфов и указателей применяются следующие приборы: датчики-приемники рулевых телеграфов, датчики рулевых указателей, приемники рулевых телеграфов и указателей, сигнальные и вспомогательные приборы.
Общий вид датчика-приемника рулевых телеграфов переменного тока показан на рис. 28,18, а. Он состоит из датчика рулевого телеграфа и приемника рулевого указателя и представляет собой коробку, внутри которой размещены два обычных сельсина и ряд вспомогательных деталей. На тицевой стороне прибора размещены двухсторонняя шкала «Право руля» и «Лево руля» с делениями в градусах, две стрелки — командная и исполнительная и штурвал, с помощью которого отдаются приказания. Кроме того, на приборе имеется педаль для замыкания цепи сигнальных приборов.
Общий вид приемника рулевых телеграфов и указателей показан на рис. 28,18,6. Он состоит из приемника рулевого
34—2107
521
телеграфа и приемника рулевого указателя и представляет собой металлическую закрытую коробку, в которой размещены двойной принимающий сельсин, двухсторонняя шкала и ряд вспомогательных деталей. В центре шкалы имеется отверстие, через которое выведены концы валов сельсина с укрепленными на них стрелками, перемещающимися над шкалой.
Датчик рулевых указателей (рис. 28,18, в) представляет собой сельсин, помещенный в металлический корпус и приводимый во вращение от баллера руля при помощи механического приспособления.
Для внутреннего освещения шкал приборов внутри корпусов датчиков и некоторых приемников устанавливаются лампы накаливания. Для привлечения внимания рулевого и передачи условных сигналов приемники рулевых телеграфов, устанавливаемые в рулевом отделении, снабжаются электрическим звонком, который звонит при нажатии вызывной педали, установленной на корпусе датчика. Условные сигналы подаются средней продолжительности и означают команды: один звонок — «Одерживай», два звонка — «Так держать», три звонка — «Правильно по румбу».
Для передачи приказаний рулевому, на какой борт и на сколько градусов положить руль, и для контроля положения руля в боевой рубке на носовом ходовом и кормовом мостиках устанавливается по одному датчику-приемнику, а в румпельном помещении — датчик указателей. Для приема приказаний устанавливается приемник-указатель в рулевом отделении. Кроме того, для наблюдения за отдаваемыми приказаниями и контроля положения руля в центральном штурманском посту и в посту энергетики и живучести устанавливается также по одному приемнику-указателю.
Отдавать приказания можно из любого, но только из одного командного пункта. Для этого устанавливается переключатель постов на два, три или пять направлений в зависимости от числа командных пунктов, с помощью которого можно включить в работу датчик-приемник любого пункта управления.
На рис. 28,19 приведена однолинейная схема установки рулевых телеграфов и указателей с применением всех приборов и при наличии двух командных пунктов управления кораблем. На схеме обозначены: Д — датчики-приемники', ДРУ — датчик рулевых указателей; РУ — приемник-указатель, установленный в рулевом отделении; ШП — приемник-522
указатель, установленный в штурманском посту; ПЭЖ — приемник-указатель, установленный в посту энергетики и живучести; СЯ — соединительный ящик; ПП — переключатель постов.
Схемы установки рулевых телеграфов и указателен представляют собой две самостоятельные схемы. Одна из схем служит для отдачи приказаний о перекладке руля, а другая— для дистанционного контроля за положением пера руля. Схема рулевого телеграфа действует по обычному
Рис. 28,19. Схема установки рулевых телеграфов и указателей
принципу командных телеграфов. Схема рулевых указателей действует также по принципу командных телеграфов, но имеет ту особенность, что в ней поворот сельсин-датчика производится не вручную, а автоматически при помощи механической передачи от баллера руля на углы, пропорциональные углам поворота баллера и, следовательно, пера руля.
§ 7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТАХОМЕТРЫ
Под тахометрами понимаются приборы, измеряющие скорость вращения вала каной-либо машины, механизма или гребного вала корабля. Тахометры бывают механические, резонансные и электрические. Первые два типа применяются для измерения скорости вращения вала на месте, а последние — на расстоянии, т. е. дистанционно.
По принципу действия измерительных приборов тахометры разделяются на вольтметровые, сельсинные, индукционные и другие, а по роду тока — на тахометры постоянного тока и тахометры переменного тока.
34*
523
На кораблях для измерения числа оборотов гребных валов чаще всего применяются тахометры с измерительным прибором вольтметрового типа.
Установка тахометров вольтметрового типа (рис. 28,20), состоит из датчика А, представляющего собой магнитоэлектрический генератор постоянного тока, и приемника В —
Рис. 28,20. Схема установки тахометров вольтметрового типа
вольтметра магнитоэлектрической системы, который присоединяется к зажимам генератора. Датчик вращается от гребного вала через зубчатую передачу или при помощи цепной передачи. Чем больше число оборотов гребного вала, тем больше скорость вращения генератора и напряжение на его зажимах, а следовательно, тем больше угол отклонения стрелки приемника. Шкала приемника отградуирована на число оборотов вала в минуту. Стрелка приемника отклоняется в обе стороны —- «Назад» и «Вперед», имея нуль посередине шкалы. Для освещения шкалы внутри приемников установлены лампы.
Для каждого гребного вала, как правило, устанавливается один датчик, а приемников устанавливается несколько в разных постах управления и контроля.
