/
Text
П. Г. ФЕДОСЕЕВ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Под общей редакцией кандидата технических наук И. Н. Осколкова
Издание второе
Рекомендовано
Главным Управлением кинофикации и кинопроката Министерства культуры СССР в качестве учебника для школ киномехаников
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО «ИСКУССТВО» МОСКВА 1953
ОТ АВТОРА
Второе издание курса электротехники, как и первое, рассчитано на учащихся школ киномехаников, а также может служить пособием для киномехаников, работающих в киносети.
Разделы книги, посвященные изложению общих основ электротехники, по втором издании подверглись главным образом редакционной переработке. Учитывая поступившие пожелания, автор упростил изложение теории цепей переменного тока и сократил объем математических ймподоп и формул.
В разделах книги, касающихся принципа действия и устройства различных электрических приборов, аппаратов и машин, дано описание Современны х устройств, которые выпускаются кинопромышленностью и ши туниют в киносеть за последние годы.
Глины 1, II, III, VI, VII, VIII написаны Е. О. Федосеевой.
При подготовке второго издании книги были по возможности учтены Шее отзывы и замечания, поступившие от преподавателей и учащихся школ киномехаников и работников киносети, которым автор выражает свою благодарность.
Все отзывы и пожелания просьба направлять по адресу: Ленинград, ул. Правды, 13, Ленинградский институт киноинженеров,
Декабрь 1952 г.
в в в. z /•; // и в
Электротехники - ojiii.i 11.1 < iimi.ix mo.h>,ii,i\ i>i рш лей науки,
B('H lll'TOpilll рпЗННТ Illi .1 II I, I pin l'\lllllill -114 Illi I llllllllllll I' ЭИМеЧВТ I'.llb-I1I.IMII pIlGolllMII p\CI l(ll\ \ 41'111.IX
В I .Si 12 i pyii кип 11 и и Д1 м 1111 В В. В i' г p о и оперы.i и и.'inn in1 :>лек-трическон дуги и ;iiikii:iii.i, 'i ni i iiomoiiii.io njei. i риноскоп iillopiTHi можно получитк мощные in точнпкк < нети. ,il.\i a lleipiiiiH и к шктощцео время широко llpllMelllll'Tl II II lipoiKOICIopHX И КIIII от о X IIII KI'.
В 1.433 г. член Вютрих pi спои А ни цем и 11 наук В. X. Л о и ц СДОЛПЛ док.шт, и котором он доказал, что oi крыт i.iii < 11и|>n,ii<<’м и 18311 г. закон я л екг| и 1 м и it I hit 111 ii инну khiiii ii илекгромш пит iioo вращение toiiio снизаны друг г другом. До Ленца i читтиш, что электромагнитная индукция и диижение проводника г током и магнитном ноле совершенно разные явлении. Открытие Ленца стало одним из основных законов электротехники, без знания которого невозможно изучать и строить электромагнитные приборы. Ленц открыл также закон, позволяющий вычислять количество тепла, выделяемого электрическим током.
Вместе с Ленцем работал другой русский ученый — академик Б. С. Якоби, который в 1834 г. впервые построил коллекторный двигатель постоянного тока, основанный на принципе вращательного движения. Многие до Якоби пытались построить электрические двигатели, но шли но направил иному пути, используя в своих изысканиях возвратно-поступательное движение.
В 1838 г. по Неве в Петербурге проплыл первый электроход с четырнадцатью пассажирами. Гребной винт этого электрохода приводился во вращение двигателем, построенным Якоби.
В 1836 г. Якоби изобрел гальванопластику, а позднее осуществил установку, которая с помощью индукционной катушки передавала импульсы электрической энергии па расстояние до 9 км. Электрические импульсы использовались для управления взрывами мин. Это была первая установка, в которой осуществлялась идея трансформации электрического тока.
Изобретением само го распространенного электрического источника света — лампы накаливании мы обнзапы pyiciniM изобретателям П. И. Я б л о п к о в у и A. II . Л о д ы । п и у. Яблочкин дли питания изобретенного им н< leninii a । пета <" нечн Hi'.ioni.oiia» । конструировал генератор переменного ........................ и первый транс'
4
форматор, состоявший из двух катушек, связанных общим магнито-проводом.
В 1882 г. на промышленной выставке в Москве другой русский изобретатель, И. Ф. У с а г и н, продемонстрировал новую конструкцию трансформатора. Изобретение трансформатора повысило интерес к переменному току, имеющему много преимуществ по сравнению с постоянным током.
В конце прошлого столетия особенно большое влияние на развитие олектротехники оказали работы выдающегося русского инженера М. О. Долив о-Д обровольского, который в 1891 г. создал первую в мире мощную установку для передачи электрической энергии переменного тока на большие расстояния. Доливо-Добровольский изобрел трехфазные асинхронные двигатели, которые по надежности в работе и простоте конструкции превосходят все другие типы двигателей. С этого времени асинхронные двигатели получили всемирное распространение в системах привода металлообрабатывающих, ткацких и других станков и машин на фабриках и заводах. В цехах исчезли неудобные, громоздкие и опасные ременные передачи от трансмиссионного вала.
Широкое применение электродвигателей потребовало увеличения количества и мощности электростанций, электрических линий передачи, разработки различных приборов и аппаратов.
Открытия Доливо-Добровольского способствовали быстрому развитию электромвиппкитроения.
В 18|);> г. и роф|тг1>р А. С, Попов осуществил передачу электрических гигнилои без проподон — первую в мире радиоуста-II о и к у. Изобретение Попона дало и руки человечества по только средство с.1111311 па расстоянии в сотни и тысячи километров, по и возможность передавать на большие расстояния изображения движущихся предметов В людей — телевидение; обнаруживать расположение предметов ни расстоянии — радиолокацию; возможность управлять . на расстоянии движением кораблей, самолетов, работой заводов и фабрик — телеуправление.
Можно назвать еще десятки открытий и изобретений, сделанных русскими учеными в области электротехники. В условиях царской России большая часть этих изобретений не была использовала.
Только после победы Великой Октябрьской социалистической революции была еездапа мощная советская электропромышленность и достиг женин электротехники были внедрены во псе отрасли народного хозяйства. Советскими учеными и инженерами, продолжающими работы первых русских электротехников, сделаны uitiiii новых открытий и изобретений. Советские \ чсные Г. М. В' р ж и ж а н о в с к и и, М. A. Ill а т о л е и возглавили работы по электрификации и строителытну электростанций; М. А. В о и ч-II р у е в и ч, В. II. В о л о г д и и и ряд других руководили ci роптелытном рпдиос'1 акций и псследона и и и мп в области радиотехники. В ('.овстском Союзе построены самые мощные в мире быстроходные турбогенераторы м<нцн<и"1 ыо в 100 000 ищи, крупневшие i пдростапции;
р а: । [ >• । Си ил и । ,1 м<"к>д|.1 запплки miiii.ikui tuijimii hi.и ihuiii члгг.ии пнодио-UICXIIII II'K'C КП11 pi'.HUI MI'III I lull II I 11
3a успешную pnuoix in p.i ши > пю u ii'i.ipnri'iикни и радиотехники десятки ученых и инженерна \ ни hhmiu iiuhii.ihu шпннн лауреатов Сталинской премии.
В 1950 г. Сонет Miniiii трон i.uio.iii < < I' принц i pn i постановлений О строительстве НОВЫХ крупнейших И мире .1 lei, I pill I.IIIIIIIH Куйбышевской, Сталинградской на Волге, Baxoiu нои па Днепре и др.
XIX съезд Коммунистической партии < uni-i< ыпи Гонта принял директивы по пятому пятилетнему плану рпзнптни < .< Т пи I 9.3 В),55 гг., которые предусматривают небывалый размах далi.ih-hшеи э.п ырифика-ции народного хозяйства. За пятилетие нырлботна олеит puanepi ни увеличится на 80%; мощность гидроэлектростанций возрастет н 3 раза, а общая мощность электростанций — в 2 раза, iin;i4iriejn.iio piuioiii.niTca телефонная и радиосвязь, радиовещание, телевидение, кино. Количество киноустановок возрастет на 25%, увеличится выпуск кинофильмов.
Развитие кинематографии тесно ( вязано с успехами э.нч.1 ротехнпки. Мощными источниками лита, необходимыми при ст.емке и проекции 1.Т111оф|1Л1>»|оп, ЯПЛЯЮТ1Т1 alia lleipuiia и э.И'К-i рцшт i.iie л.тмпы иакали-111011111. Ieli lI>111IIII IIжIIый механизм i.iinolipuei.'iopoii, копи роНЗЛЬНЫХ И :п>у копы и in ы пи к nii.il х iiiiiiupaiuii и риподн ин и движение с помощью электрических л Illi I ПТ е. 11'11.
Дли лиши и и hoi произведении звука необходимы усилители электрических । in на. uni any кокой частоты, электрические лампы накаливания, фотоэлементы и другие электрические устройства.
Для питания киноустановок используются генераторы переменного и постоянного тока, выпрямители и различные приборы, необходимые для управления, контроля и регулирования режима их работы. Вот почему киномеханик должен глубоко изучить основные законы электротехники и разнообразное электрооборудование, применяемое в киноустановках. Только при этом условии он станет специалистом своего чела.
Глава I
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ
§ 1. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
Строение материи. Все сложные и разнообразные вещества, С которыми мы встречаемся в природе, состоят: из мельчайших частиц. Наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства, называется молекулой этого вещества.
Молекулы настолько малы, что их нельзя рассмотреть даже с помощью микроскопа, увеличивающего изображение предмета в несколько тысяч раз. Каждое вещество имеет свои молекулы, отличающиеся от молекул другого вещества. Поэтому в природе такое же множество молекул, как и веществ.
Молоку зы совершают непрерывное беспорядочное движение мв некотором рпгсюлпип друг от друга и связаны между собой гилвми илвимион) iipiriihKeiiiiH. В зависимости от того, насколько пел и к и aril силы и кик далеко они позволяют молекулам удаляться друг от други, рпы и чают три физических состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное.
При любом состоянии вещества молекулы обладают энергией движения, которая называется кинетической энергией. Чем боль ше скорость движения молекул, тем больше их кинетическая энергия, проявляющаяся в виде тепла, которым обладает тело. Чем больше скорость движения молекул, тем выше температура тела.
Наукой установлено, что самые сложные вещества, а следовательно, и их молекулы являются результатом соединения простых химических веществ, называемых химическими элементами. Химических элементов в природе сравнительно немного. К ним относятся водород, кислород, железо, медь, алюминий, углерод, цинк и др. В настоящее время известно 96 химических элементов, причем 4 химических элемента открыты совсем недавно. Сложные вещества, к которым, например, относятся вода, соль, сахар, кислота, спирт, бензин, мел, древесина и др., можно разделить па составляющие их элементы путем химического разложения. Например, вода может быть разложена на газы — кислород и водород, которые по своим свойствам ничем не похожи на поду.
Мельчайшие частицы, па которые можно разделить хнми-
7
ческий элемент, сохранив m> снойстпп, называются атомами. Молекула любого пенам’тип состоит на атомом.
В природе существует столько же различных видов атомов, сколько имеется разных химических элементов. Атомы отли
чаются друг от друга по своему строению.
Основы электронной теории. С разит нем пауки представления о строении атома меняются. В конце прошлого столетия было открыто, что в состав атомов входят очень малые материальные частицы, обладающие наименьшим известным нам отрицательным электрическим зарядом. Эти частицы были
названы электронами.
В связи с открытием электронов возникла электронная
теория строения вещества. По этой теории всякий атом состоит
из ядра, имеющего положительный заряд, и электронов, обращающихся вокруг ядра подобно тому, Как планеты движутся вокруг солнца (рис. 1). Электроны движутся на разных расстояниях от ядра.
Простейшим является атом водорода, вокруг ядра которого движется один электрон, а само ядро имеет положительный наряд, равный по величине отрицательному заряду электрона.
Опытным путем удалось установить, что масса ядра атома водорода в 1844 раза больше массы электрона.
Рис. 1. Модель атома
Изучение строения атомов других элементов показало, что в состав их ядер входят частицы, имеющие массу и заряд, равные мессе и заряду ядра атома водорода. Эти частицы были названы протонам и. Кроме протонов, в состав ядра входят частицы с массой, приблизительно равной массе протона, по по имеющие электрического заряда. Эти частицы были названы н е я т р о п а м н.
Число протонов в ядре атома равно числу электронов, находящихся вокруг ядра и образующих электронную оболочку атома. Поэтому положительный заряд ядра уравновешивается отрицательными зарядами электронов, и в обычных условиях атом электрически нейтрален.
Если атом теряет один или несколько электронов, то он заряжается положительно, так как положительный заряд ядра не будет полностью уравновешиваться суммой отрицательных зарядов оставшихся электронов. Атом, потерявший одни или
несколько электронов, называется поло ж п т е л ь и ы м
ионом.
Если же атом присоединяет к себе один или несколько электронов, то он заряжается отрицательно, тик как увеличившийся отрицательный заряд электронной оболочки не уравновешивается полностью положительным зарядом ядра. Атом,
Ь
присоединивший один пли несколько электронов, называется отри нательным ионом.
Процесс образования положительных и отрицательных ионов называется ионизацией. Ионизации может происходить как при отщеплении электронов от атомов, так и при разложении молекул сложного вещества. При этом ионами будут являться заряженные группы атомов. Например, в воде каждая молекула кислот, солей и щелочей распадается на две части с одинаковыми по величине, но разными по знаку зарядами; из молекулы образуется два нона — положительный и отрицательный.
Между положительными и отрицательными ионами существуют электрические силы взаимодействия, благодаря которым ионы с разноименными знаками притягиваются, а с одноименными — отталкиваются друг от друга. При соединении положительного и отрицательного иона под действием сил притяжения образуется нейтральная молекула. Положительные ионы могут превращаться в нейтральные атомы и молекулы, присоединяя к себе недостающие электроны.
Свойства электрона. При изучении свойств электронов были определены заряд и масса электрона, которые оказались очень малыми. Электрический заряд электрона равен?
10 111 кулона* (т. е. 10000Q00000qqq000qqq кулона).
Мшти шнштропи равна всего
т «,0,9. КГ27 г.
Движение электронов вокруг ядра происходит с большой скоростью и носит очень сложный характер, так что нельзя указать определенного пути, по которому движется каждый из них. Однако установлено, что электроны, наиболее удаленные от ядра, связаны с ядром слабее, чем электроны, движущиеся вблизи ядра. Атомы всех металлов сравнительно слабо удерживают внешние электроны, и последние, получив добавочную энергию, могут покинуть атом. Атомы большинства твердых тел проч по удерживают электроны, не дают им уходить от себя. В особенности это относится к таким веществам, как эбонит, стекло, смола, слюда, шелк, фарфор, в которых при нормальных условиях электроны не могут перемещаться.
* Для того чтобы и случае очень больших или очень маленьких чисел, которые трудно прочитать, не писать большое количество пулей, их заменяют числом десять с положительным или отрицательным показателем степени. Положительный показатель степени означает, что к единице надо приписать число пулей, ранное показателю степени. Отрицательный нокапатель степени означает, что единицу нужно разделить на ('липину с числом пулей, равным показателю степени. Например;
1
К/
Электроны могут обладать вполне определенной энергией, и изменение энергии электрона может происходить только определенными порциями.
При всех процессах, происходящих и веществе, изменение состояния электронов происходит всегда так, что энергия электрона принимает определенные значения, которые называются возможными энергетическими уровнями.
Также установлено, что два или большее число электронов в атоме никогда не могут иметь одинаковой энергии, или, как говорят, занимать одинаковые энергетические уровни.
§ 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Электрические заряды. Более 2000 лет назад было обнаружено. что янтарь, натертый шерстью или мехом, приобретает свойство притягивать к себе легкие предметы. Это явление, которое впоследствии было названо э л е к т р и з а-1 ц и о й, объяг инет с я появлением в телах электричества. Само
слово «электричеттнои произошло от греческого слова «элек-
трон», что означает «янтарь», так как впервые явление электризации было обнаружено па янтаре. Позднее оказалось, что электризация свойственна не только янтарю, но и некоторым
Рис. 2. Притяжение кусочков бумаги наэлектризованным предметом
другим веществам. Возьмем, например, стеклянную палочку, натрем ее куском кожи и поднесем к мелко нарезанным кусочкам бумаги или пробки. Палочка будет притягивать кусочки бумаги (рис. 2). Тот же опыт проделаем, пптсрсп эбонитовую
палочку шерстью.
Современная электронная теория строения нощсстпа, с которой мы познакомились в § 1, позволяет обт,испить явление электризации тела. В самом деле, при трении тел друг о друга они нагреваются. Тепловое движение молекул при этом ускоряется, и электроны получают дополпine.ibiiyii। энергию, благодаря которой они могут оториаты п от атома. Таким образом,
некоторое количество электронов пероходит от одного тела к другому. Оба тела пересинит быть нейтральными, т. е. заря-
жаются шиштричоетиом.
Тело, потерявшее электроны, ларпжаги п положительно, а тело, получившее электроны, .lapibi.iieirii отрицательно.
10
В наших примерах стекло при трении о шелк или кожу теряет электроны и заряжается положительно, а шелк или кожа, получившие электроны, заряжаются отрицательно; при трении эбонита о шерсть или мех эбонит заряжается отрицательно, а шерсть или мех — положительно.
Чем больше электронов получило или потеряло тело, тем сильнее оно наэлектризуется. Количество электричества, содержащееся в заряженном теле, называется электрическим зарядом (обозначается буквой q).
За единицу количества электричества (т. е. за единичный заряд) в технике принят заряд в один кулон (обозначается буквой к). Заряд в один кулон равен заряду 6,25-1018 электронов.
Как мы знаем, наименьшим известным в настоящее время зарядом облпднот электрон. Значит, заряд одного электрона тоже можно было бы принять за единицу количества электричества. Однако заряд электрона так мал по сравнению с зарядами, встречающимися в технике, что такая единица была бы очень неудобной.
Чтобы представить, насколько мал заряд электрона по сравнению <' кулоном, приведем такой пример: если бы тело, имеющее отрицательный нпрпд и один кулон, разряжать, отнимая каждую секунду по миллиону Нл1'|(тропон, то потребовалось бы двести тысяч лет, чтобы полностью разрядки. это тело.
Мпшду :ц|ряж(ч1111.1ми телами, как и между мельчайшими
iUpthhi'HHWMii ши .....комп
етиуип ЩНШТ11И«Н«ГК1111 силы НИНИМОДШП'Т ИНН . *1 11>1||>| уГ>Н диться II асом, пр|>п.111сдом танин опыт. Подвесим па шелковых нитках два легких шарика (например, из бузины) па некотором рас-стоп пии друг от друга (рис. 3) и прикоснемся к ним поочередно стеклянной палочкой, потертой о шелк.
Оба шарика зарядятся
— электронами и протонами, суще-
а 5
Рис. 3. Взаимодействие заряженных тел
положительно, и мы уви-
дим, что опп отталкиваются друг от друга (рис. 3,а). То же самое наблюдается, если оба шарика зарядить отрицательно, прикоснувшись к ним эбонитовой палочкой, потертой о
шерсть.
Теперь зарядим один шарик положительно, а другой отрицательно. Мы унпдпм, что они начнут притягиваться друг к другу (рис. 3,б), пока но придут и сопрпкосповеиие. Прикоснувшись друг к другу, шарики опять повиснут на нитях вертикально, как. внесли до того, что мы их зарядили. Отсюда можно сделать нынод: о д и о и м о и п ы о а а р я д ы о т т а л к и-в а ю т с я, а р п з и о н м о п и ы с к |> и т я г п и а ю т с я
11
д р у г к д р у г у, п р п чем, соединяясь, они нейтрализуются (взаимно уничтожают друг друга).
Электрическое поле. Электрическим полем называется про* странство, в котором обнаруживается действие электрических сил. Электрическое поле образуется вокруг каждого заряжен-ного тела. Обнаружить его молено, внеся в пространство вокруг заряженного тела электрические заряды. Заряды будут отталкиваться или притягиваться к телу, создающему электрическое поле. Силы, действующие па электрический заряд, в разных точках электрического поля различны но величине и направлению.
Рис. 4. Нолл положительного а и отрицательного 6 эарядои
Рис. £. Однородное электрическое поле
Электрическое поле условно изображают линиями, которые называют электрическими силовыми линиями. Направление этих линий совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд в каждой точке поля.
Силовые линии всегда выходят па положительного заряда и входят в отрицательный.
На рис. 4 изображены поля положительного и отрицательного зарядов. Электрическое поле, по всех точках которого на единицу положительного заряда действуют одинаковые по величине и направлению силы, называется р вппомс р-н ы м, или однородны м.
Однородное поле образуется между двумя параллельными пластинами, имеющими заряды разных знаков (рис. Г>). Его силовые липни могут быть пред,ставлены параллельными прямыми, идущими на равных расстояниях ,ц|»уг от друга.
Потенциал и напряжение. Положительный заряд, помешенный в электрическое поло, движется под действием сил поля. При этом совершается работа на перемещение заряда. Следовательно, электрическое поле в каждой точке обладает определенной anepineii. Для тою чтобы судить об энергии, характерной для каждой точки поли, вноднтт н понятие о потенциале. II о те п ц и а л <> м даппоц точки называется величина, характеризующая работу < ил ноля ..еремощенню еди
12
ницы положительного заряда пз этой точки за пределы поля. Потенциал обозначается греческой буквой ср (фи).
Потенциалы различных точек поля различны. Если поле образовано положительно заряженным телом, то по мере удаления от этого тела потенциал точек поля уменьшается, или, как принято говорить в технике, понижается. Положительный им ряд, внесенный в это поле, будет отталкиваться от заряженного тела и удаляться от него. Следовательно, положительный заряд в электрическом поле движется от точки более высокого потенциала к точке более низкого потенциала Между двумя точками, имеющими одинаковый потенциал, заряд перемещаться не может. Для перемещения электрического заряда необходима разность потенциалов. Разность потенциалов двух точек называется напряжен и е м (или падением п а п р я ж е н и я).
Напряжение обозначается буквой U, причем
?2-
Напряжение между двумя точками поля количественно рппно работе, которую нужно затратны, на перемещение единицы электрического заряда из одной точки в другую.
По'............апряжение измеряются в одних и тех же
рдиниши Ин единицу (пвоиипчнок н Оукноп М • Ж Д У Д II V м II II о р о М о in о н и о U н г р а ч и а и о । с и
1
1 кулон
В технике применяют также более крупные и более мелкие вспомогательные единицы — киловольт и милливольт**:
1 киловольт (1 кв) = 1000 в= 10® з;
1 милливольт (1 мв) = 0,001 в= 1 О’3 в.
* Джоуль (дж) является единицей работы: 1 дж = 0,102 килограммометра ( кгм ).
** Подобные приставки означают:
мега (миллион) — 1 000 000= 10е;
кило (тысяча) — 1()00=103;
гекто (сто) — 100= 102;
дека (десять) -- 10;
1 1
микро (одна миллиопиэи) - - Ю »;
милли (одна тысячная) - -1 - -- - 10 3;
таити (одна сотни) ' 10
деци (одна десятая) 10 '.
напряжения в технике принят вольт /.). Вольт — это напряжение точками, при котором на а а р я д а и один кулон р и <> о । а и о д н н д ж о у л ь*:
Перемещение зарядов и затраченная на это работа зависят от разности потенциалов. Поэтому важно знать но только потенциалы, но и разность их.
Обычно условно принимают потопципл какой-нибудь точки за нулевой и определяют потенциал любой другой точки как разность потенциалов (напряжение) между этой точкой и условным нулем. Если потенциал данной точки выше пулевого, то он называется положительным. Если потенциал данной точки ниже нулевого, то он называется о т р и ц а-тельным.
Потенциал земли и тех точек пени, которые соединены с землей (такое соединение называется заземлением) принято считать равным нулю.
Пример. Заряд т/=-10 к переместился в электрическом ноле из точки, имеющей потенциал <рх= -(-15 в, в точку с потенциалом —5 в по отношению к потенциалу земли.
Определить работу, затраченную на перемещение заряда, /' с ш с и. и с. Разность потенциалов ранни:
?а -I 1Г> ( .г>) 15 | 5 . 20
Эта разноси, потенциалов численно равна работе, затраченной на перемещение заряда и 1 к. Чтобы переместить заряд в 10 к, нужно затратить работу в 10 раз большую, т. е. 20x10= = 200 дж.
Электрическая емкость. Проделаем такой опыт. Возьмем два шара разных радиусов и зарядим их, сообщив обоим шарам одно и то же количество электричества. После этого измерим потенциалы одного и другого шара по отношению к потенциалу земли. Оказывается, что меньший шар имеет более высокий потенциал. (Так как потенциал тела можно представить как разность потенциалов этого тела и земли, т. е. как напряженно по отношению к земле, ю обозначаем его буквой U, рис. 6.)
Точно так же в двух сосудах разных размеров (с различной площадью основания) цри одном и том же количестве налитой жидкости она устанавливается па различных уровнях (/гг и /г2). Для сравнения такие сосуды показаны па этом же рисунке.
Наоборот, для того чтобы зарядить оба шара до одного и того ясе напряжения U по отношению к земле, требуется сообщить нм разное количество электричества: меньшему шару — меньшее, а большему шару — большее.
Точно так же в сосуды разных размеров нужно палить различное количество жидкости ш, и ш ,, ч тобы опа находилась в обоих сосудах па одипакопом уровне h (рис. 7). О сосудах разных размеров iопорнт, что они обладают разной вместимостью, нлп, иначе, разной емкое изо.
14
Чтобы характеризовать способность тела накапливать электрические заряды, вводится понятие об электрической емкости. Электрическая емкость показывает, какое количество электричества получает тело при повышении его потенциала на один вольт. Емкость обозначается буквой С,
Рис. 6. При одинаковом заряде потенциал меньшего шара выше
Для того чтобы найти емкость С тела, нужно его заряд q рпаделить па напряжение U, до которого заряжено тело:
Рис. 7. При одинаковом потенциале заряд большего шара больше''
Если в этой формуле выразить q в кулонах, a U в вольтах, то емкость получится в практических единицах. Практическая единица емкости называется фарадой (обозначается буквой ф). Следовательно,
1 фарада
1 кулон
1 1ЮЛ1.Г *
Фарада — ;> т о ом к о с. т ь т а к о г о т е л а, заряд к о т о р о г о у в о л и ч н па о тс и и а о д и и кулон и р п и о в ы in о н и н е г о и о т е и ц и а л а на один в о л ь т.
15
Фарада — очень большая емкость. Например, емкость земного шара равна всего 0,000707 фарады. В технике применяют вспомогательные единицы емкости, являющиеся долями фарады:
1 микрофарада (1 мкф) -= (||)(' (Ц1 ( ф> Н)" </Д
1 микромикрофарада (1 мнмнф) Кг11 мкф> -10
Из формулы для емкости можно определить величину заряда q:
q ('ll.
Отсюда видно, что з п р и д т е л а прямо пр о-порциона л е н е г о о м к ости и и а п р я ж е н и ю на нем.
И р и ,м е р /. Определить емкость тела, заряд которого раней 0,005 к при пнприжепии 1000 </.
• Р е ш е. и к е. Емкость
с I 'М>00005 ;/;-г> лш/;.
Прим с р 2. Шар емкостью и 4 мкмкф заряжен до 200 в. Определить величину заряда шара.
Решение. Заряд шара пропорционален его емкости и напряжению.
Емкость С'=4 мкмкф—Ь-10“12 ф. Следовательно, q =CU=i- 10"12-200 = 8-10’'»
§ з. олектричм кий ток И ЗАМКНУТА}! ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ
Понятие об электрическом токе. Направленное движение электрических зарядов под действием < и.т электрического ноля называется э л е к т р и ч е с к и м т о к о м. Для наглядности электрические ток можно сравнить с потоком воды или с движением воды по трубам.
Поставим такой опыт: два сосуда, наполненные водой, соединим трубкой (рис. 8). Если вода в сосудах находится на разных уровнях, то она потечет по трубке из сосуда с более высоким уровнем /т1 в сосуд с, менее высоким уровнем h2. Вода будет течь до тех нор, пока имеется разность уровней. Как только уровни сравняются, движение воды прекратится. Для тою чтобы вода непрерывно текла но трубке, нужно поддерживать разноси. yj>oniieii, т. е. создана л, напор воды.
Точно так же движение элеьтpieie< них зарядов происходит под действием равпостн iioieinum.юн. Положительные заряды перемещаются в направлении от более высокого потенциала
16
и более низкому. Это направление и принято считать направлением электрического тока. Как мы увидим дальше, электрический ток создается главным образом движением отрицательных зарядов — электронов. Однако тогда, когда о существовании электронов еще не было известно, направлением электрического тока было принято считать направление движе-
ния положительных зарядов. Такое направление электрического тока условно принимается и в настоящее время. Поэтому мы будем считать, что электрический ток течет от более
высокого потенциала к более низкому, хотя в действительности электроны движутся в противоположном направлении.
Исли нет разности потенциалов, то нс может быть и электрического тока,
Рис. 9. Разность уровней поддерживается насосом
|1ИГ И Д lllllliCIIIII' Hllill.l 114.1 Д|'й-rilllli'M pn.llioi III у |>< illIloH
как не может быть движения воды по трубам, если нет раз-HOC'iil уровней.
Следовательно, для того чтобы получить электрический ток, необходимо все время поддерживать разность потенциалов, т. о. создавать напряжение. Это является первым необходимым условием возникновения электрического тока.
Понятие об источнике тока. Возвратимся к нашему опыту с. водой и посмотрим, каким способом можно создать и поддерживать напор воды. Для этого поставим насос Л, с помощью которого можно перекачивать воду из нижнего сосуда в верхний, г?ак показано па рис. 9. Верхний сосуд наполним водой и откроем крап К в трубе. Вода будет переливаться из верхнего сосуда в BiOKiinii. При этом уровень воды в верхнем сосуде будет понижаться, а в нижнем повышаться. Чтобы поддерживать разность уровней, приведем в действие насос. Вся время, пока работает насос, будет поддерживаться движение поды в нашей системе, так как, перекачивая поду из нижнего сосуда в верхний, насос поддерживает некоторую разность уровней. Для прппедеппп насоса в действие мы должны затрачивать энергию.
2 SjKK'J [Ч>( vXBBK.t
17
Теперь обратимся к электрическому току. Очевидно, что для создания разности потенциалов нужно иметь устройство, играющее такую же роль, как насос в системе с водой. Устройство, которое способно непрерывно поддерживать разность потенциалов и, следовательно, совершать работу по перемещению зарядов называется источником электрического тока, или генератором электрической энергии. Полная разность потенциалов, созда» ваемая генератором, называется эле к т р о д в имущей силой генератора (сокращенное обозначение э. д. с.)<
Электродвижущая сила ныэынает перемещение за-РЧ МЛм РИДОВ, т. е. электрический
то,{-
;5ИяС« Электродвижущая сила, как и напряжение, измеряет-+z—- ся в вольтах и равна разно------1|---- -----( Г )--- с.ти потенциалов на разом-
- кнутых зажимах генератора.
а б Зажим генератора с более
Рас. Ю. (/бончпчсние и< rn'iiiBKoii высоким потенциалом назы-тока на схемах HaeVvH положительным.
Зажим, имеющий меньший потенциал, называется отрицательным. На схемах у соответствующих зажимов ставят знаки Ц- и —.
Для того чтобы генератор мог совершать работу по перемещению зарядов, т. е. вырабатывать электрическую энергию, он должен потреблять какой-нибудь другой вид энергии — химическую или механическую. В верном случае мы будем имен, химический источник тока, пплынаемый гальвани-ч е с к и м э л е м с и т о м (рис. Ю,д), во втором случае — э л о к т р и ч е с к у ю м а ш и и у (рис. 10,6).
Проноднпкп п непроводники. Дли позникнонения электрического тока необходима ризвосп, ц< >те в ни пл < । и. Однако этого условия еще недостаточно. }(ейстннтелып>, электрический ток может B03iini.liуть только и iex веществах, в которых наряды могут перемещаться. При ион влепив разности потенциалов электроны получаю т дополнительную энер) иш и стремятся двигаться под действием сил ii.iebi рнчесын о поля. Чтобы электрон, получая дополппте.|1.пу|о jiiepi ню, мог перейти от одного атома к другому, т. с. дннгн ты и и мождуатомпом пространстве, нужно, чтобы у соседних втомоп не было электронов, обладающих такой жо anepiiieii, т. о. имелись бы «свободные места». I'.i .iii таких «свободных мест» по нмеотсн, то несмотря па действие разности ноюнштлоп электроны двигаться не будут.
По способности проводин, влек।рпчеецнй юк твердые вещества делит па дне р\ины. и р о в <> д и п к и, которые хорошо 18
проводят электрический ток, и непроводники, которые при обычных условиях тока практически не проводят.
К проводникам относятся металлы и уголь, у которых всегда имеются электроны, способные свободно перемещаться в междуатомном пространстве. Такие электроны называются свободными электронами. Проводники, в которых электрический ток вызывается перемещением свободных электронов, называются проводниками первого рода.
Свободные электроны в металлах совершают беспорядочное тепловое движение (рис. 11,а). Скорость теплового движения
Рис. 11. Беспорядочное а и направленное б движение свободных электронов
в.K'inpoiioii и их энергия увеличиваются с повышением темпе-paivp>*> lo.'in,
Ириложим iiiiiipiPici'iiiio к куску металлического провода. Дли этого присоединим ого к зажимам источника тока. Под действием сил электрического поли электроны начнут двигаться и одном направлении. Их движение создаст электрический ток в проводнике (рис. 11,6). Таким образом, в проводниках первого рода — металлах и угле — ток создается движением электронов и называется током проводимости.
Электрический ток в проводнике будет направлен от положительного зажима источника к отрицательному, хотя электроны в действительности движутся в обратном направлении.
Проводники первого рода широко применяются для изготовления электрических проводов, нагревательных приборов, нитей электрических лампочек, рубильников и т. п.
Кроме проводников первого рода, существуют проводники второго рода, которые называются элек тролитами. К ним относятся водные растворы кислот, солей и щелочей. Как мы говорили, молекулы этих веществ в воде распадаются на положительные и отрицательные ионы. Под действием разности потенциалов эти ионы движутся в определенном направлении и переносят заряды, т. о. создают электрический ток. Ток, создапаемый в электролите движением ионов, называется ионным то к о м.
Проводники второго рода применяются и гальванических элементах и аккумуля торах. Непроводники иначе называются
2* 19
Рис. 12. Зпмкпутия ;>лек-т 11II ч сс| о 111 цепь
изоляторами, или д и :> л ск триками. К ним относятся стекло, резина, эбонит, слюда, парафин, смола, мрамор, воздух (при обычных условиях), специальные лаки и пластмассы, минеральные масла и др.
В диэлектриках невозможно перемощение зарядов, так как в них нет свободных электронов, поэтому диэлектрики не проводят электрического тока.
Диэлектрики применяются для изолирования проводов, для изготовления роликов, распределите;...ых щитов и других
изолирующих устройств. Если к диэлектрику приложить ож'нь большую разность потенциалов, то под действием сил электрического поля он разрушается и начиняет проводить ток. т. е. теряет сноп изолирующие свойства. Такое разрушение называется пробоем д и э л о к т [> и к а. Пробой диэлектрика наступает быстрее при iioin.iiiieiiiiH температуры и увеличении влажности.
Замкнутая электрическая цепь. Устройства, служащие для использования электрического тока, т. е. превращающие электрическую энергию в нужный нам вид энергии (тепловую; механическую), называются приемниками, или потребителями, электрической энергии. Это, например, электрическая плитка, утюг, чайник, электрические ламцы, электрические паяльники, электрические двигатели на фабриках и заводах, в трамваях, на киноустановках и т. д.
Приемники соединяются с источниками электрического тока при помощи проводов. Система, состоящая из источника тока, приемпнкон электрической оперши и соединяющих их проводов, называется э л о к т р и ч в с к ой цепь ю.
Если электрический цепь нигде не прерывается, опа называется и а м к н у т о н э л о к т р и ч о с к о й ц о и ь ю.
Э л е к т р н ч о с к и н т о к м о ж о т и ро ходить т о л I. к о в з в м к и у т о й э л о к т р н ч о с к о й цеп и. Это является необходимым условием дли прохождения тока.
Простейшая электрическая цепь (рис. 12) состоят из трех элементов: I — источника электрической энергии, поддерживающего на зажимах разнос ть по тени пилон; // — приемника электрической onepi ни, прообразу |още| о ее и другой, нужный нам вид энергии; 111 — соедини тельных проводов, создающих замкнутую э.кчхтрпческую цепь для прохождения тока от источника к приемнику и обратно.
Ток в замкнутой ценя будет проходить от положительного зажима (-•-) генератора через приемник к отрицательному зажиму (—) и внутри генератора от ею oipimirre.ibiioro зажима (—) к положительному ( j ).
20
Па любом участке внешней цепи ток течет от более высокого потенциала к более низкому, или, иначе, от к — (более высокий потенциал считается положительным по отношению к более низкому, и, наоборот, более низкий потенциал считается отрицательным по отношению к более высокому).
Поэтому у всякого приемника зажим, через который ток входит, будет положительным (см. рис. 12, зажим 2); зажим, через который ток выходит, будет отрицательным (см. рис. 12, зажим 2).
Рис. 13. Разомкнутая электрическая цепь: а — с выключателем; б — с рубильником
Выходя из положительного зажима генератора, положительные апрпды обладают наибольшей энергией. Проходя по прпнндам и приемнику, они отдают свою энергию и возвращаются м tnpiiiiivio.'ii.iioMy зажиму, обладая наименьшей энергией.
Внутри । опера 1<>[>а наряды пополняют запас энергии. F) и и |i I и и, с о о fi hi и и м п и генератором од и-
п и Н о и о л о ж и т с л I, и о । о я п р яда, к о л и ч е с т-
и ц и и о р а и и и » л о к т р о д и и ж у щ о ii с иле г е-
п и р и т о р а.
Если в электрической цепи какой-либо участок заменен изолятором, то такая цепь называется разомкнутой.
В разомкнутой цепи нет непрерывного пути для движения плектронов, так как изолятор является препятствием для прохождения тока. Подобно этому вода не будет течь по трубе, если закрыть кран Л’ (см. рис. 9).
Для того чтобы прекратить прохождение электрического тока по цепи, применяются выключатель В пли рубильник Р (рис. 13), размыкающие один или два провода электрической цепи. В данном случае изолятором будет воздушный промежуток между точками а и б.
§ 4. ВНЕШНИЕ II РОЯ В ГЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Электрический ток нельзя непосредственно ппдеть. Поэтому обнаружить прохождение тока н цени можно только по гем явлениям, которые его сопровождают. IV внешним проявлениям электрического токи огпоептсп: 1) тепловое действие
21
тока; 2) магнитное действие тока; 3) действие тока на живой организм (например, на человека); 4) химическое действие тока.
Рассмотрим подробнее эти внешние проявления электрического тока.
Тепловое действие тока. Мы уже знаем, что электрические заряды обладают энергией, которую они отдают, проходя по цепи. Эта энергия в проводах (и во многих приемниках) выделяется в виде тепла, благодаря которому повышается температура проводников. Протекание тока в проводниках может быть обнаружено по их нагреву при помощи термометра или на ощупь.
Превращение электрической энергии в тепловую используется для различных целей. Например, в быту широко при
Рие. 14. Тепловое действие тока
Рис. 15. Магнитное действие тока
меняются электронагревательные приборы (плитка, чайник, утюг, электрическая лампа, рис. 14).
Магнитное действие тока. Наблюдения показывают, что в пространстве вокруг проводника с током всегда обнаруживается действие магнитных сил. Проворить это можно таким образом: возьмем маленькую подвижную магнитную стрелку и поместим ее возле проводника так, чтобы стрелка находилась в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 15). Пока но проводнику ио проходит ток, стрелка будет устанавливаться одним концом па север, и другим па юг.
Если же по проводник)' пропускать ток, присоединив его концы к iенератору, то стрелка повернется и примет определенное направленно. Как бы мы пн поставили стрелку, она возле проводника с током будет принимать определенное направление вдоль окружности, показанной пунктиром. Из этого опыта можно сделать вывод, что в пространстве вокруг проводника с током на магнитную с i релку действуют магнитные силы.
Действие таки на организм недопека. Электрический ток опасен дли жизни недопека Проходя через тело человека, электрический юк обычно iiopaa.aci перину io систему. Так как работа .тс! ких связана с нернноц , п<дехкш, ю при ее поражении дыхание может прев pa i и i ы в , и недопек терце т сознание. Кроме
основные правила:
Электролит
Рис. 16. Химическое действие тока
того, в месте соприкосновения токонесущих частей с кожей человека могут получиться ожоги. В случаях легких поражений потеря сознания продолжается несколько секунд или минут. В более тяжелых случаях сознание не возвращается дольше и может наступить смерть. При поражении электрическим током нужно немедленно вызвать врача и подать пострадавшему первую помощь согласно инструкциям по технике безопасности.
Чтобы избежать поражения электрическим током, необходимо помнить и всегда выполнять следующие
1) не касаться руками оголенных токонесущих контактов и проводов;
2) проверять наличие напряжения только с помощью приборов или контрольной лампы, ио не рукой;
3) ограждать контакты, распределительные щиты и устройства, находящиеся под высоким напряжением;
4) при крайней необходимости работать с установками, находящимися под напряжением, надевать резиновые калоши и порчаткп. изолировать себя от пола ИЛИ .ICM.III рол II новым ковриком или су-Лий Да ре пп в и < nt iin.ii.i тапкой.