На рис. 28,20 представлена схема соединения датчика .4 с четырьмя приемниками, два из которых установлены в ма-524
шинных отделениях, один на носовом мостике и один в ходовой рубке.
Соединение датчиков с приемниками осуществляется через соединительный ящик, представляющий собой герметическую коробку, внутри которой смонтированы шины, переключатели Р и компенсирующие сопротивления г. Каждый приемник включается однополюсным переключателем так, что при временном выключении приемника вместо него включается компенсирующее сопротивление г, равное сопротивлению приемника. Это сопротивление включается для того, чтобы нагрузка на датчик была всегда постоянной, чем достигается точность показаний приемников.
ГЛАВА 29
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Под приборами контроля обычно понимаются приборы, служащие для непрерывного контроля за состоянием какого-либо объекта, измерения температуры машины или любого другого устройства, анализа состава жидкостей и газов и т. п. Приборы контроля позволяют измерять электрическими методами любые неэлектрические величины — механические, акустические, оптические, тепловые, химические и любые другие величины, известные человеку.
Применение электрических методов измерения позволяет: передавать показания на большие расстояния; обеспечивать комплексное решение задач автоматического контроля совместно с задачами автоматической сигнализации,автоматического управления и автоматического регулирования; легко производить запись графиков измеряемой величины и контролировать быстро протекающие процессы.
Приборы, применяемые для измерения неэлектрических величин, весьма разнообразны. Однако каждый такой прибор обязательно имеет две основные части: 1) устройство для преобразования неэлектрической величины (механической силы, температуры и т. п.) в электрическую (э. д. с., ток, сопротивление и т. п.); 2) измерительный прибор для непосредственного отсчета или регистрации измеряемой величины. В более сложных приборах, кроме того, могут быть измерительные мосты, вспомогательный источник тока, усилители и стабилизаторы.
Устройства, служащие для преобразования неэлектрической величины в электрическую, называются датчиками. Последние делятся на следующие основные группы: 1) термоэлектрические датчики, основанные на принципе термопары, или термоэлемента, и применяемые для измере-526
ния температуры: 2) баллометрические датчики, основанные на принципе изменения сопротивления при изменении температуры и применяемые для анализа состава газов и измерения малых давлений; 3) электрохимические датчики, работающие на принципе изменения проводимости электролита и применяемые в корабельных условиях для определения солености воды; 4) генераторные датчики, представляющие собой небольшие электрические генераторы и применяемые для измерения линейных и угловых скоростей (электрические тахометры), вибрации и прочих явлений; 5) параметрические датчики, основанные на принципе изменения под воздействием измеряемой величины их сопротивления, емкости, индуктивности и взаимоиндуктивности; применяются такие датчики для измерения силы, давления, деформаций, количества, веса, плотности и т. п.; 6) фотоэлектрические датчики, основанные на принципе изменения электродвижущей силы или сопротивления под действием света; 7) пьезоэлектрические датчики, основанные на так называемом пьезоэлектрическом эффекте и применяемые для измерения многих величин и исследования различных явлений.
В качестве измерительных приборов используются гальванометры, милливольтметры, вольтметры и другие приборы, шкалы которых градуируются в единицах измеряемой неэлектрической величины.
§ 2. ПРИБОРЫ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
Приборы теплового контроля предназначаются для измерения температуры пара и отходящих газов котельных установок кораблей, для измерения температуры корпусов машин, а также для измерения температуры нагрева многих машин и отдельных их деталей.
По принципу действия приборы теплокоптроля разделяются на: а) приборы, работающие на принципе термоэлектрического эффекта,— термоэлектрические пирометры; б) приборы, работающие на принципе неуравновешенного или уравновешенного моста,— термометры сопротивления; в) приборы, работающие на принципе сравнения яркости тела, температура которого измеряется, с яркостью образцового излучателя, на принципе использования излучаемой мощности или на принципе фотоэлемента,— оптические пирометры.
527
Термоэлектрические пирометры
Устройство термоэлектрических пирометров основано на свойстве термопары развивать электродвижущую силу при разности температур рабочего и свободных концов (рис. 29,1). По величине этой электродвижущей силы можно определить температуру среды, в которой находится
термопара.
температуры
Термопара представляет собой два разнородных по материалу проводника 1 и 2, у которых одни концы Л спаяны, а другие В — свободны.
Если спаянный и свободные концы поместить в среды с разными температурами, то на свободных концах появится разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой. Эта э. д. с.
Рис. 29,1. Схема действия термоэлектрического пирометра
по величине пропорциональна разности t2—1\ температур концов термо-
пары и зависит от материала обоих проводников. Величина термоэлектродвижущей силы, а значит, и разность температур может быть из-
мерена при помощи чувствительного измерительного прибора, например милливольтметра, шкала которого отградуирована непосредственно в градусах температуры. В табл. 29,1 приведены основные данные термопар, которые наиболее распространены.