ХвМИЧвсшм' дН1|'Т11|н’ чока. Химиче-Дейстппо кша ПроИПлпеmi при про-КОЖДРШШ его черен проводники иторого
рОДА — электролиты. Еелп и сосуд < электролитом опустить дне металлические пластины, называемые :> л о к т р о д а м и, И соединить их с источником тока, то ионы начнут перемещаться ио направлению к электродам (рис. 16). При этом положительные ионы движутся к отрицательному электроду, называемому катодом, где присоединяют к себе свободные электроны и превращаются в нейтральные молекулы. Отрицательные ионы движутся к положительному электроду, называемому анодом, где отдают свои лишние электроны, также превращаясь в нейтральные молекулы.
Электроны, полученные анодом от отрицательных ионов, перемещаются по цепи через генератор к катоду. Таким образом получается замкнутая электрическая цепь, состоящая из генератора, электролита и соединительных проводов. По этой цепи проходит ток, направление которого показано стрелками на рис,. 16.
Особенность протекания тока через электролит заключается в том, что вместе с зарядами переносится и вещество. При этом электролит разлагается па составные элементы и вещества электролита выделяются на электродах.
Явление химического разложении вещества при прохождо-
23
нии через него электрического тока называется электролизом.
Электролиз широко применяется в промышленности: для получения химически чистых металлов, например меди; для покрытия металлов защитным слоем другого металла — никелирование, серебрение, хромирование (этот процесс называется гальваностегией); для снятия тонких металлических копий, например для штампования граммофонных пластинок или отливки гипсовых барельефов (этот процесс, открытый русским ученым Б. С. Якоби, называется гальванопластикой).
Угли дуговых ламп покрываются тонким слоем меди. Процесс омеднения также производится при помощи электролиза. Для этого угли соединяют с минусом, а медную пластинку — с плюсом источника тока и погружают их в раствор медного купороса.
При прохождении тока медь из раствора оседает на угле-катоде, а медная пластинка-анод растворяется в медном купоросе, пополняя убыль меди в электролите.
§ 5. ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКАХ ТОКА
Гальванические алименты. Гальваническими элементами называются источники электрического тока, действие которых основано на преобразовании химической энергии в электрическую.
Деполяризатор \
'/{ройссиые опилки а иашк тырен
Рис. 17. Элемент I екл а 11 ню
Гис. IX ( ухой элемент
Г(1Л1.в<111Нч<’с|,п<> «’менты оынают рааЛНчных типов, ио они всегда имеют дно электролп на разных материалов, hoi ружейные в электролит; один ил электродов pa, iпорнон и и ндентролнто и процессе работы элемента .
одним из наибо.1оо рас itpot iраненных i iuii.iiiihiihockii.x элементов является э л е м е н г .1 о к л а и ж о (pile, 17). Он представляет собой
24
стеклянный сосуд, наполненный раствором нашатыря, в который погружены два электрода — цинковый (катод) и угольный (анод). Угольный электрод окружен смесью перекиси марганца с графитом.
При растворении цинкового электрода в раствор переходят положительные ионы цинка. Так как,на электроде остаются два электрона каждого атома цинка, то он приобретает отрицательный заряд относительно угольного стержня.
Цинковый электрод, получивший отрицательный заряд, является катодом, а угольный — анодом. Таким образом, между катодом и анодом создается разность потенциалов, и элемент может служить источником тока. Э. д. с. элемента Лекланше равна 1,45 в.
Если соединить катод и анод проводником, то по нему пройдет ток в направлении от анода (угля) к катоду (цинку). Электроны' в проводнике будут перемещаться в противоположном направлении. Внутри элемента будут перемещаться ионы. При протекании тока в элементе происходит так называемая поляризация, которая заключается в том, что выделяющиеся при химических реакциях пузырьки водорода осаждаются на аноде и отделяют его от электролита. Поляризация приводит к уменьшению, а затем и прекращению тока в цепи. Для уменьшения влияния поляризации применяют так называемые деполяризаторы — вещества, легко отдающие кислород. Кислород соединяется с водородом, образуя воду прежде, чем водород достигает анода. В элементе Лекланше деполяризатором служит смесь перекиси марганца с графитом. Элемент Лекланше обычно применяют для кратковременной работы (например, для питания электрических звонков).
Разновидностью элемента Лекланше является сухой элемент. Электроды этого элемента погружены в киселеобразный электролит (|>ш', 1Н). Отрицательным электродом является цинковый стакан, а поло-ihiirejii.iii.iM угольный стержень. Э. д. с. сухого элемента равна 1,45 в. <'.\хпе .1,К'мгнты удобны в эксплуатации и натребуют ухода.
Емкость гидьiHiiiii'ii'CKBX клемлитов. Каждый гальванический элемент может' работать oi ........> время. В процессе работы один из электро»
дон постепенно расходуется, растворишь в электролите, а сам электролит истощается. Давая ток, т. о. разряжаясь, каждый элемент отдает определенное количество электричества. Количество электричества, которое гальванический элемент может отдать при нормальном разряде,’ называется емкостью эл емента.
Емкость гальванического элемента принято измерять не в кулонах, а в других единицах, называемых а м п е р-ч асами (обозначается а-ч). 1а-ч=3600 к.
Аккумуляторы. Аккумуляторы иначе называются вторичными элементами. Они отличаются от гальванических элементов тем, что не могут сразу после изготовления давать э. д. с., их нужно сначала зарядить, т. е. пропустить через них ток. При этом происходит электролиз, сопровождающийся превращенном электрической энергии в химическую. В результате этого процесса на зажимах аккумулятора создается э. д. с.
После зарядки аккумулятор может служить источником тока. В процессе разряда аккумулятора снова происходит превращение химической энергия и электрическую. Таким образом аккумулятор запасает (накапливает) электрическую энергию при заряде и отдает ос при разряде.
КОНТРОЛЬНЫЕ 1ЮПРООЫ к гл л НК г
1. Что такое молекула и атом?
2. Что такое нон, ионизация?
3. Что такое электрический заряд я в каких единицах он измеряется?
4. Что такое электрическое поле?
5. Что называется потенциалом данной точки поля и напряжением?
6. В каких единицах измеряются потенциал и напряжение?
7. Что такое заземление?
8. Что такое электрическая емкость? В каких единицах она измеряется? '
9. Что такое электрический ток?
10. Какое направление имеет электрический ток в цепи?
11. Объясните назначение генератора, приемника и проводов в электрической цепи.
12. Что называется электродвижущей силой источника и в каких единицах она измеряется?
13. Что такое проводники первого и второго рода и диэлектрики?
14. Расскажите о внешних проявлеввях электрического тока.
Глава II
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
§ 1. СИЛА ТОКА
Сила тока. В первой главе мы установили, что электрический ток представляет собой направленное движение электрических зарядов. Величина тока определяется количеством электри
чества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в одну секунду, называется силой тока. Сила тока обозначается буквой /.
Единицей силы тока в практической системе единиц принят
а м и е р (обозначается буквой и г и ;i и с и и io щ е г о с я э л (
и р и к о г ii р о м ч е р е з п
п р о в о д и и к в к и ж д у |О
к о л и ч е с т в о а л о к т р и ч
му к у л о п у:
1 ампер — —j
а). Ампер есть сила .ктрического тока, оперечное сечение секунду проходит е тиа, равное о д н о-
ку лов секунду ’
Часто применяют вспомогательные долями ампера: миллиамперы (ма) и
1 миллиампер (ма) = .„^у
единицы, являющиеся микроамперы (мка).
а = 10~3 а;
1 микроампер (мка) = а = 10-6 а.
Если известно количество электричества, прошедшее через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени, то силу тока можно найти по формуле
где с/ — количество электричества в кулонах, t — время в секундах.
Если в замкнутой цени, не имеющей разветвлений, проходит электрический ток, то через любое поперечное сечение (в любом месте цепи) проходит и секунду одно и то же, количество электричества, нгипвпсимо от толщины проводников.
27
Это объясняется тем, что заряды не могут накапливаться в каком-нибудь месте проводника. Следовательно, сила тока в любом место цепи одинакова.
Измерение силы тока. Для измерения силы тока служит прибор, который называется а м п е р м е т р о м. Для измерения очень малых сил тока применяются миллиамперметры и микроамперметр ы, пли г а л ь в ан о-метры.
Па рис. 19 показано условное изображение амперметра и миллиамперметра. Для того чтобы измерять силу тока, нужно
1 * нс. 19, jiouihip oCoiHi именно
II MIU‘|»M('I|)|I И МИЛЛ tin МШ'|)М(’Т|И1
Рис. 20. Включение HMiK'pMOTpa
включить амперметр и разрыв цепи (рис, 20). Измеряемый ток проходит от источника через амперметр и приемник. Стрелка амперметра показывает силу тока в цепи.
В технике встречаются очень большие силы тока (тысячи ампер) и очень маленькие (миллионные доли ампера). Например, сила тока электрической плитки примерно 4—5 а, электрической осветительной лампы от 0,3 до 4 а (и больше). Ток, проходящий через фотоэлементы, применяющиеся в звуковом кино, составляет всего несколько микроампер; в главных проводах подстанций, дающих электроэнергию для трамвайной сети, сила тока достигнет тысяч ампер.
Определение роди тока. В электротехнике встречаются три рода электрического токи: постоянный, переменный и пульсирующий.
Электрический ток, который не изменпотти с точением времени пи по величине, ни но iiuiipuBHcimto, нвзынается и о с т о я и и ы м т о к о м.
Электрический ток, величина и направленно которшо изменяются с течением времени, ihi:ii>iihh“ti п и в р о м о н н ы м т о к о м.
Электрический ток, величина которого измеппется, то увеличиваясь, то уменьшиш ь, и Я1111раплгп||в по измениется, называется и у л ь с и р у ю щ и м । о к о м.
В этой главе мы будем рассматривать законы постоянного тока.
Для того чтобы определить род nihil i> loin, моя.по проделать одни из следующих опывш.
Рис. 21. Определение рода тока с помощью соленой воды:
а — постоянный тон; б — переменный ток
а 6
Рне. 22. Определение роди тока е помощью картофеля;
а - iiiicToiiiiiu.iii тощ б — переменный юн
2!)
Опыт с соленой водой, В стакан с водой всыпать немного соли (половину чайной ложки) и хорошо размешать. Взяв два проводника с зачищенными концами, включить один из них непосредственно в сеть, а другой через электрическую лампу небольшой мощности (рис. 21). Свободные концы проводников опустить в стакан с соленой водой.
Если в сети постоянный ток (рис. 21,а), то вокруг одного из проводников будут обильно выделяться пузырьки газа; вокруг другого проводника выделение пузырьков газа будет еле заметным.
Проводник, вокруг которого газ выделяется обильно, соединен с отрицательным зажимом сети, а другой — с положительным.
Если в сети переменный ток (рис. 21,6), то около обоих проводников будет еле заметное (одинаковое) выделение пузырьков газа.
Опыт с картофелем. Этот опыт отличается от предыдущего тем, что концы проводников опускаются не в соленую воду, а и кусок свежесрезанного сырого картофеля (рис. 22).
Если и сети постояiini.iii ток (рис. 22,а), то вокруг одного проводника появляется белая пена (этот проводник соединен с отрицательным зажимом сети); вокруг другого проводника картофель начинает сипеть (этот проводник соединен с положительным зажимом сети).
Если в сети переменный ток (рис. 22,6), то вокруг обоих проводников картофель слегка пенится и немного синеет. Примечание. В обоих опытах электрическая лампа нужна для того, чтобы предохранить сеть от короткого замыкания.
§ а. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Сопротивление. Препятствие, оказываемое проводником прохождению электрического тока, называется о л о к т р и ч е* с ким с о.и р о I и в л о и и о м. Электрическое сопротивление обозначается буквой Н п на схемах изображается, как показано на рис. 23.
Все приемники электрической энергии обладают некоторым электрическим сопротивлением и поэтому на схемах изображаются так же, как сопротивление. Приемники энергии изображаются и другими условными пинками, как, например, электрическая ламин па рис. 24.
Единицей сопротивления яплнотси ом (обозначается ом).
Ом о с т в :> л о к т р и ч е г кое сопротивление м е ж д у д и у м л т о ч к а м я л и и с ii и о го
проводника, и кот о р нм пи и и м о и и ю щ а я с я
разность э л е к т р и ч е с к и X II о т о и ц и а л о в
30
между этими точками в один вольт производит ток силой в один ампер.
При измерении очень больших сопротивлений в технике црименяют вспомогательные единицы — килоом и мегом.
1 килоом (ком) = 1000 = 103 оз<;
1 мегом (мгом) == 1 000 000 ом=10е ом.
Приборы, служащие для измерения сопротивления, называются омметрами. Для измерения очень больших сопротивлений применяются приборы, которые называются меггерами, или мегом
о----wwuwwl-----------°
или
О----VWVVVWWW---------°
Рис. 23. Условное обозначение сопротивления
значение
метрами.
Рис. 24. Электрическая лампа и ее условное обо-
Каждый проводник обладает электрическим сопротивлением. Цпмерппия сопрогиплопия различных проводников показали, •ini 1111,11114111111 илоктричеекого сопротивления проводника зависит от ого длины, площпди поперечного сечения и материала.
Например, для того чтоНы получить сопротивление в 1 ом, можно взять медную проволоку соченном в 1 мм2 н длиной в 57 м или железную проволоку сеченном в 1 мм2 и длиной л 9,5 м.
Чем длиннее проводник (при одном и том же сечении и материале), тем больше его электрическое сопротивление.
Увеличение площади поперечного сечения проводника, наоборот, приводит к уменьшению его сопротивления. Это становится понятным, если сравнить прохождение тока по тонкой и толстой проволоке с протеканием воды по узкой и широкой трубе. Подобно тому, как вода свободнее протекает по широкой трубе, так и электрический ток легче проходит по более толстому проводнику.
Удельное сопротивление. Для того чтобы можно было сравнить сопротивления двух проводников из разных материалов, берутся проводники одинаковых размеров.
Сопротивление проводника длиной в 1 .и, имеющего по всей длине одинаковое сечение в 1 мм2, называется удел ь п ы м со п рот и и л с и в о м. Удельное сопротивление обозначается греческой буквой р (ро).
Для различных материалов величина удельного сопротивления различна, например: для серебра р— 0,0162; для алюми
31
ниевой проволоки 0,027; для железной проволоки 0,12; для медной проволоки 0,0175; для сплава константан 0,50.
Так как сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения, то, зная удельное сопротивление, можно вычислить сопротивление проводника любой длины и сечения по формуле
где 7? — сопротивление проводника и омах; р — удельное ) сопротивление материала проводника; I — длина проводника в метрах; 5 — площадь поперечного сечения в квадратных миллиметрах.
Площадь поперечного сечения проводника всегда можно вычислить, зная его диаметр d, по формуле
3,14 d2
При диаметре 2 мм, например,
3J4 • 4
4
3,14 мм2.
медного про-
Пример 1. Определить сопротивление вода длиной 100 м и диаметром 1,6 мм.
Решение. Определяем сечение провода
„ 3,14d2 3,14-1,62 3,14-2,56 о 2
S — —------= ——=-----------,----- 2 мм*.
4 4 4
Удельное сопротивление меди р =-0,0175.
Сопротивление проводивна
Л- р - ', 0,0175. ’’I0 0,875 ом.
Пример 2. Определить, из какого материала сделан провод, если отрезок его длиной 200 м и сечением 0,5 мм* имеет сопротивление R =48 ом.
Решение. Зная сопротивление, длину и сечение проводника, находим удельное сопротивление. Так как
то отсюда
Таким удельным сопротивлением обладает железная проволока.
32
При м е. р 3. Определить сечение медного провода, который при длине 400 м обладает сопротивлением 9,35 ом.
Решение. Зная длину, сопротивление проводника и удельное сопротивление меди (р =0,0175), находим сечение. Так как
7?=р4, то отсюда
„ pZ 0,0175-400 „ 2
S—-%- = — 0,75 мм.
R 9,35
Опыты показали, что сопротивление проводника зависит от его температуры. Сопротивление металлов при нагревании увеличивается, а сопротивление угля уменьшается. Например, при нагревании меди на 1°С ее сопротивление увеличивается на 0,004 против первоначальной величины, т. е. на 0,4%. Некоторые специальные сплавы почти не изменяют своего сопротивления при нагревании (мапганин, константан, никелин). Эти сплавы применяются для изготовления проволочных сопротивлений, которые должны сохранять постоянную величину.
Проводимость. Величина, обратная сопротивлению проводника, называется проводимостью (обозначается буквой 6'):
Единица проводимое)и нилыппекн ли). Проводимость проводника длиной в 1 лг н сечением и I ммг нпвыпае гея у дол fail о Й проводимостью (обозначается греческой буквой у — гамма).
Удельная проводимость есть величина, обратная удельному сопротивлению:
1 т=7‘
Пример 1. Найти проводимость проводника, сопротивление которого равно 0,5 ом.
Решение. Чтобы найти проводимость, нужно единицу разделить на сопротивление. Проводимость
г 1 1 0 п
G~ И ~0,5~2 М0-
Пример 2. Пайти удельную проводимость меди.
Решение. Удельное сопротивление меди р =0,0175. Удельная проводимость будет равна обратной величине;
г- - 57
р и,О17а~° *
3
ЭлСК1 p<i'l t'XIIIIICU
33
Сравним, какой длины нужно взять медную и константановую проволоку сечением по 0,75 ммй для того, чтобы получить сопротивление 10 ом.
RS ( I \
Длина проволоки 1=~ (из формулы /?=р -yj,
Для меди р=О,О175, поэтому
_ 10-0,75 0,0175
= 428 м.
Для константана р=0,5, поэтому
, 10-0,75 1Г
= М-
Из этого примера видно, что при одинаковом сечении и сопротивлении медную проволоку нужно взять в 28,5 раз длиннее константановой:
1^ _ 428 _
1к ~ 1‘г’ "
Наоборот, при одной и тон жо длине и сечении константановая проволока имеет в 28,5 раза большее сопротивление.
Сплавы сопротивления. Сплавы, имеющие большое удельное сопротивление (сплавы сопротивления), применяются для изготовления спирален электронагревательных приборов, а также для изготовления аппаратов, служащих специально для регулирования сопротивления цепи и называемых реостатами (рис. 25).
Нихромовая проволока
помоглантанооая реотановая проволока
Рис, 25, Применение сплавов сопротивления
Эти сплавы имеют высокую температуру плавления, и их удельное сопротивление почти но нзменнетсп при изменениях температуры. К таким сплавам опии и н н ппколип, манганин, константан, реотан, нейзильбер, нихром.
Сплавы,, которые содержат глинным образом медь н никель, выдерживают температуру по ui.iiiio ГИИ) С. ('планы никеля с железом н хромом выдерживают торнадо более высокие температуры.
84
В табл. 1 приведены удельные сопротивления различных сплавов и их составы.
Таблица 1
Состав и удельное сопротивление сплавов
Название сплава Уде льне е сопротивление Состав
Николин 0,42 62% меди, 18% никеля и 20% цинка
Манганин 0,43 84% меди, 12% никеля и 4% марганца
Константан 0,50 60% меди, 40% никеля
Реотан 0,47 53,4% меди, 25,3% никеля 16,9% цинка, 4,4% железа
Нейзильбер 0,30 60,6% меди, 25,4% цинка, 14% никеля
Нихром 1,1 62% никеля, 12% хрома, 26% железа
§ 3. НАПРЯЖЕНИЕ
Ki>i дп по пени проходит электрический ток, между любыми ди) мн точками iH'inr иозиикаст разность потенциалов — падении шшряжеппп па диплом участке цепи. Это происходит потому, что при прохождении электрического тока по участку цепи совершается работа по перемещению зарядов, идущая на преодоление сопротивления щюнодпикп.
Рис. 27. Включение вольтметра
Рис. 26. Падение напряжения на участках цепи
Падение напряжения на каждом участке цепи является частью полного напряжения, развиваемого источником тока.
На рис. 26, например, показана цепь, в которой источник развивает напряжение 100 в, на каждом из соединительных проводов имеется падение напряжения по 2 в, а на сопротивлении приемника 9(5 в.
Напряжение па любом участке цепи можно измерить при помощи прибора, который называется в о л ь т м е т р о м.
Зажимы вольтметра соединяются проводниками с теми точками цепи, между которыми необходимо измерить напря
3* 35
жение (рис. 27). Стрелка вольтметра, отклоняясь, указывает величину напряжения. Па схемах вольтметр изображается окружностью с буквой V в середине (рис. 28).
Напомним, что напряжение (f/) измеряется в вольтах (в), а также в более крупных и мелких вспомогательных единицах киловольтах (кв), милливольтах (мв) и микровольтах (жкв).
Рис. 28. Условное обозначение вольтметра
В электротехнике встречаются очень высокие напряжения — до миллиона вольт, и очень малые напряжения — миллионные доли вольта. Напряжение между проводами высоковольтной линии передачи бывает, например, 220 кв и 110 кв; напряжение осветительной сети 127 в и 220 в; напряжение, подаваемое на усилитель от фотоэлемента, 6—20 мв, от микрофона 2,5 мв.
§ 4. ЗАКОН ОМА ДЛИ УЧАСТКА ЦИПИ
Закон Ома. Наблюдения показывают, что сила тока, идущею ио проводнику, пациент от иапрпжеиия на концах этого проводника н от его conpoiинлепия. При этом оказывается, что при увеличении напряжения сила тока тоже увеличивается. Это становится попятным, если вспомнить наш опыт с движением воды под напором, создаваемым разностью уровней (гл. I, рис. 9). Чем больше будет напор, тем быстрее потечет вода. Точво так же при увеличении разности потенциалов через поперечное сечение проводница в секунду будет проходить большее количество электричества, т. е. увеличится сила тока. Если не изменять напряжение па концах проводника, а увеличить его сопротивление (например, заменить толстый провод тонким или медную проволоку константановой), то сила тока уменьшится. Это понятно, так как чем большее сопротивление имеет проводник, тем больше затрудняется перемещение зарядов и тем меньше будет сила тока.
Изучая на опытах зависимость силы тока от напряжения и сопротивления, физик Ом установил закон, по которому сила тока в каждом участке цепи прямо п р о п о р ц и о и а л ь и а и а п р я ж е и и ю на ко п-ц а х этого участка и обратно пропорциональна сопротивлению участка.
Математически закон Ома для участка цепи можно выразить формулой
/
Чтобы по этой формуле iiaiiin делить напряжение н волыпх
Г
It '
силу юкв в имперпх. нужно разни < он ре । и к.iciiiie в омах.
36
Определение силы тока. Пользуясь законом Ома, можно определить силу тока в цепи, ие имея амперметра. Для этого нужно измерить вольтметром напряжение U на известном сопротивлении 7г (по схеме рис. 27). Разделив показания вольтметра в вольтах на величину сопротивления в омах, получим силу тока в амперах.
Приме р. Определить силу тока в цепи (рис. 27), если напряжение, измеренное вольтметром на сопротивлении в 5 ом, оказалось равным 20 в.
Решен и е. По закону Ома сила тока Подстав-
ляем значения U и Л и находим
. 20 .
/=-=- = 4 а.
5
Из формулы закона Ома для участка цепи можно получить (формулу для определения напряжения и формулу для определения сопротивления
U^IR и Я = 4-.
Эти формулы также выражают закон Ома и читаются так: и а и р я ж е и и е на участке цепи равно произведению силы тока па сопротивление и । о । о у ч и с т к а; сопротивление участка п о и и (I и и н о и и п р и ж е н и го на концах этого у ч а с I к и, д в л о п и о м у и а силу то к а.
Отсюда следует, что I и I « I <>м, т. е. вольт есть iiiKoe напряжение, которое и проводнике, имеющем сопротивление в 1 ом, создает ток сплои и 1 а.
Определение напряжения. Формула закона Ома U= IH позволяет определить напряжение в сети или на участке цепи без помощи вольтметра. Для этого нужно включить в цепь амперметр и измерить ток, протекающий через известное сопротивление. Умножив показания амперметра в амперах на величину сопротивления в омах, получим напряжение в вольтах.
Пример. Определить напряжение на зажимах реостата, если амперметр показал силу тока в цепи 5 я, а сопротивление реостата равно 25 ом (рис. 29).
Решено е. Напряжение определяется по формуле U—IR. Отсюда 77=5-25= 125 в.
Определение сопротивления. Закон Ома позволяет также определить величину неизвестного сопротивления, пользуясь двумя приборами — амперметром и вольтметром, которые нужно включить по схеме рис. 30. Разделив показания вольтметра в вольтах па показания амперметра п амперах, получим величину сопротивления в омах.
При м е р /. Определить сопротивление пакалеппой нити газонаполненной лампы типа ВГ-176, если амперметр покааы-
37
вает ток накала 7=11 а и вольтметром измерено папряясение накала 17=2,5 в.
Решение.
-Л);227 ом.
1 11
Следует отметить, что сопротивление холодной пити накала в несколько раз меньше.
Рис. 29. Схема для определения напряжения без вольтметра
Рис. 30. Схема для определения сопротивления при помощи вольтметра и амперметра
П р и м е р 2. Определить, по сколько раз изменится сила тока в цени при неизменном напряжении генератора, если медный провод заменить железным с той же длиной и поперечным сечением.
Р е ш е н и е. Удельное сопротивление меди р — 0,0175, „ ЛО 0,12
а железа 0,12, т. е. удельное сопротивление меди в =6,9 раза меньше, чем железа. Следовательно, при замене медного провода железным сопротивление цепи увеличится в 6,9 раза. Сила тока при атом уменьшится в 6,9 раза.
| 5. ЗАКОН ОМА ДЛИ ИСКИ ЦЕНИ
Рассмотрим простейшую замкнутую алоктричоскую цепь, которая показана на рис. 31. К генератору /' подключен приемник, имеющий сопротивлении Н. Злоктродпижушан сила генератора Е.
Когда цепь генератора разомкнута и он по дает тока, то напряжение па его зажимах равно алектродпижущой силе Е. Если же мы измерим напряженно на зажимах генератора при замкнутой цепи, когда по приемнику, соединительным проводам и ।оператору проходит ток, то ото иаирджспио окажется меньше, чем в. д. с. генераюра.
I)та разница обьясплокн юм, что мантрический ток, проход» внутри генератора, преодолевает сонротиелон ио его проводников, п на пом, как и ни каждом участке инешней цепи, создается падение ианришонин,
38
Сопротивление, которое встречает электрический ток внутри генератора, называется внутренним сопротивлением генератора и обозначается Rt (на схеме рис. 31
внутреннее сопротивление генератора условно для наглядно-
сти показано пунктиром).
Э. д. с. генератора Е расходуется на падение напряжения
во внешней цепи U и на внутреннем сопротивлении генератора.
Обозначим падение напряжения на внутреннем сопротивлении
генератора через иг Э. д. с. равна сумме падений напряжения во внешней цепи и внутри генератора:
E = U-\-Ut.
По закону Ома для участка цепи напряжение U равно произведению силы тока на сопротивление. На рис. 31 сопротивление внешней цепи равно R, следовательно:
U=IR.
Рис. 31. Напряжение на зажимах генератора меньше его э. д. с.
Мы можем применить закон Ома и к внутреннему участку цепи: падение напряжения Uf на внутреннем сопротивлении генератора будет равно произведению сопротивления на силу тока
Ul=IRr
Поэтому
Е = и + и^1П-\ IR,.
Вынесем / за скобки и получим
где R -\-Rt — сумма сопротивления внешней цепи и внутреннего сопротивления генератора, называемая полным сопротивлением цепи.
Отсюда
А_.
R + R, ’
Сила тока равна электродвижущей силе, деленной па полное сопротивление цеп и.
Этот закон называется законом Ома для всей цо пи. Он является одним из основных законов электротехники. Дли усвоения его решим несколько примеров.
Пример 1. Определить э. д. с. генератора, если его внутреннее сопротивление равно 1 о.м и сила тока в цепи приемника, имеющего сопротивление 12 ом, раина 10 а.
30
Решение. По закону Ома для всей цепи Е— I (/+|-/<),
Е = 10(12+1) = 10-13=130 в.
Пример 2. Определить для предыдущей задачи падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и напряжение на его зажимах (т. е. падение напряжения во внешней цепи).
Решение. Применяем закон Ома для участка цепи:
+/=//?/==:10-1 = 10в,
С7 = /Я= 10-12= 120 s.
Проверяем правильность решения. Находим для этого сумму £7 + 1/, = 120+10= 130 в, т. е. задача решена верно, так как сумма падений напряжения U н Ut равна э. д. с.
// р и м < р 3. Напряжение на зажимах юнератора при включении гопротцнлеипя 20 о.м но схеме, изображенной на рис. 31, равно 12.0 в. При отключении этого сопротивления на разомкнутых зажимах генератора напряжение равно 128 в. Определить внутреннее сопротивление генератора.
Реше н и е. Для того чтобы найти внутреннее сопротивление генератора по закону Ома для участка цепи и(=1И(, нужно знать силу тока и внутреннее падение напряжения.
1) Определяем силу тока в пени по закону Ома для участка цепи:
2) Определяем внутреннее падении нипрляичиш:
E~U-\-Ut, отсюда ^=£-67 = 128-120 8 ю
3) Определяем внутреннее < onponiivioiiiK» генератора:
/7, = -^ 1,33 я,и.
Пример /. Определить алокт родипшушую силу генератора, если напряжение ла ж о :<н>впмпх равно Ч и при включении приемника с loiipoiBii.ieiiiieM 4 w.ti. Biiyipennvo сопротивление генератора 0,3 ел.
40
Решение. Э. д. с. генератора может быть найдена из формулы, выражающей закон Ома для всей цепи:
Е~1 (/?+/?,).
Для этого определим сначала силу тока в цепи, пользуясь законом Ома для участка цепи:
Теперь определяем э. д. с. генератора:
Е = 1 (/?+7?/)=2(4+0,5)=9в.
Пример 5. Каким должно быть сопротивление приемника, чтобы при питании от генератора с э. д. с. 80 в и внутренним сопротивлением 0,5 ом получить силу тока в цепи 8 а.
Решение. По закону Ома для всей цепи:
£=/(/?4-Я,).
Найдем отсюда /?; для этого раскроем скобки:
Err.lH+lRt
и перенесем член lRt в левую чшть:
E-lR^IR,
откуда
§ 6. РАБОТА И МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Работа. При прохождении электрического тока по проводнику в нем выделяется тепло, являющееся одним из видов энергии. Тепло выделяется всегда, когда затрачивается энергия, т. е. производится работа. Следовательно, ври прохождении электрического тока по пр о-в о д п и к у со в о р hi а е т с я работ а.
Мы ужо .чипом, что генератор создает электрическую энергию, которая затрачивается на преодоление внутреннего п внешнего сопротивления пени.
Можно определить, какую по величине работу совершает электрический ток, идущий по проводнику. Вспомним, что
41
напряжение численно равно работе, затрачиваемой при перемещении единицы положительного заряда из одной точки цепи в другую. При перемещении заряда q будет совершена в q раз большая работа; значит, работа равна произведению напряжения на заряд. Обозначим работу электрического тока буквой А. Тогда можно написать, что A=q[7.
Обычно в цепи измеряют силу тока, а не количество электричества. Поэтому для вычисления работы электричества удобнее пользоваться другой формулой, в которой количество электричества q выражено через произведение силы тока на время (q = It):
A—Uh.
Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна напряжению на этом участке, силе тока и времени действия тока.
Практической единицей работы является джоуль (дж).
Чтобы вычислить работу электрического тока в джоулях, нужно выразить пвиряжеппо в вольтах, силу тока в амперах и время и секундах.
// р и м е р. Определить работу электрического тока в приемнике, сонортаемую за 5 мин., если напряжение на нем 100 в и сила тока 3 а.
Решение. Время 5 мин. выражаем в секундах:
£ = 5-60 = 300 сек.
Работа A=UIt= 100-3-300=90 000 дж.
Пользуясь законом Ома, можно выразить работу через силу тока и сопротивление пли через напряжение и сопротивление. Тогда получим еще две формулы дли вычисления работы:
1) 'Гак как I/ III, то Л Hit I НИ ~ Г’Нц /I Г1 lit.
2) I — У-поэтому А UIt-~U t -'н I;
. U2
А~ R t.
При .и е р 1. Определить работу, зипя, ч то l*»2 a, R — 3 ом, 2=5 сек.
Решение. Применяем формулу Л •*</г77/=22-3-5= = 60 дж.
П ример 2. На приемнике сопротивлением 50 ом напряжение 20 в. II анти работу тока за время I- 10 сок.
Решение. 11рпмением формулу
10 • НО </.»/<-.
Мощность. Мощностью электрического тока называется работа, совершаемая током в одну секунду. Для того чтобы вычислить мощность, нужно работу разделить на число секунд, (т. е. на время t), в течение которого она совершалась. Мощность обозначается буквой Р.
Р=~. t
Если выразить работу в джоулях, а время в секундах, то мощность получится в практических единицах.
Единица мощности называется ватт (обозначается вт).
1 ватт= *-джоуль ,
1 секунду
Мы знаем три формулы для вычисления работы электрического тока. Если в каждой из этих формул правую часть разделить на время t, то мы получим три формулы для вычисления мощности:
1) P=A. = £I1==UP, ' t t ’
P=UI.
M (I щ и » ! г г. электрического тока равна п романе д о н и ю напряжения насилу ток а.
2) /А=А= /2//;
' t i
P=PR.
Мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление.
п_ А .
r i Rt ~~ R ’
Мощность равна квадрату напряжения, деленному на сопротивление.
Во всех трех формулах мощность получается в ваттах, если напряжение выражать в вольтах, силу тока в амперах, а сопротивление в омах.
Если и формуле P—UI напряжение U—i в, сила тока 7 = 1 а, то мощность Р — 1 вт.
Следовательно, 1 вт=\ вх! а.
Ватт есть мощность поизмспяющегося электрического тока силой в 1 а при напряжении u 1 а.
<53
Для измерения очень больших и очень малых мощностей применяются вспомогательные единицы: гектоватт {гвт), киловатт (кет), мегаватт {мгвт), милливатт {мет).
1 гектоватт (сет) = 100 в/>» — 10'2 пт;
1 киловатт (квт) = 1000 «;»= 1():‘ пт;
1 мегаватт (мгвт) = 1 000 000 «а/. = 10(| пт.;
1 милливатт (з«вт) = 0,001 ««/. = 10 3 пт.
Измерение мощности. Прибор для измерения мощности называется ваттметром. Изображение ваттметра на схемах показано на рис. 32.
Рис. 32. Условное обозначение ватт-
метра
или
Если пет ваттметра, то мощность постоянного тока можно определить по показаниям амперметра и вольтметра, включенным по схеме рис. 30.
Перемножив показания амперметра в амперах и вольтметра в вольтах, вычислим величину мощности в ваттах.
Пример 1. Через электрическую плитку проходит ток 4 а при напряжении 127 в. Определить мощность плитки по показаниям амперметра и вольтметра.
Реше и и е. Применяем формулу Р~ UI—127-4 = 508 вт, т. е. мощность вычислим, неремножпв показания амперметра и вольтметра.
// р и м е р 2. Злоктрпчрсьпя лампа мощностью 150 вт включена в сеть с напряжением 127 «. Каков ток проходит через лампу? Какой ток проходит через лампу мощностью 150 вт, рассчитанную па питание от coni 220 «?
Р е ги е н lie. Определяем ток, проходящий через первую лампу, по формуле P—UI, откуда
По этой же формуле найдем ток, проходящий через вторую лампу:
Следовательно, при одной и той же мощности через лампу, рассчитанную на более высокое 1Н1прнженш', проходит меньший ток.
44
Пример 3. Какое сопротивление должна иметь раскаленная нить лампы, чтобы при работе от сети 127 в она имела мощность 40 em?
и2
Решение. По формуле P~-r находим
о U2 1272
R = = 400 ом.
Р 40
77 р и м ер 4. Определить мощность электрического паяльника, рассчитанного на силу тока 5 а при сопротивлении 2,4 ом.
Решение. Мощность равна Р= PR.
Подставляем значения I и R:
7> = 52-2,4=25-2,4=60 вт.
Вспомогательные единицы работы. Мы знаем, что работа (или энергия) электрического тока измеряется в джоулях, . 1 дж
а мощность в ваттах, причем 1 вт = ^ — .
Отсюда 1 дж—1 втХ1 сек. (1 дж=1 вт-с). Поэтому джоуль иногда называют ватт-секундой (обозначается вт-с).
В практике применяются более крупные вспомогательные единицы электрической энергии: ватт-час, гектоватт-час, кило-иат г 'ini’, мегаватт-час.
I null 'inc С'111 -'ПИМ) ww-<? = 3600 дж = 3,6-103 дж;
1 ri-Kioiun i ни- (.uni ч) 100 <пп.-ч = 3,6• 105 вт-с — 3,6• 105 дж;
1 киловатт мне (i.iiin ч) ЮПИ пш ч 3,1>-10° вт-с — 3,6 10е дж;
1 мегаватт-чпс (м.'»ш ч) I 1)1)01)1)0 ш ч 3,6-Ю1' ит-с= = 3,6-10" дж.
Расход электрической эпоргпп измеряется приборами, которые называются счетчиками электрической
Рис. 33. Показания счетчика: 567, 14 нвт-ч
эпо р г и и. Цифры п окис счетчика (рис. 33) показывают израсходованную электроэнергию и гектоватт-часах пли киловатт-часах. Чтобы определить расход энергии за некоторый промежуток ирг!\рчн1, нужно из показаний счетчика в конце этого промежутка вычесть показания счетчика в начальный момент времени;
45
§ 7. ЗАКОН ЛЕНЦА И ДЖОУЛЯ
Тепловое действие тока, с которым мы познакомились в первой главе, являясь примером превращения электрической энергии в тепловую, имеет большое применение в технике и в быту. Если проделать несколько опытов, пропуская через один и тот же проводник электрический ток различной силы, то окажется, что при большей силе тока проводник нагревается сильнее. Например, при увеличении силы тока в два раза в проводнике выделяется в четыре раза большее количество тепла. При очень большом увеличении силы тока проводник может даже расплавиться. Если изменять сопротивление проводника при одной и той же силе тока, то с увеличением сопротивления количество тепла увеличивается во столько же раз. Кроме того, чем дольше пропускать ток, тем большее количество тепла выделяется в проводнике.
Эти опыты показывают, что количество тепла, точно так же как работа (или энергия) электрического тока, зависит от силы тока, сопротивления и времени.
Русский ученый Ленц и англичанин Джоуль, изучая тепловое действие тока, нашли, что электрическая энергия в 1 дж при полном преобразовании в тепловую энергию дает 0,24 калории (калория — это единица измерения тепла; 1 калория (1 кал) это такое количество тепла, которое нужно, чтобы нагреть 1 г воды па 1°С).
Полное количество тепла в проводнике при прохождении тока будет во столько раз больше 0,24 кал, сколько джоулей электрической энергии затрачено. Обозначим количество тепла буквой Q.
Мы знаем, что энергия (пли работа) равна Значит,
количество выделеиио1о тепла
Q 0,24 Pill.
Эта формула называется з а к о я о м Л о я на и Джоуля и читается так:
Количество т о п л а, в ы д е л я о м о г о в проводнике электрическим током, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Если в этой формуле подставить силу тока и амперах, сопротивление в омах и время в секундах, то количество тепла будет выражено в калориях (иногда их называют малыми калориями).
Коэфпциент пропорциональное th o.'.'.'i покалывает, какое количество тепла выделяет в I сек. ток < плои в t а, проходя по проводнику с сопротивлением н 1 mi.
46
Пример 1. Определить, какое количество тепла выделится током в проводнике сопротивлением 5 ом в течение 3 мин., если сила тока равна 2 а.
Решение, По закону Ленца и Джоуля Q=0,2АПН1. По условию задачи 1=2 a; R — 5 ом; 1=3 мин.=3-60 сек.= = 180 сек.
Вычисляем количество тепла:
<2=0,24-22-5-180=864 кал.
Пример 2. Электрический паяльник рассчитан на напряжение 12 в при токе 5 а. Определить, сколько тепла выделит паяльник за 30 мин. работы.
Решение.
1) По закону Ома определяем сопротивление паяльника:
D U 12 о . 1 о
2) Подсчитываем время в секундах: 1=30 мин.=30-60 сек.= = 1800 сек.
3) Определяем количество тепла:
<2=0,24 /2/?1=0,24-52-2,4-1800=25 920 кал.
II р и м е р 3. Осветительная лампа мощностью 100 вт горела 5 час. Определить количество тепла, выделившегося в окружающее пространство.
Решение. Зная мощность лампы Р н время t, в точение которого она горела, можно вычислить работу электрического тока:
М-
отсюда
A = />1=100-5-3600=1 800 000 дж
(время I подставляем в секундах: 1=5-3600=18 000 сек.).
Один джоуль электрической энергии, превращаясь в тепло, дает 0,24 кал. Значит, <2=0,24 Л=0,24-1 800 000= 432 000 кал.
П р и А е р 4. На нагрев воды в электрическом чайнике затрачено 86 400 кал. Определить расход электрической энергии.
Решение. Один джоуль дает 0,24 кал. Определяем, сколько джоулей затрачено на нагрев:
<2 = 0,24 А.