Таблица 29,1
Основные данные некоторых типов термопар
Материал термопары Обозначение термопары Т. э.д.с. В лгв при /,=100 С и /,=0-С Пределы измеряемой температуры в ° С Примечание
Платина— платинородий ПП 0,64 0—1600
Хромель — алюмель ХА 4,10 0—1000
Хромель — копель ХК 6,95 0—600
Железо — копель жк 5,75 0—600 1 В настоящее
Медь — копель мк 4,75 0—350 I время не выпускаются
528
Таким образом, датчиками термоэлектрических пирометров являются термопары, а измерительными приборами — милливольтметры магнитоэлектрической системы, причем шкалы измерительных приборов в зависимости от » назначения пирометров изготовляются на различные пределы. Так, например, если прибор предназначается для измерения температуры перегретого пара, то он изготовляется со шкалой 0—500° С, для измерения температуры отходящих газов — со шкалой 0—600° С и для измерения температуры перегрева корпусов машины — со шкалой 0—80 °C или 100° С. Каждый такой прибор, имеющий температурную шкалу, пригоден для работы лишь с той термопарой, с которой он градуировался.
Однако при точных измерениях температуры только термопары и измерительного прибора недостаточно. Объясняется это тем, что показания прибора зависят не только от величины термоэлектродвижущей силы, но и от температуры свободных концов термопары, а также от сопротивления проводов, 'Соединяющих термопару и измерительный прибор. Очевидно, что температура свободных концов и сопротивление соединительных проводов при измерениях должны быть такими, какими они были при градуировке прибора. Практически же выдержать это условие трудно, так как температура свободных концов термопары зависит от температуры окружающей среды, а сопротивление соединительных проводов — от их материала и сечения. Следовательно, при каждом измерении необходимо вводить поправку в показания прибора. В простейших пирометрах поправка на температуру свободных концов вводится путем прибавления температуры окружающей среды к показаниям прибора, а сопротивление соединительных проводов подгоняется при помощи специального регулировочного сопротивления, включаемого последовательно к измерительному прибору и называемого обычно подгоночной катушкой. Однако это неудобно. Поэтому в технических приборах поправка на температуру свободных концов осуществляется с помощью автоматического корректора температуры, а в качестве соединительных проводов применяются специальные так называемые компенсационные провода.
На рис. 29,2 изображена схема корабельного термоэлектрического комплекта ТЭК-50. Он применяется для измерения температуры установок в пределах от 0 до 600° С. В комплект входят следующие элементы: милливольтметр типа МВТ в профильном или круглом корпусе, термопара
529
Рис. 29,2. Схема термоэлектрического комплекта ТЭК-50
530
типа ТХК, автоматический корректор температуры свободных концов термопары типа КТК-30, переключатель типа ПХТ, соединительный ящик ЯТК-10, источник сетевого питания ИПК-130 и компенсационные провода. Каждый из этих элементов выпускается в нескольких модификациях. Количество же элементов, входящих в комплект, зависит от числа точек установки и, следовательно, ее схемы.
Термометры сопротивления
Устройство термометров сопротивлений основано на свойстве сопротивлений металлических проводников с увеличением температуры увеличиваться. На рис. 29,3 приве
Рис. 29,3. Схема термометра сопротивления
дена принципиальная схема термометра сопротивления. Сопротивление с большим температурным коэффициентом, помещаемое в зону измеряемых температур и называемое обычно термосопротивлением, является датчиком. Последний представляет собой платиновую, никелевую или медную проволоку, намотанную бифилярно, на фарфоровую, кварцевую трубку или слюдяную пластинку. Такой элемент помещается в алюминиевую трубку и вставляется в защитную арматуру. Датчик с помощью проводов соединяется с измерительным прибором, который состоит из неуравновешенного моста с плечами гь г2, г3 и гальванометра G магнитоэлектрической системы. Четвертым плечом моста служит сам датчик. Гальванометр обычно снабжается корректором, позволяющим устанавливать его стрелку на нуль при данной температуре окружающей среды.
Сущность работы термометра сопротивления состоит в следующем. При нагревании плеча rt сопротивление его увеличивается, благодаря чему мост выходит из равновесия
531
и стрелка гальванометра отклоняется. Шкала гальванометра двухсторонняя и отградуирована в градусах измеряемой температуры. Таким термометром можно измерить температуру в пределах сотен градусов Цельсия.
Другой разновидностью термометра является термометр, работающий на принципе уравновешенного моста. Изменяя одно из сопротивлений моста, добиваются его равновесия. Движок плеча имеет стрелку, передвигающуюся над шкалой, отградуированной в градусах Цельсия. Передвижение же движка производится с помощью реверсивного электродвигателя, управление которого осуществляется нулевым прибором через следящее устройство или через ламповый усилитель напряжения и мощности на измерительной диагонали моста.
§ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОЛЕМЕРЫ
Электрические солемеры применяются для определения солености питательной воды котельных установок кораблей.
Рис. 29,4. Основные элементы солемера:
а — милливольтметр МВС; б — датчик ДС-47; в — центральный блок БЦС-47м
Действие их основано на принципе изменения электропроводности воды в зависимости от содержания в ней солей и других растворимых примесей.
Однако электропроводность воды увеличивается при повышении температуры. Поэтому нельзя непосредственно определить содержание соли, измеряя только электропроводность без учета значения температуры воды, при которой происходит ее измерение. Во избежание ошибочных 532
показаний солемеры обычно имеют температурные компенсаторы, т. е. устройства, позволяющие компенсировать влияние температуры воды.
Электрические солемеры изготовляются различных типов. На кораблях флота широко 'применяются солемер типа СЭК-47 и другие.
На рис. 29,4 изображен внешний вид основных элементов указанного солемера.