Отсюда
4==<J? = = 360 000 дж.
0,24 0,24
Превратим джоули в ватт-часы. Для этого количество джоулей разделим на 3600:
Л = 360 000дж~ вт-ч 100 вт-ч= 1гвт-ч.
зьоо
На нагревание воды был затрачен 1 свт-ч электроэнергии.
ЗАДАЧИ ДЛЯ УПРАЖНЕНИЙ'
1. Определить сопротивление медного проводи длиной 1 км и поперечным сечением 2,5 мм. 2.
Ответ: 7 ом.
2. Как изменится сопротивление линии, если провод сечением 1 mms заменить проводом 4 мм-, а длина и материал провода в обоих случаях одинаковы'?
3. Какой длины должна быть выбрана никелиновая проволока сечением 1 .м.и2, чтобы изготовить реостат на 50 ом?
О т в е т: 119 л/ .
4. Определить сопротивление нити накала радиолампы 6Ж7, если амперметр в цепи накала покапал силу тока (1,3 а, а напряженно накала равно 6,3 а.
О т. в е т: 21 ом.
5. Как изменится сила тока а приемнике, сели напряжение на нем уменьшится в 1,5 разу, к сопротивление его уменьшится в 4,5 раза?
Ответ.: упелнчнтеи о 3 раза.
(>. Э. д. с. источника тока В в, внутреннее сопротивление 0,5 ом, внешнее сопротивление 11,5 ом. Определить силу тока, напряжение на зажимах источника и падение напряжения внутри источника.
Ответ: 0,5 а; 5,75 в; 0,25 в.
Определить внутреннее сопротивление источника, если его э. д. с. 6 в, напряжение на зажимах 5,6 в, а сила тока и цени 0,2 а.
Ответ: 2 ом.
8. На рис. 34 7?=10 в; Н 20 ом, /!д--0,5 ом.
Что покажут амперметр и вольтметр, когда переключатель будет в положениях 1, 2 и ,’Г?
Е=10в
Рис. 34. Схема к задаче № 8
Rj'-lfioM
9. Напряжение источника тока 2,9 в, внутреннее сопротивление 0,5 ом, сопротивление внешней цепи 14,5 ом. Определить силу тока э. д. е. источника и падение напряжения внутри источника.
О т в е т: 0,2 а; 3 в; 0,1 в.
10. Определить, какая энергия была израсходована лампой мощностью 100 вт, если она горела 30 дней по 6 час. и день.
Ответ: 18 квт-ч.
И. Электрический паяльник работал 2.0 мин. и при этом в нем выделилось 43 200 кал тепла. Определить мощно, ть наши.ника,
О т в е т: 100 вт.
48
12. Сила тока, проходящего через электрическую лампу, равна 0,5 а, сопротивление ее нити 400 ом. Определить напряжение на лампе и ее мощность.
О т в е т: 200 в; 100 вт.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ II
1. Что такое сила тока?
2. В каких единицах измеряется сила тока?
3. Что такое электрическое сопротивление и как оно вычисляется?
4. Что принято за единицу сопротивления?
5. Что такое удельное сопротивление? Удельная проводимость?
6. В чем заключается закон Ома для участка цепи? Какие три формулы выражают закон Ома для участка цепи?
7. Как читается закон Ома для всей цепи и какими формулами он выражается?
8. Что такое э. д. с. и внутреннее сопротивление генератора?
9. Чему равно полное сопротивление цепи?
10. Как вычислить работу и мощность электрического тока?
11. В каких единицах измеряются работа и мощность электрического тока?
12. В чем заключается закон Ленца и Джоуля?
4
Электротехника
Г лав a, III
СЛОЖНЫЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 1. СЛОЖНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
До сих пор мы рассматривали простую электрическую цепь, в которой имеется один источник тока и один приемник. Такая цепь не имеет разветвлений, и сила тока в любом ее месте Одинакова. Часто в цепь включается несколько приемников электрической энергии, а иногда и несколько генераторов. Электрическая цепь, в которой имеется несколько приемников или несколько генераторов, называется сложной цепью. В сложной цепи ток .может разветвляться.
На рис. 35 изображена сложная электрическая цепь, состоящая из генератора и трех приемников. Первый приемник имеет сопротивление второй l(t н третий /?3.
Ток I протекает от положительного зажима генератора к точке А. В точке А ток I разветвляется: часть его проходит через первый приемник с сопротивлением Rlt другая часть — ререз второй приемник с сопротивлением R2- Обозначим ток в первом приемнике и ток во втором приемнике /2.
В точке Б токи /х и /2 снова соединяются вместе; в третьем приемнике (7?3) протекает тот же ток, что и в соединительных проводах.
Ток I, протекающий через генератор, называется общим т о к о м. Приемники /i, и в каждый из которых ответвляется часть общего тока, называются ветвями сложной цеп и.
Точки, в которых цепь разветвляется, называются у злами с л о ж н о й цепи. В цепи, изображенной на рис. 35, узлами являются точки А и Б. Узлы прилито обозначать на схемах жирными точками.
Количество электричества, приходящего it узлу и уходящего от него в любой момент времени, одинаково, так как в узлах не может происходить накопление электрических зарядов. Поэтому сумма т о к о в, п р н х о д н щ их к у з л у, равна сумме токов, ух о и щи х от не г о. Это условно называется первым законом Кирхгофа.
Для рассмотренной нами цепи (рис. 35) к узлу А подходит ток /, а уходят токи /х и /2. Значит,
I /»•
50
К узлу Б подходят токи 7, и 1,г, а уходит ток I. Значит,
Л+'2 = /.
П р и м е р. В цепи, изображенной на рис. 36, одним амперметром измерена сила тока одной ветви, равная 3 а; другим амперметром измерена сила тока второй ветви, равная 5 а.
Рис. 35. Сложная электрическая цепь
Рис. 36. Ток в неразветвлеп-ной части цепи равен сумме токов в ветвях
Нужно определить общую силу тока в соединительных проводах.
Решение. По закону Кирхгофа для узла О ток I, приходящий к узлу, равен сумме токов и /2, уходящих от узла:
/ = Д+/2=3+5=8 а.
В более сложной цепи в узле может сходиться несколько токов. Например, на рис. 37 изображен отдельно узел О, в котором сходятся пять токов, причем токи /j и /,3 приходят к узлу, а токи 13, /4 и /3 уходят от него. Это видно по направлениям стрелок, соответствующим направлениям токов. Поэтому можно написать
G“l'^2==G + A + ^5«
§ 2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЕЕ СОЕДИНЕНИЕ
Рассмотрим цепь, состоящую из генератора и трех прием-никоп, соединенных, как показано па рис. 38. Приемники изображены сопротнилониями lllt и 113. Конец первого
4* 51
сопротивления соединен с началом второго, конец второго сопротивления — с началом третьего. Такое соединение называется последовательным. Например, можно последовательно соединить электрические лампы, как показано на рис. 39.
При последовательном соединении приемников цепь не имеет разветвлений, поэтому узлов в цепи пет. Ток нигде не разветвляется, значит, сила тока во всех после-
Рис. 38. Последовательное соединение сопротивлении
Рис. 39. Последовательное соединение ламп
д о в а т е л ь п о соединенны х и р и е м и и к а х одинакова.
Ток сначала проходит через первый приемник и преодолевает его сопротивление Rlt затем он преодолевает сопротивление второго приемника Rs и сопротивление третьего приемника У?3. Поэтому общее сопротивление, которое преодолевает ток, больше, чем-сопротивление отдельного приемника.
Общее’ сопротивление последовательно соединенных приемников равно сумме сопротивлений отдельных п р и е м и и к о в:
R = R1 + R,,+ /?3.
Это станет понятным, если вспомнить, что сопротивление проводника увеличивается с увеличением его длины, а при последовательном ссящииеипи сонротпилении мы как бы увеличиваем длину проэодппка.
Если заменить три Поспеловаic.ti.ho соединенных приемника одним, у которою ( oiipo'Hiii.leiiiie рапио гумме их сопротивлений, то сила тока н пени не и зменннн.
По закону Ома напри;пенне I', ш>дпедс|1пое к нажимам цепи,
52
состоящей из трех последовательно соединенных приемников с общим сопротивлением R, будет равно:
U—IR, по
R = R^R,+R3, поэтому
U = IR = / (R, + Л2+ Л,)= IR, + IRt+ IR3.
Падение напряжения на первом приемнике по закону Ома равно Ur—IRy, на втором приемнике U^-IR^, на третьем приемнике U3—IR3 (напряжение на каждом приемнике прямо пропорционально его сопротивлению). Значит,
C7=C71+C73+CZ3.
При последовательном соединении приемников напряжение па зажимах пени равно сумме падений напряжения на отдельных приемниках.
Это условие является частным случаем второго в а к о на Кирхгофа, по которому сумма э. д, с., действу юш их в замкнутом электрическом контуре (цепи), равна сумме пилений напряжения на сопротивлениях, входящих в этот контур.
Пример. Последовательно соединены три приемника с сопротивлениями Rtr 12 ом, R.t Яна, //,( = 3o.w. Напряжение па зажимах пени U— 120 в.
Определить силу тока в цепи и падение напряжения па каждом приемнике.
Решение. Общее сопротивление трех последовательно соединенных приемников равно сумме их сопротивлений:
Л=7?1+Л24-Я3=12+9+3==2''| ом.
Сила тока в цепи равна приложенному напряжению, деленному па общее сопротивление:
, и 120 _
/ = ^==24- = 5"-
Падение напряжения па первом приемнике
U^lR^b-12=60 в.
Падение напряжения па втором приемнике
//2=/7?2 = Г>.9=45в.
Падение напряжения па третьем приемнике
15 в.
68
Проверяем правильность решения:
f/14-f/24-f/3 = 60+454-15 = 120 в, т. е.
и.+и^и^и.
Сумма падений напряжения на отдельных приемниках равна напряжению, приложенному к цепи; значит, задача решена правильно.
Если последовательно соединено несколько приемников с одинаковым сопротивлением Z?,, то общее сопротивление равно произведению сопротивления одного приемника Пг на число приемников п:
R=nR1,
так как нужно п раз сложить сопротивления 7?t.
Например, последовательно включено 5 сопротивлений по 10 ом каждое. Общее сопротивление 7/--5-1O—50 ом-
Мощность, которую потребляет каждый приемник, можно определить по формулам:
P3=I2R3.
Общая мощность, потребляемая цепью, P=HR.
Сложим мощности, потребляемые каждым приемником:
Р1+Р2+Р3=/% + РТ?2+РЯ3=/2 (/?! + /?,+ 7?3) = /2Я.
Отсюда видно, что общая мощность последовательно соединенных приемников равна сумме м о щ п о с т о и отдельных п р и-е м п и к о в:
Пример. К двум последовательно соединенным сопротивлениям по 50 ом каждое подведено напряжение 220 в. Определить, как изменится напряжение па одном из них, если: а) в цепь включить последовательно третье сопротивление 100 ом или б) заменить второе сопротивление в 50 ом на сопротивление в 5 ом.
Решены е. Общее сопротивление (двух сопротивлений по 50 ом) равно 100 ом. Сила тока в цепи / - - ^=2,2 а.
Напряжение на каждом из сопротивлений
UX=U^IRl=^2,2 -50 -110 «.
54
а) После включения третьего сопротивления общее сопротивление
7?=7?1+7?2+Л3==50+50+Ю0= 200 ом.
Сила тока в цепи
, Z7 __ 220 _ . . д — 200‘" ’
Напряжение на первом и втором сопротивлениях:
С71=?72=/7?1=1,1 50—55 в.
б) Если заменить второе сопротивление на 5 ом, то общее сопротивление
7? = 7?1+/?2=5ОЦ-5-55 ом.
Сила тока r и 220 , I==~R=l>5 = ia-
Напряжение на первом сопротивлении
/7! — /7?1=4 • 50=200 в.
На этом примере видно, что при пключопип еще одного приемника последовательно в цепь па и ря жен не на остальных приемниках уменьшается, так как увеличивается общее сопротивление и уменьшается сила тока в цепи.
Если же общее сопротивление цепи уменьшается, то на приемнике, сопротивление которого не изменилось, напряжение увеличивается, так как увеличивается сила тока в цепи.
Если один приемник выключить, разомкнув цепь выключателем К, то прекращается работа всех остальных приемников, потому что в разомкнутой цепи не пойдет ток (рис. 40).
Отсюда можно сделать вывод, что при последовательном соединении работа каждого приемника зависит от всех остальных. Поэтому последовательное соединение приемников применяется сравнительно редко.
Обычно применяется последовательное соединение приемника и реостата, сопротивление которого можно изменять и этим регулировать силу тока в цепи и напряженно па приемнике.
Амперметр, измеряющий силу тока, включается в цепь последовательно. Так как амперметр тоже обладает сопротивлением, то включение его в цепь увеличивает общее сопротивление. Для того чтобы включение амперметра не уменьшало
55
заметно силу тока в цепи, его сопротивление должно быть очень мало.
Иногда две лампы накаливания, рассчитанные на 110 в каждая, включают последовательно на 220 в. Это можно делать в том случае, если лампы имеют одинаковую мощность, т. е. рассчитаны на одинаковую силу тока, и имеют одинаковые сопротивления.
Тогда при последовательном соединении на обе лампы приходятся одинаковые напряжения, т. е. по 110 в, и каждая из ламп работает нормально.
Теперь посмотрим, что произойдет, если последовательно включить две лампы на 220 в разной мощности (например,
Рис. 40. Выключение одного из приемников прекращает работу других
100 вт и 50 вт). Лампа меньшей мощпостп имеет большее сопротивление, так как опа рассчитана пн меньшую силу тока. Поэтому па эту лампу будет падать значительно больше половины всего напряжения (больше 110 в). В результате проходящий через нее тик превысит номинальную величину, и лампа перегорит.
§ 3. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
Параллельным называется соединенно приемников, при котором все начала сопротинлепий соединяются в одной точке, а копны в другой точке (как показано па рис. 41 и 42).
При параллельном соединении приемники 7?1 и/?2 включены между одними н темя же точками цепи: узлами А и />. Если напряжение между этими точками равно U, то такое же напряжение будет, на каждом из приемников: UY = U2—U. Значит, падение напряжения на всех параллельно включенных приемниках одинаково.
По закону Ома можно написать для первого приемника Ui~I.fl}', для второго приемника
Отсюда, приравнивая правые части уравнений, получим лл пли ;
Токи в в е г в я х обратно пропорпи о-на ль н ы и х с о и р о т и в ,ч о н п п м.
Чем меньше сопротивлении приемника, тем больший ток проходит через него.
50
. К узлу Л можно применить первый закон Кирхгофа — ток I, проходящий к узлу, равен сумме токов, уходящих от узла:
^—Л+^2-
Общий ток, проходящий в цепи до разветвления, равен сумме токов отдельных ветвей.
Найдем общее сопротивление двух параллельно соединенных приемников. Если заменить два параллельно соединенных приемника с сопротивлениями и f{2 одним приемником,
Рис. 41. Параллельное соединение сопротивлений
Рис. 42. Параллельное соединение ламп
I'oiipo। пиление которого то i iijiH общего тока не
1 (орел соиротиплеипо
закону Ома
равно их общему сопротивлению R, изменится.
// будет проходить общий ток 1. По
Токи в ветвях по закону Ома равны:
г и г _ и Hi И * '
Мы знаем, что 1=11-\-/2. Значит,
V _ V и
R ~ /й *
После сокращения левой и правой частей уравнения па U получим 1 _ 1 1
Величина, Обратная сопротивлению, является проводимостью. Общая проводимость
Б7
Проводимости ветвей г 1 г 1 и °2="Я7’ следовательно,
G=G1-f-Ga.
Общая проводимость параллельно соединенных приемников равна сумме проводимостей отдельных приемников.
Мы рассмотрели включение только двух приемников, но сколько бы приемников мы ни включили параллельно, напряжение на них будет одинаковое, общий ток равен сумме токов отдельных ветвей и общая проводимость равна сумме проводимостей всех ветвей.
Рис. 43. При параллельном соединении напряжение па всех приемниках одинаково
Например, при соединении пяти ламп накаливания параллельно (рис. 43) общий ток будет равен:
I =
а общая проводимость будет равна:
R Bi R, li, Hr,
При параллельном е о е дин е н и п общее сопротивление меньше самого малого отдельно г о сон р о т и в л е и и я. Это понятно, так как при таком соединении происходит увеличение общей площади поперечного сечения, по которому протекает ток.
Если взять, например, пять одинаковых сопротивлений по 20 ом и соединить их параллельно, то общее сопротивление будет:
1 1 1 , 1 1 , 1 ТГ~ 20 + 20 + 20 ' 20 + 2(4 или
5 ~~ 20 ’
откуда п -() /
11 -- - - - I ОМ,
т. е. общее сопротивление получилось в пять раз меньше отдельного сопротивления, потому что гок пошел одновременно по пяти ветвям.
58
Если включить параллельно п одинаковых сопротивлений, то общее сопротивление будет в п раз меньше каждого из них:
А п
7?=
Найдем общее сопротивление двух параллельно соединенных приемников с разными сопротивлениями R1^=Ri. Мы 111
знаем, что-5-=-б-+-5-. Приводим правую часть к общему XI /l]_ £1%
знаменателю:
1 + Rg
отсюда ф
г> RiR*
Rt + R2 ’
Общее сопротивление двух параллельных ветвей равно произведению сопротивлений этих ветвей, деленному на их сумму.
// /) и лг е [I 7. Найти общее сопротивление и общий ток, если три приемника с сопротивлениями 10, 12 и 20 ом включены параллельно на напряжение 120 в.
1> е ш е н и е. Находим общую проводимость:
1 __ 1 । 1 , 11,1.1 11
~В ’’ ТЙ7 + ~яГ + Тя? То’ + 12 + 20’ 60 •
Общее сопротивление 7?=|^=4,29 ом.
Находим ток в каждой ветви:
U 120 _1А
В, ~ 12 10 а>
Общий ток / — /14-/а4-/3= 12-|-104-6=28 а,
Проверяем правильность решения по формуле
v _ 120 _оя „
2 — J{— 4(2а — 28 а.
69
Задача решена правильно, так как найденное значение общего тока, как суммы токов и ветвях, подтвердилось при проверке по закону Ома.
Пример 2. Дна сопротивления по 10 ом включены параллельно. Чему равно общее сопротивление?
Решено е. Общее сопротивление 1{~-^ —- 5 ом, т. е.
в два раза меньше каждого сопротивления.
Найдем мощность каждого приемника и общую мощность в схеме, изображенной па рис. 41.
Мощность первого приемника
Мощность второго приемника
Общая мощность
Сложим мощности первого и второго приемников и вынесем U2 за скобку;
но 1,1 1 ‘я, + /Г, Н
Поэтому !> л /> -.
или
Как и при последовательном соединении приемников, общая мощность параллельно соединенных приемников равна сумме мощностей отдельных п р п е м и и к о в.
Пример. Па напряжение 220 в включены параллельно две лампы (рис. 44) мощностью 50 вт и 100 вт.
а) Определить общую мощность, расходуемую в цепи, общий ток и ток, проходящий через каждую лампу.
б) Как изменятся псе эти целнчины, е<лп включить параллельно третью лампу мощностью вт.
СО
Решение.
а) Общая мощность
Р=Р1+Рг=50+100=150 вт.
Общий ток
/ = -|г = ~=0,684«.
Рис. 44. Включение или отключение одного из приемников не прерывает работы других
Ток в первой лампе
'.=T77 = £-o-228“-
Ток во второй лампе
Г Л 100 Л / Ей /2 = 77Г^ 220 = °’!56а-
Проверяем правильность решения:
I ( | /.. 0,228-|-0,456 = 0,684 а, т. е. /1 + /2=/.
б) Включим трепло лампу мощностью Р.,= 15() вт и найдем общую мощность:
Р = Рх+ Р2+ Р3= 50+100+150= 300 вт.
Общий ток
, Р ЗОЭ . пда
{— U ~ 220~1,068 а‘
Ток в первой лампе
Ток во второй лампе
, Рг 100 п /гя
/2=V^220^°,4t’6 °'
Ток в третьей лампе
7 ‘ (. 225 = 0,68 1 (l-
(дмма токов
1 г| /.,-|-/3 - 0,228 + 0/i56-| 0,684 = 1,3,68 а, т. е.
Л| I.- I.
11 м I J
01
На этом примере видно, что при включении параллельно еще одного приемника ток источника и общая мощность, рас? ходуемая в приемниках, увеличились.
Напряжение и ток первых двух приемников не изменились, а значит, не изменилась и потребляемая ими мощность.
Отсюда можно сделать очень важный вывод, что при параллельном соединении работа одного приемника не зависит от работы других приемников*.
Поэтому приемники обычно соединяются параллельно.