§ 4. ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ И ДЫМОМЕРЫ
Газоанализаторы предназначаются для определения процентного содержания двуокиси углерода (СО2) и суммы окиси углерода и водорода (СО + Н2) в отходящих топочных газах котельных установок, а дымомеры—для определения густоты дыма. Газоанализаторы применяются также для определения процентного содержания водорода и кислорода в смесях некоторых газов.
Электрические газоанализаторы
По принципу действия газоанализаторы разделяются на газоанализаторы, основанные на принципе сравнения теплопроводности газовой смеси и воздуха, и газоанализаторы, основанные на .принципе использования теплотворной способности исследуемых газов. Кроме того, применяются комбинированные газоанализаторы. Независимо от принципа действия каждый газоанализатор в качестве датчика имеет неуравновешенный мост, а в качестве измерительного прибора— гальванометр или милливольтметр магнитоэлектрической системы со шкалой, градуированной на процентное содержание соответствующего газа.
На рис. 29,5, а представлена схема газоанализатора, работающего на принципе сравнения теплопроводности газовой смеси и воздуха и применяемая, в частности, для определения процентного содержания двуокиси углерода в отходящих топочных газах. Основным элементом схемы является мост М, два плеча которого помещены в атмосфере и два — в газовых камерах. Сопротивления плеч изготовляются из проволоки с большим температурным коэффициентом сопротивления. Мост приводится при данной температуре окружающего воздуха с помощью корректировочного сопротивления г0. Допустимый ток через мост устанавливается при помощи регулировочного реостата гт
533
и контролируется по миллиамперметру mA. Измерительным прибором ИП служит магнитоэлектрический гальванометр со шкалой, градуированной на процентное содержание СО2. Реостат гр является подгоночным сопротивлением, которое включается последовательно в цепь галь
Рис. 29,5. Схемы газоанализаторов, работающих:
а — на принципе сравнения теплопроводности: б — на принципе использования теплотворной способности
ванометра.
При включении схемы под напряжение ток протекает по плечам мостика и вызывает определенный нагрев их. Теплопроводность СО2 резко отличается от теплопроводности других элементов топочного газа, близко стоящих по теплопроводности к воздуху. Так, например, если теплопроводность воздуха принять за 100%, то теплопроводность СО2 по отношению к воздуху составляет 59,7%, СО —95,5%, О2 — 101,5%, N2 — 99,8% и Н2—73,3%. Очевидно, что при попадании СО2 в газовые камеры теплоотдача плеч моста, помещенных в камеры, резко ухудшается. Это вызывает повышение температуры плеч, отчего повышается их сопротивление и нарушается равновесие моста. В результате через измерительный прибор потечет электрический ток и стрелка укажет процентное содержание СО2.
Путь прохождения газа по газоанализатору следующий: из газохода смесь газа всасывается через специальный фильтр, проходит через холодильник для конденсации нахо
534
дящихся в ней водяных паров, затем через дополнительный фильтр при определенных температуре и давлении окружающего воздуха смесь подается в газовые камеры моста, а из камер выходит в атмосферу.
На рис. 29,5, б приведена схема газоанализатора, работающего на принципе использования теплотворной способности исследуемых газов и применяемая, в частности, для определения процентного содержания СО + Н2. Основным элементом схемы также является мост А1, два плеча которого Г1 и г2 помещены в атмосфере в равных условиях, третье плечо помещено в глухую камеру, а четвертое — в камеру, через которую протекает топочный газ. Поверхность сопротивления плеча покрыта слоем катализатора. Остальные элементы схемы аналогичны элементам схемы предыдущего газоанализатора.
Сущность действия этого газоанализатора заключается в следующем. Когда схема включена под напряжение и через газовую камеру протекает воздух, мост находится в равновесии. Как только в указанную камеру попадет топочный газ, смесь СО + Н2 воспламеняется и сгорает, вызывая повышение температуры в камере. При повышении температуры увеличивается сопротивление плеча, помещенного в газовую камеру, и нарушается равновесие моста, благодаря чему через измерительный прибор течет электрический ток и стрелка его отклоняется, указывая на шкале процентное содержание в топочном газе СО + Н2.
На практике обычно приходится определять в отходящих топочных газах котельных установок процентное содержание как СО2, так и СО + Н2. Поэтому часто оба газоанализатора объединяются вместе, и такой объединенный газоанализатор называется комбинированным. В комбинированном газоанализаторе мосты, как правило, соединяются последовательно и схема имеет один регулировочный реостат. Исследуемые газы сначала подаются на газоанализатор СО + Н2, так как СО2 не горит, затем газы проходят через дополнительную печь дожигания, в которой сгорают остатки водорода, и после этого газ подается на газоанализатор СО2.
Отметим, что применяются также комбинированные газоанализаторы для определения процентного содержания О2 и СО + Н2, в которых подача исследуемой смеси на мосты происходит параллельно, т. е. независимо друг от друга. Кроме того, разработаны схема магнитного газоанализатора, основанного на парамагнитных свойствах кислорода.
535
и схема оптикоакустического газоанализатора,основанного на звучании газа, возникающего при пропускании через него прерывистого потока инфракрасных лучей.