Мы говорили раньше, что для измерения напряжения между двумя точками цепи к ним присоединяется вольтметр без разрыва цепи, т. е. вольтметр включается параллельно приемнику. При этом через вольтметр проходит ток, и общий ток увеличивается. Через вольтметр должен проходить небольшой ток для того, чтобы его включение не увеличивало заметно ток в цепи. Значит, вольтметр должен иметь очень большое сопротивление, так как чем больше сопротивление ветви, тем меньший ток в нее ответвляется.
Амперметр пн в коем случае нельзя включать параллельно приемнику, так как он имеет небольшое сопротивление и через него пройдет очень большой ток, а это приведет к порче прибора.
§ 4. СМЕШАННОЕ СОЕДИНЕНИЕ
Смешанным называется соединение приемников, при котором одна часть из них включается последовательно, а другая параллельно (рис. 45,«).
Для определения общего сопротивления такой цепи нужно сначала найти общее сопротивление параллельно соединенных приемников, а затем ужо сложить его с сопротивлениями последовательно включенных приемников.
Решим два примера.
Прим е р 1. Дапо смешанное соединение четырех приемников, как показано па рис. 45,а: /^=11,25 ом; 7/а = 75 ом; 7?3=25 ом; Т?4=10 ом. Найти общее сопротивление и силу тока в каждом приемнике, если к цепи подведено напряжение U— = 120 в.
Решение. Находим общее сопротивление для двух параллельно включенных приемников /(2 в Н3:
75-25 75.25 -г
R 7г., 75-1-25 — " 1(Н>
* Нужно только помнись, что для этого генератор должен иметь очень большую мощность, тогда при ш.'.ночсчнш и выключении отдельных приемников напряжение па ею зажимах почти ни будет измениться.
62
Теперь* можно упростить схему, заменив сопротивления П2 и R3 одним сопротивлением R', как показано на рис. 45,б.
Общее сопротивление цепи R =R1-irR' +Т?4= 11,25 4-18,75 4-4-10=40 ом, общий ток цепи а. Этот ток прохо-
дит через приемники Rr и Ri . Значит,
71=/4=Z=3a.
Нужно еще определить токи /2 и /3, проходящие через приемники /?а и R3. Для этого определим напряжение между точками АпВ, равное U'.
Рис. 45. Смешанное соединение сопротивлений
По закону Ома U' — IR* (из схемы рис. 45,5):
U' =-3.1Н.75 ^56,25/;; U.=U4=U' = 56,25 в. ' ’ ’ А о ’
Теперь определяем силу токи ио втором приемнике:
v U з 56,2о л ст г
лГ = -75-=0>75 а‘
Ток в третьем приемнике
/ — Ра — 56,25 _2 25 а i3— — 25 —Z.Z0 а.
Проверяем правильность решения, пользуясь законом Кирхгофа для узла А:
1 = 72+Z3=0,75-J-2,25 = 3 а,
tr. е.
724-/3=/.
Пример 2. Пайти общее сопротивление четырех приемников по 10 ом каждый, соединенных смешанно, как показано на рис. 46, а. Определить силу тока в каждом приемнике и потребляемую ими мощность, если они включены на напряжение 20 в.
03
Решение. Сопротивление двух приемников-по 10 ом, включенных параллельно, равно половине сопротивления одного приемника, т. е.
Упрощенная схема показана на рис. 4G,б, где каждая пара параллельно соединенных сопротивлении заменена сопротивлением IV = 5 ом. Общее сопротивление Н 2Л'=2-5=Ю ом, т. е. при таком смешанном соединении четырех одинаковых
Рис. 46. Пример cMeiiuiliiiol о соединении приемниноп
приемников общее сопротивление равно сопротивлению одного приемника.
Такое соединение применяется иногда для включения четырех громкоговорителей на выход усилителя.
Найдем общую силу тока:
, I/ 20 о
' ~ и)~2а'
('ила тока в каждом приемнике
12 = 13~ 1 В!,
так как общий ток разветвляется в два приемника с одинаковыми сопротивлениями и ток в каждом из них будет равен половине общего тока.
Мощность каждого приемника
/'4
Общая мощность
' IP 202 400 .п
/=-^ = -io-^-Kr=4Ofim-
Общая мощность равна сумме мощностей отдельных приемников: Р=4Р1, так как и при параллельном и при последовательном соединении мощности отдельных приемников складываются.
И 5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
1(оследонательное соединение. Часто применяется не только последовательное соединение приемников, по и последовательное соединенно ш гочппкоп токи. Например, гальванические Вломонты соединяются последонптс.п.по и батареи. При после-64
довательном соединении источников положительный зажим первого из них соединяется с отрицательным зажимом второго, а положительный зажим второго—с отрицательным зажимом третьего и т. д. Такое соединение гальванических элементов показано на рис. 47.
Крайние зажимы первого и последнего элементов являются зажимами батареи. На схемах батарея гальванических эле-
Рис. 47. Последовательное соединение гальванических элементов
ментов изображается условно без соединений элементов внутри батареи (рис. 48).
При таком последовательном соединении источников их электродвижущие силы складываются, так как они направлены в одну сторону.
Рис. 48. Условное обозначе- ___4~ I I I I I I ~___
пне батареи элементов rrrrl’r
Соединим последова leni.no п одинаковых элементов с электродвижущей сплой /, и пну трен ним сопротивлением 7?,. •’>. д. с. батареи будет н и рал больше э. д. е. каждого элемента, так как э. д. с. отдельных элементов складывнютен:
Е6а!П = пЕ.
Внутренние сопротивления источников при последовательном соединении тоже складываются, так как электрический ток проходит последовательно через все источники и преодолевает их сопротивления. Поэтому внутреннее сопротивление батареи, состоящей из одинаковых элементов,
'-йт~пЕ-г
Сила тока в цепи батареи, к которой подключен приемник с сопротивлением 11, определяется по закону Ома для всей цепи:
Пример. Найти силу тока в цепи, если к батарее, состоящей из 10 последовательно соединенных элементов, с э. д. с. 1,4 в и внутренним сопротивлением 0,5 ом каждый, подключен приемник, имеющий сопротивление 23 ом.
б Элек гротехиикн
65
Решение. По закону Ома для всей цепи находим для батареи элементов:
I— пЕ _ Ю-1,4 __ 14
1 ~~ BAnRi ~ 23 + 10-0,5 ~ 28 Г,а Я-
Параллельное соединение источников. Параллельным называется соединение источников тока, при котором все положительные зажимы соединяются вместе, образуя обилий положи-
Рис. 49. Параллельное соединение гальванических элементов
тельный зажим батареи. Все отрицательные зажимы также соединяются вместо и образуют отрицательный зажим батареи.
Параллельно соединяются только одинаковые источники (имеющие одинаковые д. с. н одинаковые внутренние сопротивления).
Рассмотрим цепь, в которой к батарее из п одинаковых соединенных параллельно источников присоединен приемник с сопротивлением Н (рис. 49),
Электродвижущая сила батареи равна электродвижущей силе одного элемента:
Е бат = Е ‘
Внутреннее сопротивление батареи будет в и. раз меньше внутреннего сопротивлении одного элемента, так как элементы и их сопротивления включены параллельно:
н 111
<кип ,, ’
С.ила тока во внешней цени по закону Ома
R +— п
Пример. Пять элементов соединены параллельно. Э. д. с. каждого элемента 1,4 в, внутреннее сопротивление 0,5 ом. Сопротивление приемника 2 ом. Вайти силу тока в цепи.
Решена е. Сила тока в цепи но закону Ома для всей цепи
п .)
66
Из сравнения параллельного и последовательного соединения источников видно, что при последовательном соединении источников у в е л и ч и-в а е т с. я я. д. с. б а т а р е и, н о растет и в п у т-репное ее сопротивление; при параллельном соединении э. д. с, батареи п о изменяется, но внутреннее сопротивление е е уменьшается.
Иовтому последовательное соединение источников применяется тогда, когда э. д. с. одного, источника недостаточна.
Параллельное соединение источников применяется тогда, когда э. д. с. источника имеет требуемую величину, но один источник не может длительно отдавать ток, необходимый для нормальной работы приемника.
Иногда применяется смешанное соединение источников.
ЗАДАЧИ ДЛЯ УПРАЖНЕНИЯ
I. Три приемника соединены последовательно в цепь. Сопротивлении приемников: 7?1=6 ом, ом, 7?3=2 ом. Напряжение на зажимах источника, питающего цепь, 120 в. Найти общее сопротивление, силу токи и падение напряжения в каждом приемнике.
О т « <• н>: И — 12 ом; I =10 a; Z71=60 в; U2 — 40 в; £/3=20 в.
2. lloi-,iie;|oii;)Te.iii,no с нитью накала электронной лампы включен |нч|< ini (pm .’ill). Напряжение на зажимах цепи 9 в. Определить сопро-
1’ис. ,г>0. Схема к задаче JV? 2
топление Д реостата, если ток накала 2 а, а напряжение накала нити должно быть 5 в. Определить сопротивление Я2 нити накала лампы.
Ошве т: Д = 2 ом; Д —2,5 ом.
3. В цепь включены последовательно два сопротивления: 1^=14 ом и /?2=6 ом, через которые проходит ток 7=6 а. Определить напряжение па зажимах цепи и падение напряжения па каждом сопротивлении.
Определить ток, который будет проходить через эти сопротивления, и падения напряжения на них, если в цепь последовательно включить третье сопротивление /?3—4 ом.
Ответ; {/—120 в; О, —84 в; Т/2=36 в. После включения третьего сопротивления 7=5 а; 1/1~70 в; (У2=30 в.
4. Ток от источника I/ — 24 в проходит через два параллельно включенных сопротивления. Определить общее сопротивление, силу тока в цени и в каждом из сопротивлений, если: 1) R,= 4 ом-, К,- 6 ом; 2) Д--20 ом, 7?2=12 ом; 3) /{р-120 ом, Д--КО ом.
О т в е т:
1) Я=2,4 ом, I 10 а, /, (> о, /., 4 о;
2) Я=7,5 ом, ! 3,2 «, /, 1,2 о, 2 о;
3) Я=40 ом, / О,В л, /р 0,2 о, l\ 0,4 а-
В
67
• 5. Пять ламп, рассчитанных на напряжение 120 в мощностью 40 вт каждая, включены параллельно. Затем две лампы выключили. Определить в обоих случаях общее сопротивление цепи, общую силу тока и силу токаа 8 каждой лампе.
Ответ:
1) 77=72 ом, 7=1,66 а, /1=0,33 а;
2) 77=120 ом, 7=1 а, 7j = 0,33 а.
Рис. 51. Схема к авдачо .'№ ч
Риг. 52. Схема к задаче Л" 9
6. К источнику с пи11ряжением 12<> « присоединены параллельно дне плитки. Череи одну ил них проходит ток 4 а, через другую 5 а. Определить сопротивление каждой плитки, общее сопротивление и мощность обеих плиток.
О т в е in: /?1 = 30 ом; 773=24 ом; 77=13,3 ом; Р=1,08 кет.
7. Сколько ламп по 150" вт нужно включить на напряжение 120 в, чтобы получить общее сопротивление 8 ом?
Ответ: 12 ламп.
8. Определить общее сопротивление пеип (рис. 51), если 7?, = 20 ом, 772=80 ом, R3=2i ом.
Ответ: R=40 ом.
9. Шесть приемников но 10 ом кажд|,п"| включены смешанно, как показано па рис. 52. Напряжение ж точпика 25 в. Определить общее сопротивление, силу тока н каждом приемнике и падение напряжения па приемнике.
U=120 в
о-
Я= б ом Я = 45ом
Рис. 53. Схема к задаче Л» 10
о
О те с т: 77=15 ом; 71 = 0,83 а; I!8,33 и
10. Определить общее сопротивление цени (рис. 53), токи в каждом сопротивлении и падение нпнрпжсннп на них, если ппвестпо, что 7^ = 6 ом, R, = W ом, RS=M> ом, R, 15 о.в, U 120 а.
Ответ: 77=30 им; /, 1 и; 2,1 о; I., I, l,(i a; U ,=24 в;
Р2 = 96 в; 773=72 в; 774=21 «.
11. Десять гальванических а.теменюв включены последовательно; э. д. с. каждого элемента 1,44 и; внутреннее сопротивление 0,4 ом; сопро
68
тивление внешней цени 20 ом. Определить э. д. с., внутреннее сопротивление батареи и силу тока в цепи.
Отое т: Egan=li,4 в; Rigan=i ом; /=0,6 а.
12. Шесть источников с э. д. с. 1,83 в и внутренним сопротивлением 0,6 о.и каждый включены параллельно. Определить э. д. с. и внутреннее сопротивление батареи, а также силу тока в цепи, если внешнее сопротивление 6 ом.
Ответ-. Еgam— 1,83 в; R^ gam=0,ioM; 7=0,3 а.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ ITT
1. Что такое сложная электрическая цепь и узел цепи?
2. Сформулируйте первый закон Кирхгофа.
3. Какое соединение приемников называется последовательным?
4. Чему равно общее сопротивление последовательно соединенных приемников?
5. Чему равна сила тока и как распределяются напряжения на каждом приемнике при последовательном их соединении?
6. Какое соединение приемников называется параллельным?
7. Как определить общее сопротивление параллельно включенных приемников?
8. Как распределяются токи в параллельных ветвях?
9. Зависит ли работа одного приемника от работы других при последовательном соединении; при параллельном соединении?
10. II каких случаях применяются последовательное п параллельное соединении?
II. Кнкое соодипепис приемников называется смешанным?
12 Канон соединение источников тока называется последовательным?
13, Кнкое соодц||<ч1ио источников тока называется параллельным?
14. Чему (шнны д. с. и внутреннее сопротивление батареи при по-следокнтелыюм соединении элементов; при параллельном соединении?
Глава IV
ЭЛЕКТРОПРОВОДКА И МОНТАЖ
§ 1. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ПО ПРОВОДАМ
Общие сведения. Как мы установили, электрическая цепь состоит по меньшей море из трех элементов: генератора, являющегося источником электрической энергии, приемника энергии и проводов, соединяющих генератор и приемник.
Электрические станции зачастую расположены вдали от мест потребления электроэнергии. Па десятки и даже сотни километров между электростанцией и местом потребления энергии протягивается в о з д у ш и а я л и и и я пер е-д а ч и.
Провода линии передачи укрепляются на столбах изоляторами, изготовленными из диэлектрика, чаще всего из фарфора
Рис. 54. Воздушная липин и изолятор
(рис. 54). С помощью воздушных линий, составляющих электрическую сеть, ток подводится к жилым и промышленным зданиям, в которых расположены потребители энергии.
Внутри зданий электрическая проводка выполняется из изолированных медных проводов и называется внутренней электропровод к о й.
7)
При передаче энергии по проводам наблюдается ряд нежелательных явлений, связанных с сопротивлением проводов электрическому току. К этим явлениям относятся потери нпиряжоиия, потери мощности в линии, нагрев проводов.
Нотерн напряжения в линии. При прохождении тока на сопротивлении линии создается падение напряжения. Сопро-•Iпиление линии Ил можно вычислить, если известны длина линии I (в метрах), поперечное сечение провода S (в квадратных миллиметрах) и удельное сопротивление материала провода р:
(в формуле стоит цифра 2, так как нужно учесть оба провода).
Если по линии проходит ток I, то падение напряжения в линии i\U л по закону Ома равно:
ыл=шл.
'Гак как в линии часть напряжения теряется, то в конце линии (па приемнике) оно будет всегда меньшим, чем в начале линии (па зажимах генератора). Уменьшение напряжения на прш'мшшо ап счет падения напряжения в линии может наружны. нормальную работу приемника. Пусть, например, лампы нпйплинн иии пормпльпо |орят при напряжении 100 в и подключены к генератору, дающему напряжение U = 100 в (р|1С. ()(|,«).
Предположим, что липин имеет длину /- 92 м, сечение провода 5=4 мм2 и удельное сопротивление р—-0,0175. Сопротивление линии
о 2Z none 2-92 „„
п =р-7г = 0,0175 —— = 0,8 ом.
л 1 6 4
Если через лампы проходит ток / = 10 а, то падение напряжения в линии составит:
= ю.0,8=8 в.
Следовательно, па лампах напряжение будет меньше напряжения генератора на 8 е:
Ujav,~U ~W=i00--8^2 в.
Лампы будут гореть <: недокалом.
Изменение тока, проходящего через приемники, вызывает изменение падения напряжения и линии, в результате чего меняется и напряжение па приемниках. Пусть в рассмотроп-
71
ном примере отключается одна из ламп, и ток в линии уменьшится до 5 а (рис. 55,6). При этом падение напряжения в линии уменьшится:
AZ7 = IR = 5 0,8=4 в.
На включенной лампе напряжение повысится до ==100 - 4 = 96 е,
что вызовет заметное увеличение ее накала.
Рис. 55. Напряжение и конце линии меньше, чем в начале
Из примера видно, что включение или отключение отдельных приемников вызывает изменение напряжения на других приемниках за счет изменении падении напряжения в линии
Рассмотренными яилеппимп объясняются колебания напряжения, часто наблюдаемые в электрических сетях. Для поддержания нормальных условий работы аппаратуры при колебаниях паи ряжения сети в киноустановках используются специальные аппараты, с которыми мы познакомимся позже.
Влияние сопротивления линии на величину напряжения сети характеризуют относительной потерей напряжения.
Выраженное в процентах отношение падении напряжения в липни к нормальному напряжению сети называется о т н о-с и т е л ь и о и и о т е р е й и а и р я ж сияя (обозначается Д{7%):
Л,г •
По существующим нормам провода линии должны быть рассчитаны так, чтобы потери напряжения не превосходили 5%, а при осветительной нагрузке не превышали 2-4-3%.
Потери энергии. Часть электрической энергии, вырабатываемой генератором, переходит в тепловую и бесполезно затрачивается в линии, вызывая нагрев проводов. В результате энергия, получаемая приемником, всегда меньше энергии, отдаваемой генератором. Точно так же мощность, затрачиваемая в приемнике, всегда меньше мощности, развиваемой генератором.
Потерн мощности в линии можно вычислить, зная силу тока и сопротивление линии:
/' —12R
потерь л .г
72
Чтобы характеризовать экономичность передачи энергии, определяют коэфициент полезного действия линии, под которым понимают отношение мощности, полученной приемником, к мощности, развиваемой генератором. Так как мощность, развиваемая генератором, больше мощности приемника на величину мощности потерь в линии, то коэфициент полезного действия (обозначается греческой буквой т] — эта) вычисляется, как:
’ ______Рполезн_____
'' Р 4. Р ’
гполезна гпотерь
где Рполезн — мощность, затрачиваемая в приемнике: Рпотерь — потери мощности в линий.
В ранее рассмотренном примере при силе тока /=10 а потери мощности в линии (7?л=0,8 ом)
Рпотерь = РРл=^-0,8 = 80вт.
Полезная мощность Р„п/=92-10=920 вт. iPJ.'CJn Л1М1И
Коэфициент полезного действия
Р Q2O
... — л 92 (или 92°/ >
^потерь 920 + 80
7) =
т. о. ирпомпиьп получаюг лишь 92% энергии, вырабатываемой гоноратором.
Нагрев проводов. Ilaipon iip<>no;i.oii за счет тепла, выделяемого электрическим током,— вредное' пиление.
Изоляция проводов, применяемых дли электропроводки внутри зданий, обычно состоит из слоя резины, снаружи которой имеется оплетка из хлопчатобумажной пряжи (рис. 56).
Рис. 56. Изолированный провод (шнур):
1 — медная жила; 2 — хлопчатобумажная пряжа;
3 — резина; 4— хлопчатобумажная оплетка
При длительной работе в условиях повышенной температуры резина стареет, становится хрупкой и крошится. Разрушение изоляции недопустимо, так как при этом создается возможность соприкосновения оголенных частей проводоп друг с другом и так называемого короткого замыкания (см. гл. IV, § 2).
Прикосновение к оголенным проводам может вызвать поражение электрическим током.
Наконец, чрезмерное повышенно температуры провода может привести к воспламенению ого изоляции и к пожару.
73
Чтобы нагрев не превосходил допустимой величины, нужно правильно выбирать сечение проводов. Чем больше сила тока, тем большее сечение должен иметь провод, так как с увеличением сечения уменьшается сопротивление, а следовательно, уменьшается количество выделяемого тепла.
Выбор сечения проводов по нагреву производится по таблицам, в которых указано, какой силы ток может проходить по проводу, не вызывая недопустимого перегрева.
Иногда указывают допустимую плотность тока, т. е. величину тока, приходящуюся на один квадратный миллиметр поперечного сечения провода. Плотность тока j равна силе тока (в амперах), деленной на поперечное сечение провода (в квадратных миллиметрах):
I / Ч
/ —амм.
Зная допустимую плотность тока ]доп, можно найти необходимое сечение провода:
с г
Л мм .
J i)im
Для внутренней электропроводки допустимая плотность тока составляет в среднем б а/мм".
Пример. Необходимо определить сечение провода, если известно, что ток, проходящий через него, должен быть равен 7=36 а, а допустимая плотность тока /зол=6 а]мм2.
Решены е. Необходимое сечение провода
„ I 36 .,
S=—лыг. iдоп *’
Проводниковые материалы. К проводниковым материалам .относятся металлы, имеющие небольшое удельное сопротивление. Из этих металлов изготовляются соединительные провода. Чем меньше сопротивление провода, тем меньше в нем будет выделяться .тепла. Кроме того, чем меньше сопротивление провода, тем меньшее создается на нем падение напряжения, а значит, большая часть напряжения источника будет на приемнике. К основным проводниковым материалам относятся медь, алюминий и железо.
Медь. Для изготовления проводов применяется химически чистая медь, которая получается при помощи электролиза. Удельное сопротивление меди равно 0,0175. После серебра, которое для изготовления проводов не применяется, медь имеет самое малое удельное сопротивление. Например, один километр медного провода с поперечным сечением 1 мм,2 имеет сопротивление всего 17,5 олн Медь для проводов обрабатывается различными способами и изготовляется трех сортов: мягкая, полутвердая и твердая. Мягкая медь идет для изготовления 74
изолированных проводов и кабелей; полутвердая — для воздушной проводки; твердая — для проводов, которые должны обладать большой механической прочностью (например, трамвайных).
Л л ю м и н и й. Алюминий является одним из наиболее легких металлов. Он легче меди в 3,3 раза (удельный вес алюминия 2,7, а меди 8,9). Недостатком его по сравнению с медью является большее удельное сопротивление. Удельное сопротивление алюминия равно 0,027, т. е. в 1,65 раза больше удельного сопротивления меди. Поэтому алюминиевые провода при той же длине и таком же сопротивлении должны иметь большее сечение, чем медные.
Железо. Железо имеет довольно большое удельное сопротивление — 0,12. Преимуществом железной проволоки является большая механическая прочность (она выдерживает большое натяжение). Железная проволока применяется для телеграфных линий. Для предохранения железных проводов от коррозии (т. е. от ржавчины или окисления) железную проволоку оцинковывают.
§ 2. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ
Л па piiiiiibiii режим работы пени, когда ток в ней резко \ 1и>.1 им и itiit'i < и и» (равнению с нормальным вследствие уменьшения ее с< hi р< >т и иле и и я до очень малой величины, называется и о р о г к и м а а м и к и п и е м. Чтобы узнать, к каким последствиям и ри под и г корон,<ю замыкппие, рассмотрим пример. На рис. 57,а показана схема электрической установки, которая состоит из генератора, липни и двух приемников энергии, включенных параллельно.
Генератор даст напряжение Uг—-115 в, сопротивление линии Л„ = 0,1 ом, сопротивления приемников Л,1 = 7?2 = 4,4 ом.
Рассчитываем сначала нормальный режим работы, когда оба приемника включены. Сопротивление двух одинаковых параллельно включенных приемников равно:
о Ж 4’4 9 „
и„ = -у-= —= 2,2 оде.
Сопротивление всей цепи, учитывая сопротивление линии,
/?==Я,г + Я, = 2,24-0,1 = 2,3 ом.
Сила тока в линии
Падение напряжения в линии
A// 50.0,1 > в.
75
Напряжение на приемниках будет меньше напряжения генератора на величину падения напряжения в линии, т. е.
£7„ = £7г-Д£7=115-5=110 в.
Рис. 57. Нормальный режим а и короткое замыкание б
Токи, проходящие через приемники, одинаковы, так как их сопротивления равны:
Теперь представим себе, что гайка зажима одного из приемников неплотно затянута. Из-за плохого контакта в месте соединения провода с. зажимом сопротивление контакта увели-
Рис. 58. Плохой контакт приводит к разрушению изоляции
лилось и вместе с этим возросло количество выделяемого в контакте тепла. Температура провода сильно повысилась, что вызвало разрушение — обугливание изоляции проводов вблизи контакта. В результате провода оказались соединенными между собой (рис. 58).
Сопротивление в точке соединения проводов оказалось весьма малым, практически равным нулю, т. е. произошло короткое замыкание (рис. 57,6). При этом напряжение между замкнутыми накоротко точками А и П уменьшилось до нуля и, следовательно, прекратилась подача электрической энергии потребителям.
При коротком замыкании сопротивление всей цепи равно только сопротивлению линии А;=0,1 ом. Поэтому ток в цепи резко увеличивается:
76
Таким образом, из-за короткого замыкания нарушился нормальный режим работы приемника, линии и генератора. Из этого примера можно сделать следующие выводы:
1. При сильном увеличении тока провода линии нагреваются до высокой температуры, а это может привести к воспламенению их изоляции или к воспламенению близко расположенных горючих предметов, например дерева.
Одним из самых тяжелых последствий короткого замыкания является пожар. Если даже не произошло пожара, повышенная температура проводов во время короткого замыкания портит их изоляцию (провода обугливаются). Разрушение изоляции может послужить причиной повторного короткого замыкания. Поэтому после короткого замыкания может появиться необходимость в полной замене всех проводов.
2. Большое увеличение тока, протекающего через генератор (по сравнению с нормальным), часто приводит к аварии генератора.
3. При коротком замыкании на зажимах одного из приемников прекращается ток через другие приемники э н е р г и и, что может вызвать простой в работе и принести большие убытки.
Короткое замыкание не возникает само по себе. Причиной его чаще исего нилненя неправильное обраще-п и о с ;> л к г р и ч е I- ними приборам и.
В рассмотренном примере причиной короткого замыкания явилась небрежность при соединении цроподоп линии с зажимами приемника энергии. Плохой электрический контакт при соединении двух проводников всегда приводит к сильному нагреву места соединения и разрушению изоляции провода вблизи контакта, что в дальнейшем может вызвать короткое замыкание.
Тепловое разрушение изоляции и как результат этого короткое замыкание может произойти из-за неправильно выбранного сечения проводов при устройстве линии. Поэтому при расчете линии обязательно проверяется сечение проводов по допустимому нагреву.
Короткое замыкание может возникнуть из-за неправильного монтажа электрической линии: неправильной прокладки проводов и непрочного укрепления их на изоляторах (непрочный монтаж часто приводит к механическому повреждению изоляции проводов).
Иногда короткое замыкание происходит из-за ошибки в схеме приемника энергии, подключаемого к линии.
Часто к короткому замыканию приводит небрежное обращение с. электрической арматурой патронами для осветительных ламп, штепсельными розетками и т. д.
77
Для предупреждения коротких замыканий необходимо знать и строго соблюдать следующие основные правила монтажа и эксплуатации электрических установок:
1) изоляция проводов должна быть выбрана в соответствии с рабочим напряжением и условиями работы линии;
2) сечение проводов должно быть выбрано так, чтобы их нагрев при нормальных условиях работы по превышал допустимой величины;
3) провода должны быть проложены па изоляторах или в защитных трубах так, чтобы изоляция их ио подвергалась механическим повреждениям;
4) соединения и ответвления проводов должны быть надежно выполнены и изолированы;
5) перекрещивающиеся провода не должны непосредственно касаться друг друга;
6) на открытые токонесущие части рубильников, предохранителей, щитков электрических двигателей и др. нельзя класть металлические предметы (отвертки, плоскогубцы и т. п_);
7) нельзя производить панку или заипнчпванпе гаек и винтов контактных соединений, когда аппаратура находится под напряжением;
8) при зарядке электрической арматуры (розеток, вилок, патронов и зажимов) необходимо обеспечивать надежный электрический контакт.
Ввиду большого ущерба, наносимого народному хозяйству короткими замыканиями, закон предписывает во всех без исключения электрических установках применять необходимые меры защиты.
Чаще всего защиту осуществляют с помощью плавких предохранителей.
§ ». ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ
Устройство в электрической цепи, которое содержит проводник, расилавляющийся при увеличении до опасного значения проходящего через него тока и разрывающий цепь, в которую он включен, называется п л а в к им пред о-х равителем.
Расплавляющаяся часть предохранителя называется плавкой вставкой.
Предохранители включаются последовательно с приемниками. При значительной перегрузке линии питания какого-либо приемника (например, в случае короткого замыкания на зажимах) плавкая вставка предохранителя расплавляется и отключает приемник от сети. При этом электрическая линия, генератор и все остальные приемники испытывают нарушение режима электропитания сравнительно короткий промежуток времени.
78
Устройство предохранителей. Существует несколько типов предохранителей, применяющихся в электрических установках.
Установочный предохранитель с резьбой состоит из трех главных частей: плавкой вставки, или «пробки^, основания и контактного винта (рис. 59).
Рис. 60. Предохранитель типа
ПР-1
Pile Ml. Установочный предохранитель:
/ Щ106К.1. 1’ — ППИТНГЮЙ Ц(И|(1Л1.
г рсш.ПоП; hi«iiT;ii.t; 4 — ироводпмв; ' — осншшние; « — колодка; 7 — выводные iiiiiHjihKn;
* — контактный винт
а — на 25 а 500 в; б- на 6 а 25 0 в
б
Рис. 61. Плавкие вставки предохранителей ПР-1
Установочные предохранители применяются в цепях с напряжением до 500 в и изготовляются па ток от 4 до 60 я.
Плавкая вставка представляет собой фасонную фарфоровую втулку с металлическим цоколем и центральным контактом. Цоколь соединен с контактом при помощи калиброванной плавкой проволоки, впаянной в пробку при изготовлении ее. Пробка ввинчивается в гнездо основания, имеющее винтовую металлическую обойму и неподвижный коп-
79
тактный винт. Когда нробка ввинчена, то плавкая вставка оказывается включенной последовательно в цепь тока.
Предохранитель серии ПР-1 с закрытым разборным патроном без наполнителя состоит из комплекта контактных стоек и разборного патрона (рис. 60) и плавкой цинковой вставки (рис. 61). Патрон представляет собой фибровую трубку с концевыми металлическими обоймами. Внутри патрона помещается плавкая вставка.
Кроме описанных различные устаревшие
Гис. 62. Предохранители в стеклянной трубке (типа ПК и ПН)
выше предохранителей, применяются типы предохранителей. В радиоусили-тельной аппаратуре распространены предохранители с плавкой вставкой в виде тонкой медной проволоки, помещенной внутри стеклянной трубки (рис. 62).
Испытательный и номинальный ток предохранителя. Наибольший ток, который может протекать через иредох [Шпигель время, кую и «ом (!исп).
длительное не расплавляя плав-иставку, называется с питательным то-
<
через чем
При любом токе, большем !асп, плавкая вставка перегорает. На каждой плавкой вставке указывается так называемый номинальный ток который представляет собой наибольший длитель-
но допустимый рабочий ток предохранителя.
Номинальный ток предохранителя обычно меньше испытательного тока на 30-4-50%. Часто /„„„=(0,77-8-0,67) 1ис„.
Плавкая вставка расплавляется, если проходящий нее, ток превышает номинальное значение более в 1,6-4-2 раза.
Стандартом предусматриваются следующие значения номинального тока предохранителей: 4, 6, 10, 15, 20, 25, 35, 60, 80, 100, 125, 150, 200 и т. д. Общее требование к плавким предохранителям всех типов — наличие заводской марки с обозначением номинального тока на их плавких вставках.
Выбор поминального тока предохранителя производится по специальным таблицам в соответствии с допустимым током проводов линии.
Предохранители включаются в каждый нз проводов линии. Если к линии подключено параллельно несколько установок, то предохранители включают отдельно в цепь каждой установки.
80
При эксплуатации электрических- -установок необходимо следить за исправностью предохранителей.
Плавкая вставка, устанавливаемая взамен перегоревшей, должна иметь номинальный ток, соответствующий допустимому току линии (выбирается ближайшее по стандарту значение номинального тока плавкой вставки). Применение вместо плавкой вставкикусочков проволоки, гвоздей и других металлических предметов воспрещается.
Нарушение этих правил может вызвать аварию в сети или пожар, так как предохранитель может не отключить поврежденную или перегруженную цепь.
§ 4. ЭЛЕКТРОМОНТАЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Провода. В киноустановках для электропроводки применяют изолированные провода, предназначенные для прокладки внутри помещений. Токоведущая часть провода называется жилой и обычно изготовляется из медной, реже из алюминиевой проволоки.
Жила может состоять из одной проволоки (однопроволочная жесткая жила) или из нескольких скрученных между собой проволок (мпогопроволочная гибкая жила). Поверх жилы пвпосятся слои изоляции и оболочка для защиты от действия няней и механических повреждений.
Различают провода одножильные (с одной изолированной жилой) и многожильные (с несколькими изолированными друг от друга жилами).
Две гибкие изолированные жилы, скрученные между собой или имеющие общую наружную оплетку, называются шнуром.
Одна или несколько скрученных вместе изолированных жил, заключенных в защитную герметическую (непроницаемую для влаги и воздуха) оболочку, обычно свинцовую, называются кабелем. Часто поверх свинцовой оболочки кабель имеет броню из стальных проволок или лент и оплетку из джута. Основными характеристиками проводов и кабелей являются материал и сечение жилы, вид изоляции и защитной оболочки, а также напряжение, на которое рассчитан данный вид изоляции (или «номинальное напряжение»).
Рассмотрим провода различных марок.
Провод марки ПР-500 — с медными жилами, в резиновой изоляции, одножильный, в пропитанной оплетко из хлопчатобумажной пряжи, изготовляется сечением от 1 до 400 мм2. Номинальное напряжение 500 в (рис. 63,а). Применяется для прокладки в помещениях по роликам и изоляторам, в стальных трубах, в изоляционных трубках с тонкой металлической оболочкой.
6
Электротехника
81
Провод марки АПР-500 — отличается от ПР-500 тем, что жила сделана из алюминиевой проволоки.
Провод марки ПРГ-500 — с жилой из тонких медных проволочек, в резиновой изоляции, гибкий, одножильный, в пропитанной оплетке из хлопчатобумажной пряжи (рис. 63,6).
Сечение от 0,5до400мм2,
Рис. 63. Провода различных марок:
а — ПР: 1 — медная жила, - — резина, "> — миткалевая лента, 4— пропитанная оплетка;
б — ИРГ: / —жила, 2 — резина, л — миткалевая лента, 4 — оплетка;
в—-ПРТО: J — жилы, 2 — резина, 3 — прорезиненная миткалевая лента, 4 — оплетка;
г — ТПРФ: / — жилы, 2 — резина, 3 — прорезиненная миткалевая лента, 4 —металлическая оболочка, 5 — кабельная бумага
номинальное напряжение 500 в. Благодаря гибкости удобен для монтажа. (Способы прокладки такие же, как и для ПР-500.
Провод марки ПРТО-500 — с жилами из медных проволок, в резиновой изоляции, одножильн ый и много-жпльпый, в общей оплетке из хлопчатобумажной пряжи, для прокладки и стальных трубах. Двужильные, трехжильные ичетырехжиль-ные провода ПРТО-500 изготовляются с сечением жил от 1 до 120 мм2.
На рис. 63, в. показан трохжильиый провод 111’ТО.
Провод марки ТПРФ — с медными жилами, в резиновой изоляции, п трубчатой металлической оболочке (рис. 63,г), одножильный, двужильный, трех-жил от 1 ло 10 мм2
жильный и четырехжильный. Сечени Применяется для открытой прокладки в сухих помещениях, когда необходима защита от легких механических повреждений, при напряжении сети не выше 500 в.
Провод м а р к и АР и АРД — арматурный, с медной жилой, в резиновой изоляции. АР — одножильный, АРД — двужильный. Применяется для зарядки осветительных арматур (люстр и т. п.), устанавливаемых в сухих помещениях, при напряжении сети до 220 в. Изготовляется с сечением 0,5 леи2.
1П и у р ы ШР-220 и 1ПРО-220 — с медными жилами, в резиновой изоляции, двужильные (см. рис. 56). Изготовляются
82
с сечением жил 0,5-4-1,5 мм2', в жиле от 21 до 32 проволочек. Шнур 1ПРО-220 имеет общую оплетку. Применяется для прокладки по роликам.
Кабели марки СРГ, СРП, СРВ — с медными жилами, в резиновой изоляции, одножильные, двужильные, трехжильные и четырехжильные (рис. 64). Освинцованный СРГ— голый (а), СРП — бронирован оплеткой из стальных проволок (б), СРВ — бронирован плоскими стальными лентами (в). Изготовляются с сечением жил от 1 до 240 мм2 (одножильные)
Рис. 64. Устройство кабелей:
] __ медные жилы; 2 — резина; 3 — свинцовая оболочка; 4 — прорезиненная ткань; 5 — стальная броня; <? — ас-(|)а.1Н.ти| (»ваиный джут; 7 — заполнение; 8 — проволочная оплетка
и от I до |.и!> тмг (двух , грек и четырехжильные), номинальное напряженно Зон н. Применяются дли прокладки в неотапливаемых, жарких или сырых помещениях, когда требуется защита от легких механических iiougeiii riinii.
Выбор сечения проводов. При выборе сечении проводов необходимо учитывать допускаемый по условиям нагрева ток, допустимую потерю напряжения в линии и условия механической прочности электропроводки. Необходимо также учитывать номинальный ток выбираемого предохранителя.
Выбор сечения по условиям нагрева производится по таблицам, в которых указывается наибольший длительно допустимый ток проводов. Одновременно производится выбор номинального тока плавкой вставки предохранителя.
Сила тока, длительно проходящего по проводам, в рабочих условиях должна быть не больше допустимого тока провода выбранного сечения и марки при определенном способе прокладки.
В табл. 2 приведены допустимые нагрузки для медных изолированных проводов, прокладываемых в производственных помещениях.
Пример. Ток дуги кинопроектора равен 45 или 55 а. Требуется выбрать сечение провода марки IIP-500, причем известно, что оба провода будут прокладываться в стальной трубе.
6
83
оо
Таблица 2
Наибольшие длительно допустимые нагрузки на провода в амперах и номинальный ток плавких вставок предохранителей для проводов с медными жилами с резиновой изоляцией при температуре окружающей среды — 25°С
Номинальное речение жилы (-и№) При открытой прокладке При прокладке в стальных трубах Номинальный ток предохранителя (амперы)
Провода марок ШР, ПР, ПРГ Провода марок ТПРФ, СРГ, СРВ, двужильные Одножильные провода марок ПР-500, ПРГ-500, проложенные в одной трубе Провода марки ПРТО-500, проложенные в трубе
Допустимый ток нагрузки (амперы) Номинальный ток предохранителя (амперы' Допустимый ток нагрузки (амперы) Номинальный тон предохранителя (амперы) По два Но три Двужильный Трехжильный
Допустимый т< к нагрузка (амперы) Допустимый ток нагрузки ‘ амперы) Допусти-.мый ток нагрузки (амперы) Допустимый ток нагрузки (амперы)
0,5* 6 (10)** 6(10)
0,75* 6 (13) 6 (10) — — — — — —
1 6(15) 6 (15) — — — , — 6(13) 6(12) 6(15)
1,5 10 (20) 10(20) 10 (17) 10(15) 10 (17) , 10(15) 10(16) 10 (13) 10 (15)
2,5 15 (27) 15(25) 15 (24) 15 (25) 15 (24) i 15 (22) 15(22) 15(19) 15 (25)
7f 25 (36) 25 (35) 25 (34) 25 (35) 25 (34) . 25 (31) 25 (28) 25 727) 25(35)
6 35 (46) 35 35 (41) 35 35 (41) . 35 (37) 36 30 35
10 60 (69) 60 60 60 60 ' 55 50 45 . 60
16 90 100 75 80 75 i то 70 60 80
25 125 125 100 100 100 1 90 90 75 100
35 150 160 120 125 120 110 110 90 125
50 190 200 165 160 165 J 160 140 120 160
* Провода с сечением 0,5 и 0,75 мм2 допускаются только для зарядки светильников.
** Цифры в скобках указывают допустимые (но не рекомендуемые во избежание чрезмерных потерь энергии в линии) нагрузки по условиям нагрева током.
Решение. Выбор сечения провода производим по большему значению рабочего тока /рйЙ0ц=55 а. По таблице находим, что следует выбрать провод с сечением 10 мм2, для которого допустимая нагрузка составляет 1доп = М) а. Номинальный ток предохранителя выбираем по таблице IHOM—Q0 а.
Расчет проводов по потере напряжения. Сечение проводов, имеющих длину в несколько десятков метров, необходимо выбирать с таким расчетом, чтобы потери напряжения в линии не превосходили допустимой величины.
Например, в киноустановках допускают следующие потери напряжения в различных линиях (в процентах): линия ввода электроэнергии — не более 5%; линии питания дуговых ламп кинопроекторов — не более 4%; линии питания автозаслонок, дежурного освещения, местного освещения кинопроекторов — не более З-ь-5%; линии питания двигателей кинопроекторов — не более 3%.