Электрические дымомеры
По устройству электрические дымомеры сравнительно просты. Каждый дымомер состоит из датчика и измерительного прибора (рис. 29,6). Датчик представляет собой дымоприемную камеру Д' в виде трубы с отверстиями для прохода дыма и двух коробок, расположенных на концах приемной камеры. В одной коробке помещается плоско-выпуклая линза Л\ и лампа накаливания ЛН точечного типа с рефлектором Р, а во второй—плоско-выпуклая линза Л2 и фотоэлемент Ф или термобатарея. Коробки от приемной камеры защищены стеклами, имеющими заслонки для пре
Рис. 29,6. Схема работы дымомера
дохранения стекол от оседания на них сажи. Лампа питается постоянным напряжением от стабилизатора Ст и дает поток постоянной интенсивности. В качестве измерительного прибора используется гальванометр Г магнитоэлектрической системы.
Принцип действия дымомера заключается в изменении электродвижущей силы фотоэлемента (термобатареи) под действием падающего на него светового потока, излучаемого лампой накаливания. Действительно, при включении лампы под напряжение световой поток частью непосредственно от лампы и частью, отражаясь от рефлектора, попадает на линзу Ль которая перераспределяет его в параллельный пучок лучей. Последний, проходя по камере через слой дыма, попадает на линзу Л2, которая фокусирует его на катоде фотоэлемента (на рабочем конце термопары). В результате возникает электродвижущая сила, которая и создает ток 536
через гальванометр, отклонение его стрелки при этом укажет густоту дыма.
Очевидно, что световой поток, проходя по камере, поглощается в ней больше или меньше в зависимости от густоты дыма. Следовательно, величина электродвижущей силы, а значит, и тока, проходящего через гальванометр, зависит от густоты дыма. Поэтому ток, проходящий через гальванометр, является мерой густоты дыма. Гальванометр имеет шкалу с делениями от 0 до 100. При отсутствии дыма в камере световой поток лампы, падая на фотоэлемент или термобатарею, создает максимальную ЭДС и стрелка гальванометра в этом случае устанавливается на нуль шкалы. На деление шкалы «100» стрелка гальванометра устанавливается тогда, когда световой поток лампы ввиду большой густоты дыма полностью поглощается в камере, вследствие чего электродвижущая сила, а следовательно, и ток, проходящий через гальванометр, равны нулю.
Поскольку показания гальванометра сильно зависят от чистоты оптической системы, то для поддержания защитных стекол в надлежащем состоянии предусматривается возможность удаления с их поверхности сажи через специальные отверстия в трубе дымоприемной камеры.
Дымомеры устанавливаются в отводных каналах или в магистралях дымоходов.
35—2107
ПРИЛОЖЕНИЕ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ В СХЕМАХ КОНТАКТОРНОГО
УПРАВЛЕНИЯ
Якорь машины постоянного тока
Трехфазный асинхронный двигатель с коротко-замкнутым ротором
Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором
Электромашинный усилитель без указания обмоток управления и возбуждения
Синхронная однофазная машина с возбуждением от постоянных магнитов
Параллельная обмотка возбуждения, обмотка трансформатора
Д/ НВ Возбуждение от постоянных магнитов
Последовательная обмотка возбуждения, обмотка добавочных помостов, токовая катушка реле
Трансформатор
Индуктивное сопротивление
Дроссель с железным сердечником
Сопротивление
Выпрямитель полупроводниковый
Конденсатор
Электромагнит с параллельной обмоткой
Электромагнит с последовательной обмот-кой
Трансформатор тока
Сигнальная лампа
Лампа накаливания
Катушка контактора таймтактора
Катушка напряжения реле
Нагревательный элемент теплового реле
Контакт нормально открытый (н. о.)
Контакт нормально закрытый (н. з.)
Контакт нормально открытый с гашением
Контакт нормально открытый с выдержкой времени при закрывании
Контакт нормально закрытый с выдержкой времени при открывании
Контакт нормально закрытый с выдержкой времени при открывании и закрывании
539
Кнопка нормально открытая
Кнопка нормально закрытая
-о о—
/7 О П
I U*-
Выключатель путевой или конечный с н. о. контактом
То же, с н. з. контактом
Автомат
Рубильник
Плавкий предохранитель
Комапдоконтроллер, переключатель управления на три положения (В — вперед, О — нейтральное, Н — назад). Нормально открытый контакт включается ( • ) при повороте вперед и остается открытым при повороте назад
! I Т
Командоконтроллер, переключатель управления на три положения с пружинным возвратом в нейтральное положение. Нормально открытый контакт включается при повороте вправо и влево
h В
3 2 1 0 7 2 J
i—I—<5 ! д-Ч—j-
I * 1 I I I । Командоконтроллер, переключатель упра-
| 1 • | | вления на 3 цепи и 7 положений
г О-»—г
I и ; 11 ।
it 1 । । ।
3
ЛИТЕРАТУРА
В. Ф Миткев и ч. Физические основы электротехники. Изд. «Ку-буч», Ленинград, 1933.
Л. Р. Нейман и П. Л. Калантаров. Теоретические основы электротехники, ч. 1,2 и 3. Госэиергоиздат, 1959.
К. А. К р у г. Основы электротехники, т. 1 и 2. Госэиергоиздат, 1946.
И. Е. Т а м м. Основы теории электричества. ГИТТЛ, 1957.
В. Ф. Миткевич. Электрическая энергия. Госэиергоиздат, 1946.
М. А. Ш а телен. Русские электротехники. Госэиергоиздат, 1949.
Люди русской науки. ГИТТЛ, 1948.
Е. Н. Матвеев. Судовая электротехника. Изд. «Морской транспорт», 1952.
А. С. Сафонов. Электротехника. Изд. ДОСААФ, 1953.
А. С. Сафонов. Учебник электрика флота, книга 1. Воениздат, 1956
Электрические измерения, под редакцией А. В. Фремке. Госэнерго-издат, 1954.
М. П. Костенко и Л. М. Пиотро в с к и й. Электрические машины, т. 1 и 2. Госэиергоиздат, 1957.
Г. М. Петров. Электрические машины, т. 1 и 2. Госэиергоиздат, 1956.
И. Л. Каганов. Электронные и ионные преобразователи. Гос-энергоиздат, 1950.
Г. А. Тягунов. Электровакуумные приборы. Госэиергоиздат, 1950.
Б. М. Та реев. Электротехнические материалы. Госэиергоиздат, 1949.
К. Я. Грачев. Щелочные аккумуляторы. Госэиергоиздат, 1951.
М. А. Розе нб л ат. Магнитные усилители. Госэиергоиздат, 1949.
В. И. Полонский. Судовые электроприводы. Издательство, «Морской транспорт», 1952.
В. П. Андреев, Ю. А. Сабинин. Основы электропривода. Гос-энергоиздат, 1956. -
В. М. Алексеев. Электрооборудование и электродвижение судов. Судпромгиз, 1941.
В. С. Ку л еб а кин, В. Т. Мо розовский, И М. Синдеев. Электроснабжение самолетов. Оборонгиз, 1956.
А. М. Т у р ч и н. Электрические измерения неэлектрических величин. Госэиергоиздат, 1954.
Г. П. Шкурив. Справочник по электроизмерительным и радио-измерительным приборам. Воениздат, 1955.
Справочник электромонтажника, т. 1, 2, 3, 4 и 5, под редакцией Г. И. Китаенко. Машгиз, 1953—1957.
Электротехнический справочник, под общей редакцией М. Г. Чили-кина. Госэиергоиздат, 1956.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие................................................... 3
Введение................................................ . 5
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЕГО СВОЙСТВА
Глава 1
Основные электрические явления
§ 1. Общие сведения и определения............................ 11
§ 2. Закон Кулона. Система единиц измерения.................. 15
§ 3. Электрическое поле...................................... 16
§ 4. Электрический ток....................................... 21
§ б. Электрическая цепь...................................... 24
Глава 2
Постоянный электрический ток
§ 1. Величина электрического тока............................ 26
§ 2. Электрическое сопротивление............................. 27
§ 3. Электродвижущая сила и напряжение источника тока . . 30
§ 4. Закон Ома............................................... 33
§ 5. Соединение электрических сопротивлений.................. 35
§ 6. Законы Кирхгофа....................................... 40
§ 7. Тепловое действие электричеокего тока................... 42
§ 8. Работа и мощность электрического тока................... 43
Глава 3
Основные магнитные явления
§ 1. Магниты и их свойства................................... 46
§ 2. Магнитное поле.......................................... 47
§ 3. Магнитная индукция...................................... 49
§ 4. Магнитный поток .................................. . 50
§ 5. Напряженность магнитного поля........................... 51
§ 6. Магнитное поле токов.................................... 52
§ 7. Намагничивание тел и явление гистерезиса . . . . 55
§ 8. Механическое проявление магнитного поля ... 59
§ 9. Магнитная цепь и электромагниты......................... 61
543
Стр.
Глава 4
Электромагнитная индукция
§ 1. Явление электромагнитной индукции............................................................ 64
§ 2. Самоиндукция ..................................... ... 68
§ 3. Взаимоиндукция.............................................................................. 70
§ 4. Вихревые токи................................................................................ 71
§ 5. Энергия магнитного поля...................................................................... 72
Глава 5
Электрическая индукция и конденсаторы
§ 1. Электрическая индукция....................................................................... 73
§ 2. Электрическая емкость........................................................................ 74
§ 3. Энергия электрического поля.................................................................. 75
§ 4. Электрические конденсаторы................................................................... 76
§ 5. Соединение электрических конденсаторов....................................................... 79
Глава 6
Переменный электрический ток
§ 1. Синусоидальный переменный ток............................................................... 82
§ 2. Получение переменного тока.................................................................. 85
§ 3. Действующие значения переменного тока it напряжения . 87
§ 4. Фаза и сдвиг фаз ............................................................................ —
§ 5. Векторные и развернутые диаграммы..................................... 89
§ 6. Цепь переменного тока с активным сопротивлением ... 90
§ 7. Цепь переменного тока с индуктивностью............. 92
§ 8. Цепь переменного тока с емкостью .................. 94
§ 9. Смешанные цепи переменного тока............................................................. 96
§ 10. Резонанс напряжений и токов................................................................ 100
§ 11. Мощность переменного тока.................................................................. 106
Глава 7
Трехфазный ток
§ 1. Получение трехфазного тока................................................................... ПО
§ 2 Соединение по схеме звезды.................................................................. 112
§ 3. Соединение по схеме треугольника............................................................ 115
§ 4. Мощность трехфазного тока................................................................... 118
Глава 8
Электрические измерения
§ 1. Классификация измерительных приборов....................................................... 120
§ 2. Основные детали электроизмерительных приборов .... 122
§ 3. Приборы магнитоэлектрической системы................................................. 125
§ 4. Приборы с преобразователями.......................................................... 126
§ 5. Приборы электромагнитной системы..................................................... 128
§ 6. Приборы электродинамической системы.................................................. 130
§ 7. Приборы индукционной системы......................................................... 132
544
Стр.
§ 8. Методы и погрешности электрических измерений .... 134
§ 9. Измерение тока и напряжения........................... 136
§ 10. Измерение сопротивлений............................... 137
§ 11. Измерение мощности токов.............................. 142
§ 12. Измерение электрической энергии....................... 145
§ 13. Измерение частоты..................................... 147
§ 14. Приборы специального назначения...................... 148
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Г лава 9
Гальванические элементы
§ 1. Принцип действия гальванического элемента.............. 156
§ 2. Марта нцово-цинковые элементы.......................... 158
§ 3. Ртутно-цинковые элементы............................... 160
§ 4. Соединение элементов в батареи........................... —
§ 5. Типы анодных батарей................................... 162
Глава 10
Электрические аккумуляторы § 1. Принцип действия аккумулятора.................... 164
§ 2. Кислотные аккумуляторы ................................ 165
§ 3. Щелочные аккумуляторы ................................. 172
§ 4. Серебряно-цинковые аккумуляторы.................. 177
§ 5. Основные типы аккумуляторных батарей............. 179
§ 6. Саморазряд и неисправности аккумуляторных батарей . . 182
§ 7. Эксплуатация кислотных аккумуляторных батарей .... 184
§ 8. Эксплуатация щелочных аккумуляторных батарей .... 188
§ 9. Зарядка и разрядка аккумуляторных батарей........ 190
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ТРАНСФОРМАТОРЫ
Глава 11
Генераторы постоянного тока
§ 1. Принцип работы генератора постоянного тока......... 194
§ 2. Устройство генератора постоянного тока............. 197
§ 3. Электродвижущая сила и напряжение генератора .... 200
§ 4. Реакция якоря генератора.......................... '262
§ 5. Коммутация тока.................................... 204
§ 6. Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения ................................._........... 206
§ 7. Генератор независимого возбуждения и его свойства . . . 207
§ 8. Генераторы с самовозбуждением и их свойства........ 210
§ 9. Мощность и к. п. д. генераторов.................... 215
§ 10. Параллельная работа генераторов постоянного тока . . . 216
545
Стр.
Глава 12
Электродвигатели постоянного тока
§ 1. Принцип действия электродвигателя...................... 219
§ 2. Пуск, остановка и реверс электродвигателя............... 221
§ 3. Основные параметры электродвигателей постоянного тока 223
§ 4. Торможение электродвигателей постоянного тока.......... 227
§ 5. Характеристики электродвигателей постоянного тока . . . 228
§ 6. Электродвигатель параллельного возбуждения................ —
§ 7. Электродвигатель последовательного возбуждения.......... 231
§ 8. Электродвигатель смешанного возбуждения................. 232
§ 9. Конструкция судовых машин постоянного тока.............. 234
Глава 13
Генераторы переменного тока
§ 1. Принцип действия генератора............................ 237
§ 2. Устройство и типы синхронных генераторов................ 238
§ 3. Э. д. с. и реакция якоря синхронных генераторов........ 242
§ 4. Режимы работы синхронного генератора................... 245
§ 5. Мощность и к. п. д. синхронного генератора............. 247
§ 6. Параллельная работа синхронных генераторов............. 248
§ 7. Синхронные генераторы с самовозбуждением............... 251
Глава 14
Трансформаторы
§ 1. Общие сведения.......................................... 253
§ 2. Принцип работы трансформатора........................... 254
§ 3. Режимы работы трансформатора............................ 256
§ 4. Мощность и к. п. д. трансформатора...................... 259
§ 5. Устройство силовых трансформаторов............... 260
§ 6. Трехфазные трансформаторы .............................. 261
§ 7. Специальные типы трансформаторов........................ 263
§ 8. Параллельная работа трансформаторов..................... 266
Глава 15
Электродвигатели переменного тока
§ 1. Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя ....................................................... 268
§ 2. Устройство трехфазных асинхронных электродвигателей . . 271
§ 3. Скольжение и скорость вращения асинхронных электродвигателей ...................................................... 274
§ 4. Рабочие процессы трехфазного асинхронного электродвигателя ......................................................... 276
§ 5. Вращающий момент трехфазных асинхронных электродвигателей ...................................................... 277
§ 6. Способы пуска в ход трехфазиых асинхронных электродвигателей ...................................................... 279
546
Стр.
§ 7. Реверс, торможение и регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей ............................. 283
§ 8. Рабочие характеристики и к. п. д. трехфазных асинхронных электродвигателей ..................................... 284
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И УСИЛИТЕЛИ
Глава 16
Преобразователи
§ 1. Общие сведения....................................... 286
§ 2. Двигатель-генераторы .................................. —
§ 3. Одноякорные преобразователи.......................... 287
§ 4. Умформеры ........................................... 289
§ 5. Вибр'опреобразователи................................ 290
§ 6. Полупроводниковые выпрямители . . 293
§ 7. Электронные выпрямители.............................. 298
§ 8, Ионные выпрямители................................... 302
Глава П
Усилители и фотоэлементы
§ 1. Трехэлектродная лампа ............................... 305
§ 2. Электромашинпый усилитель............................ 307
§ 3. Магнитные усилители.................................. 310
§ 4. Фотоэлементы......................................... 312
раздел пятый
КАНАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Глава 18
Основные элементы электрооборудования
§ 1. Общие сведения ...................................... 315
§ 2. Условия работы корабельного электрооборудования и требования, предъявляемые к нему............................. 317
§ 3. Источники электрической энергии ..................... 319
§ 4. Потребители электрической энергии ................... 320
§ 5. Морские кабели и провода............................. 321
Глава 19
Корабельные электрические сети
§ 1. Деление электрических сетей.......................... 329
| 2. Распределительные устройства........................... —
§ 3. Аппаратура распределительных устройств............... 334
547
Стр.
§ 4. Системы канализации электроэнергии..................... 354
§ 5. Канализация электроэнергии на подводных лодках .... 355
§ 6. Сети специального назначения........................... 356
Глава 20
Электрическое освещение и электросварка
§ 1. Виды корабельного' освещения........................... 359
§ 2. Электрические источники света.......................... 360
§ 3. Схемы сетей освещения ................................. 365
§ 4. Арматура сетей электрического освещения................ 367
§ 5. Электросварка.......................................... 370
Глава 21
Сопротивление изоляции корабельных электрических сетей
§ 1. Общие сведения......................................... 374
§ 2. Измерение сопротивления изоляции электрических сетей . . 375
§ 3. Определение места повреждения изоляции кабеля........ 379
РАЗДЕЛ ШЕСТОЙ
корабельные электроприводы
Глава 22
Электропривод и его аппаратура
§ 1. Общие сведения......................................... 389
§ 2. Реостаты и сопротивления............................... 391
§ 3. Контроллеры и командоаппараты.......................... 394
§ 4. Реле .................................................. 397
§ 5. Контакторы и таймтакторы............................... 404
§ 6. Магнитные станции и пускатели.......................... 410
Глава 23
Системы управления электроприводами
§ 1. Общие сведения......................................... 412
§ 2. Безреостатная и реостатная системы управления.......... 414
§ 3. Контроллерная система управления ...................... 415
§ 4. Контакторная система управления . . . ................. 417
§ 5. Специальные системы управления......................... 424
Глава 24
Электроприводы корабля
§ 1. Общие сведения......................................... 428
§ 2. Рулевые электроприводы................................. 429
518
Стр.
§ 3. Шпилевые электроприводы.............................. 438
§ 4. Электроприводы подъемных устройств ... . • 442
§ 5. Электроприводы разных механизмов..................... 445
РАЗДЕЛ СЕДЬМОЙ
КОРАБЕЛЬНАЯ ТЕЛЕФОНИЯ
Глава 25
Элементы телефонной аппаратуры
§ 1. Общие сведения....................................... 453
§ 2. Устройство микрофонов и телефонов.................... 454
§ 3. Микротелефонные трубки и схемы связи................. 458
§ 4. Вызывные устройства и способы вызова................. 460
§ 5. Вспомогательные элементы............................. 465
Глава 26
Корабельные телефонные установки
§ 1. Требования к телефонным установкам корабля........... 470
§ 2. Корабельные телефонные аппараты...................... 471
§ 3. Группы телефонов и системы их соединения............. 473
§ 4. Система парной связи................................. 474
§ 5. Система командных коммутаторов....................... 475
§ 6. Система отдельных коммутаторов....................... 481
§ 7. Система центральных телефонных станций............... 485
Глава 27
Корабельные автоматические телефонные станции
§ 1. Общие сведения....................................... 490
§ 2. Принцип работы автоматических телефонных станций . . —
раздел восьмой
ПРИБОРЫ УПРАВЛЕНИЯ КОРАБЛЕМ И КОНТРОЛЯ
Глава 28
Приборы управления кораблем
§ 1. Общие сведения....................................... 498
§ 2. Основные элементы и принцип действия ССП............. 499
§ 3. Вспомогательная аппаратура, применяемая в приборах управления .............................................. 506
§ 4. Машинные телеграфы................................... 511
§ 5. Машинно-котельные телеграфы.......................... 518
§ 6. Рулевые указатели и телеграфы .... 521
§ 7. Электрические тахометры.............................. 523
549
Стр.
Глава 29
Приборы контроля
§ 1. Общие сведения ......................................... 526
§ 2. Приборы теплового контроля............................. 527
§ 3. Электрические солемеры................................. 532
§ 4. Газоанализаторы и дымомеры............................. 533
Приложение .................................................. 538
Литература .............................................. 541
Александр Сергеевич Сафонов
Основы электротехники
М. Воениздат 1961 г. 552 с.
Редактор Федоров Л. В.
Технический редактор Соломоник Р. Л. Корректор Шабашева Л. А.
Сдано в набор 11.1.61 г. Подписано к печати 8.6.61 г.
Формат бумаги 84Х108*/и — 17‘/4 печ. л. = 28.29 усл. печ. л. 27,82 уч.-нзд. л.
Тираж 20.000 Г-72905
Изд. № 7/2683 Зак. X; 2107
2-я типография Военного издательства Министерства обороны Союза ССР Ленин! рад. Д-65, Дворцовая пл., 10
Цена I р. 7 к.