Чтобы потеря напряжения в линии ие превосходила заданной величины (Д/7%), сечение провода вычисляют по формуле
„ 2007U
Д77%-Z7 ‘
Здесь А’ — сечение провода в квадратных миллиметрах; /— <11.411 ।<>ка в линия в амперах; U — напряжение в линии в вольтах; I длппп линии в метрах; р — удельное сопротивление материала провода (дли меди р-~О,О175); АС % — допустимая потеря напряжения в nponeiriax.
// р и м е р. Определить требуемое сечение медного провода для линии питания дуги длиной /—15 м, если известны сила тока дуги /=55 а и напряжение линии /7=50 в.
Решение. Допустимая потеря напряжения в линии питания дуги Д/7%=4%. Требуемое сечение провода
2007Д
&и%-и
200-55-0,0175-15 4-50
14,5 лш2.
Выбираем ближайшее большее стандартное сечение провода 5 = 16 л«2. По условиям нагрева провод подходит, так как допускает нагрузку до 75 а. Номинальный ток предохранителя выбираем I„ОЛ(=60 а, так как он ближе к рабочему току линии.
Выбор сечения проводов из условий механической прочности. В некоторых случаях рабочий ток линии составляет всего 2-t-3а (например, липни питания двигателей кинопроекторов, линии питания автозаслонок, ламп дежурного освещения, усилителей и др.) и по условиям нагрева требуется сечение провода во более 0,5 ммг, однако применяют провода с сечением
85
Рис. 65. Установочный фз]»<)><>j‘ отапливаемых помещениях,
пе менее 1 ммг, так как провода меньшего сечения не имеют .достаточной механической прочности.
Установочные материалы. Рассмотрим некоторые виды установочных материалов и электромонтажных изделий, используемых для прокладки изолированных проводов.
Для прокладки проводов внутри стен (под штукатуркой) применяются резиновые (эбонита в ы е) полутвердые трубки. Они легко гнутся, но не растягиваются, имеют внутренний диаметр от 7 до 36 мм.
Для защиты изолированных проводов от легких механических повреждений применяются и з о л я и н о н и ы е у с Tail о в о ч н ы е т рубки с тонкой металличе-с к ой об о л о ч кой.
Внутреннюю часть трубки делают из бумажной массы, пропитанной изоляционным составом, внешнюю оболочку изготовляют из топкого листового освинцованного железа или из латуни; внутренний диаметр трубок от 9 до 36 мм, длина 3 м’,' применяются они только в сухих гак как бумажная трубка легко
впитывает влагу.
Для открытой и скрытогг прокладки проводов в тех случаях, когда провода необходимо защищать от действия влаги, механических повреждений и т. п., применяются стальные трубы (газовые, водопроводные). Внутренний диаметр их 1
составляет от до 3 дюймов (1 дюйм -25,4 мм). Стальные трубы очищаются снаружи п внутри от ржавчины и окрашиваются.
Установочный фарфор (ролики, втулки н воронки). Для открытой прокладки одножильных проводов и шнуровой проводки применяются р о л н к в (рис. 65,а). Изготовляются они из фарфора и бывают различных размеров (диаметр основания от 25 до 60 мм) и типов: РП — для сухих и PCLI1 — для сырых помещений.
Для предохранения изоляции провода от повреждения острыми краями труб на концах стальных или изоляционных труб устанавливаются фарфоровые в т у л к и типа В (рис. 65,6).
Для вывода провода из стены при скрытой проводке применяются фарфоровые воронки типа В (рис. 65,в), имеющие внутренний диаметр от 9 до 30 мм.
Изоляционные материалы. Изоляционные материалы служат для того, чтобы электрически отделить друг от друга
86
части цепи (провода, приборы и т. п.), имеющие разные потенциалы. Кроме того, изолирующие материалы ограждают людей от прикосновения к деталям, находящимся под напряжением.
Основными изоляционными материалами являются:
Резина — изготовляется из каучука с добавлением серы и наполнителей (каучук добывается из растений каучуконосов, растущих на юге СССР, изготовляется также искусственным путем). Применяется для изготовления изоляции проводников, изоляционных лент, прокладок и ковриков. Отличается гибкостью. При высокой температуре постепенно высыхает, теряет гибкость и растрескивается.
Слюда — представляет собой слоистый минерал, не впитывает влагу и выдерживает высокую температуру. Слюда применяется при изготовлении электрических машин, электронагревательных приборов и т. п.
Л с б е с т — минерал волокнистого строения, добывается на Урале, хорошо выдерживает высокую температуру (ио впитывает влагу). Применяется поэтому для изоляции нагревающихся деталей. Приготовляется в виде асбестового картона и шнура.
М р а мор — минерал кристаллического строения, впп-ii.iiiaer плату, при температуре выше 100оС дает трещины. II рпмение н я и виде полированных плит для изготовления распределительных пцггоп, предназначенных для работы в сухих помещениях.
Шифер — слоистая горная порода. Шифер имеет невысокие изоляционные свойства, ипитыпает влагу, хрупок. Применяется для изготовления оснований рубильников, реостатов, предохранителей.
Фарфор, покрытый глазурью, обладает высокими изолирующими свойствами. Из фарфора изготовляют ролики, изоляторы, втулки, воронки, основания электронагревательных приборов.
Г е т и н а к с — спрессованная при высокой температуре бумага, пропитанная бакелитовым лаком; выпускается в виде листов различной толщины. Применяется для изготовления прокладок, щитков, втулок, ручек.
Текстолит — спрессованная при высокой темпера туре бакелизировапная хлопчатобумажная ткань. Применяется в тех же случаях, что и гстинакс.
Фибра — род картона, красного и черного циста, впитывает влагу. Идет па изготовление втулок, мелких каркасов, прокладок.
Э л о к т р о к а р т о и — сорт картона коричневого цвета, впитывает влагу. Пропитанный маслом или шеллаком, имеет высокие изолирующие свойства.
II ара ф и и — продукт, получаемый при перегонке угля
87
и нефти, похож на воск. Применяется для пропитывания конденсаторной бумаги, дерева, катушек радиоаппаратуры.
Смолы естественные и искусственные — шеллак, канифоль, бакелит. Применяются для пропитывания изолирующих материалов.
Изоляционная лента — хлопчатобумажная лента, пропитанная липким изоляционным составом.
Прорезиненная лента (черная, серая и белая), пропитанная липким резиновым составом. Применяется для изолирования проводов.
Черная кабельная лепта, пропитанная липким смолистым составом. Применяется при разделке кабельных концов и для соединения эбонитовых трубок, проложенных скрыто (под штукатуркой).
Масло трансформаторное — продукт переработки нефти. Применяется для пропитывания бумаги, заливки кожухов трансформаторов и масляных выключателей.
Эмаль применяется для изоляции проводов, из которых наматываются обмотки трансформаторов, измерительных приборов и т. п.
§ 5. П1‘0КЛЛД1М ПРОВОДОВ
Прокладка изолированных проводов на роликах. Прокладка одножильных проводов на роликах показана на рис. 66. Провод привязывается к роликам мягкой железной оцинкованной проволокой диаметром 0,7-:-1,4 мм. Расстояние от проводов до стен помещения определяется размерами ролика и должно быть не менее 10 мм. Расстояния между параллельно проложенными проводами при сечении I -*—2,5 мм2 берут равным 35 мм, при сечении 4-:—16 мм'1 — по менее 50 мм, при сечении 25-S-35 ммг — не менее 70 мм. Расстояние между роликами, укрепленными на стене, берут не более одного метра. Ролики укрепляют на деревянной стене шурупами, на каменных стенах — с помощью дюбелей (рис. 67,а) или проволочных спиралей, вмазанных в стену гипсом или алебастром (рис. 67,6). В местах перекрещивания проводов на один из них надевается резиновая или эбонитовая трубка, расположенная между двумя роликами так, чтобы она не могла сдвигаться. Провода при проходе сквозь стены прокладывают в эбонитовых трубках, на концы которых надевают фарфоровые втулки (рис. 68).
Осветительная проводка выполняется шпуром или двужильным проводом марки ПРД (рис. 69). Основные правила прокладки шнура такие же, как указанные выше, но шпур привязывается к роликам не проволокой, а только шпагатом или тесьмой. Шнуровая проводка допускается только в сухих отапливаемых помещениях.
В кинотеатрах проводка на роликах пи применяется.
as
Прокладка проводов в бумажных трубках с тонкой металлической оболочкой. Этот вид прокладки допускается только в сухих отапливаемых помещениях и применяется, когда необходимо предохранить провод от легких механических повреждений.
Внутренний диаметр трубки выбирают с расчетом, чтобы в нее можно было протянуть провода. Например, для про:
Рис. 66. Прокладка одножильных проводов на роликах и выполнение ответвлений: а — правильно; б — неправильно
кладки двух проводов марки ПР-500 с сечением 4 мм2 следует выбрать трубку с внутренним диаметром 13,5 мм; для прокладки трех таких же проводов следует выбрать трубку с внутренним диаметром 16 мм.
Трубки крепят к стене при помощи скобок (рис. 70). Соединения трубок выполняют при помощи металлических муфт пли угольников. Изгибание трубки производят вместе с проложенными в пей проводами при помощи специальных щипцов.
Скрытая прокладка проводов. И отапливаемых сухих помещениях провода прокладывают внутри эбонитовых полутвердых трубок иод штукатуркой или в бороздах, пробитых в кирпиче или бетоне. После прокладки трубок борозды заштукатуриваются. В тех мостах, где провода выходит наружу,
89
Проволочная спираль
или гипс
Рис. 67. Укрепление винта для ролика в каменной стене
Рис. 6S. Прокладка проводов через стены:
а — правильно; б — неправильно
Рис. 69. Прокладка шнура: а — оконцевание провода; б — ответвление в штепсельной розетке; в — переход одной линии через Другую
Рис. 70. Прокладка проводов в трубках с тонкой металлической оболочкой:
а — обход балки угольниками; б — соединение трубок; в — соедине ние трубок тройником
устанавливают фарфоровые воронки (рис. 71,а). При скрытой проводке выключатели или другая арматура часто устанавливаются скрыто, в специальных ящиках, заделываемых в стену (рис. 71,6). В местах ответвлений и соединений трубок устанавливают разветвительные коробки. В отверстия коробок вставляют фарфоровые втулки, внутрь которых пропускаются концы эбонитовых трубок с таким расчетом, чтобы они выступали из втулок на 5-ь7 мм (рис. 71,в). Кроме прокладки эбонитовых трубок под штукатуркой, часто применяют прокладку линии в каналах и коробах. Каналы прокладывают в стене, облицовывают строгаными досками или листовым железом и закрывают сверху деревянными или стальными крышками (рис. 72,а). Канал может быть сделан так, чтобы верхняя крышка короба находилась ниже уровня пола (рис. 72,6).
Прокладка липин в стальных трубах. Прокладка изолированных проводов в стальных трубах применяется широко, так как она обеспечивает надежную защиту линий от механических повреждений, химического воздействия кислот, щелочей и т. д. Монтаж в стальных трубах может быть открытым и скрытым. При открытой прокладке газовые трубы крепятся скобами к стенам, полу и т. п. При скрытой прокладке трубы укладываются в толще пола или под полом (рис. 73,а, б). В местах соединении и ответвлений трубы соединяют специальными неробкими (муфтами) с резьбой. Концы труб в стенах помещают в распределительные коробки пли ниши (рис. 73,в).
Соединения и ответвления. При открытой проводке для ответвления и соединения проводов зачищенные провода скручивают и затем пропаивают. Ответвление делается возле ролика с. таким расчетом, чтобы натяжение ответвленного провода передавалось ролику, но не проводу.
Провода пропаивают оловом и свинцом с канифолью. Пайка травленой соляной кислотой (хлористым цинком) не допускается, так как это впоследствии приводит к окислению и нарушению контакта.
Примеры соединения и ответвления однопроволочных проводов показаны на рис. 74, а многопроволочных проводов — на рис. 75.
После пропайки место соединения или ответвления обязательно изолируется специальной лентой.
Рубильники и выключатели. Для включения и выключения приемников энергии применяются рубильники, выключатели и специальные контактные приборы — штепсельные розетки с вилками.
Рубильники бывают однополюсные, двуиолюспыо и трех-полюспые. Рубильник (рис. 76) состоит из медного или .латунного ножа п пружинящих неподвижных контактов, укрепленных винтами пн шиферной пли мраморной доске. Один из
91
a 6 0
Рис. 71. Скрытая прикладка в эбонитовых трубках:
1 — трубка; 2 — воронка; 3 — втулка; 4 — трубка
Цементный пол
Рис. 72. Скрытая прокладка и каналах и коробкпх
Рис. 74. Соединении и ornei и, н пин одно- Рис. 75. Соедине-
проволочпых проводов пин п ответвле-
нии мпогонроно-
V3
концов ножа вращается на оси, проходящей сквозь один из неподвижных контактов. На другом конце, входящем во второй неподвижный контакт, укреплена рукоятка из эбонита или дерева. Поворачивая нож, можно замкнуть или разомкнуть контакты. Провода линии плотно присоединяют к контактам при помощи винтов или гаек.
Рубильники обычно монтируются па мраморных пли шиферных щитах, па которых устанавливаются и предохранители (рис. 77). Для предохранения обслуживающего персонала от поражения электрическим током токо-ведущие части рубильника обязательно закрывают железным кожухом, покрытым внутри слоем асбеста. В
Рис. 78. Поворотный выключатель и его условное обозначение: а — включено; б — выключено
старых установках до настоящего времени еще работают с рубильниками открытых типов.
/(ля включения и выключения осветительных ламп применяются поворотные однополюсные выключатели. Внутреннее устройство таких выключателей показано на рис. 78.
Штепсель с штепсельными вилками применяется для присоединения к электрической сети переносных приборов(например, на-
стольных ламп, электрических плиток, утюгов и других бытовых приборов). Устройство штепселя показано на рис. 7!).
Так как в переносных приборах возможны неисправности (короткие замыкания), разрешается применять штепсельные розетки, только снабженные плавкими предохранителями.
94
1)5
Один из подводящих проводов линии подключается непосредственно к гнезду, а другой — к отдельному болту, который соединен плавкой вставкой со вторым гнездом. Штепсельиая вилка имеет два контактных штырька, соединенных с проводами, идущими к приемнику энергии. Штырьки укрепляются в
Рис. 83. Схема проводки и многоквартирном
доме
колодке из изолирующего материала (чаще всего из специальной пластмассы).
Штырьки пилки изготовляют из бронзы. Для получения надежного контакта с гнездами штепселя их делают разрезными.
Осветительные лампы присоединяются к сети посредством специальных патронов, у которых одним из контактов является обойма с винтовой резьбой.
Патроны для ламп накаливания выполняются различных конструкций. Некоторые из них показаны на рис. 80.
Присоединяя провода к рубил ышкам, выключателям, штепсельным розеткам, патронам и предохранителям, необ ходимо соблюдать следующие правила: конец подключаемого провода должен быть тщательно очищен от изоляции и свит и кольцо по диаметру винта. Для того чтобы изоляция провода не могла сдвигаться и оголять провод, конец провода, подготовленный для присоединения, обязательно заделывают
Гб
изолировочной лентой, как показано, например, на рис. 79, 80. Провода большого сечения, жилы которых состоят из большого количества проволок, обычно снабжают специальными (кабельными) наконечниками (рис. 81,а). Зачищенный конец провода вводится в наконечник и тщательно припаивается к нему (рис. 81,6).
На рис. 82 показана проводка для осветительной лампы с выключателем.
Выключатели применяются однополюсные. Один из проводов, идущих через плавкие предохранители от сети, подходит непосредственно к патрону лампы, а от лампы идет к выключателю. Второй провод идет от предохранителя к выключателю. Таким образом, выключатель оказывается соединенным последовательно с лампой.
В многоквартирных домах плавкие предохранители обычно сосредоточены на одном щите (групповом щитке), причем для каждой отдельной группы приемников ставятся отдельные предохранители, как показано на рис. 83.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ ГГ
1. Почему происходят потери энергии в линии?
Па 'по расходуется энергия, теряемая в линии?
Л, Ч|о тиков потеря напряжения в линии?
'i. Сколько пропоп гоа согтниляет потеря напряжения в нормальных условиях?
5. Почему нагрев проводов вреден?
(>. Какой ток 1пы1>1ваетс)| допустимым птиц проводи?
7. Что такое короткое вамыкавпо?
8. Почему при коротком замыкании ток в липни резко увеличивается?
9. Какой вред наносят короткие замыкания?
10. Для чего применяют плавкие предохранители? Как они действуют?
11. Какое устройство имеют установочный предохранитель и плавкая вставка?
12. Какой ток называется номинальным током предохранителя?
13. Как определить ток плавления по известному номинальному току предохранителя?
14. Какие марки проводов вам известны?
15. Какие условия необходимо выполнить при выборе сечения проводов?
16. Назовите известные вам изоляционные материалы.
17. Как устраивается открытая проводка?
18. Как устраивается скрытая проводка?
19. В каких случаях применяется проводка в стальных трубах?
20. Как выполняются соединения и ответвления проводников?
7
Электротехника
Глава V
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ И ПРИЕМНИКОВ
§ 1. ОБЩИЕ ВВЕДЕНИЯ
Условия, при которых работают генераторы и приемники электрической энергии, называются режимом работы. Режим работы характеризуется несколькими показателями — мощностью, величиной напряжения или тока, коэфициентом полезного действия. Режим работы, обусловленный заводом-изготовителем для данного типа генератора или приемника, называется номиналь и ы м режимом работы генератора или н р и е м и и к а. Например, лампа накаливания нормально работает при напряжении 220 в. Если подвести к этой лампе папрпжеппе меньше 220 в, она будет гореть менее ярко. Если же, наоборот, подвести к ней напряжение больше поминального, например 240 в, то она быстро перегорит.
Генератор электрической энергии, например, может развивать номинальную мощность 5 кет. Если мощность приемников увеличить, то через генератор пойдет ток больше номинального. При этом потери энергии и виде тепла на внутреннем сопротивлении генератора увеличатся, что может привести к перегреву проводов генератора н к порче их изоляции. Кроме того, увеличение, падения напряжения на внутреннем сопротивлении генератора приводит к уменьшению напряжения, подводимого к зажимам приемника. Поэтому всегда стремятся поддерживать номинальный режим работы генераторов и приемников. Для этого часто используют специальные приспособления, позволяющие регулировать электрический режим работы.
§ 2. РЕОСТАТЫ
Для регулирования силы тока в электрических цепях применяют устройства, называемые реостатами.
Реостат представляет собой аппарат, сопротивление которо г о можно изменять в о п р о д е л о и и ы х предела х.
Чаще всего применяются прополочные реостаты, роже ламповые и жидкостные. Различают реостаты с плавным пзмепо-пиом сопротивления и со ступенчатым,
98
Реостаты с плавным изменением сопротивления. Такие реостаты выполняются со скользящим контактом. Реостат обычно представляет собой цилиндр из изолирующего материала (например, фарфора), на который намотан один слой голой проволоки из материала, обладающего большим удельным сопротивлением (рис. 84). Вдоль цилиндра по обмотке скользит пружинящий контактный движок.
Гис. 84. Реостат с движком
Рис. 85. Включение реостата
Концы обмотки и движок присоединяются к контактным зажимам, служащим для соединения реостата с электрической цепью. Если один из проводов подключить к движку, а другой к одному из концов обмотки, то сопротивление реостата будет эпнисен. от положения движка. При перемещении движка пзмопнотсп длина проволоки, включенной между концом |>|>мо1кп и дппжккм. Поэтому изменяется и величина сопротивлении, которое включено в электрическую цепь. На заводской марке реостата обычно укизыппется его наибольшее с’опро-типлепие и сила тока, которую можно длительно пропускать через реостат без опасности чрезмерного его перегрева и порчи провода обмотки.
'Гак как во время работы реостат нагревается током до температуры 100—150°С, его не следует ставить вблизи легко воспламеняющихся предметов. Некоторые реостаты покрывают металлическими защитными кожухами или сетками.
Рассмотрим применение реостата на таком примере: подключим реостат последовательно с приемником к источнику тока, имеющему напряжение £7=120 в (рис. 85). Наибольшее сопротивление реостата /? = 160 ом, сопротивление приемника /£]=40 ом. Если движок поставить в крайнее положение (точка Л), то реостат будет иметь между точками Б и В сопротивление 160 ом. Сопротивление всей цепи будет равно сумме сопротивлений реостата и приемника. Следовательно, в цепи пойдет ток
, _ и _ 120 _120_ofi
160+40 ~ 200
Если теперь движок поставить посредине реостата (точка Л'), то он будет иметь сопротивление
Н, = К =80 ом,
1 2 ’
89
так как в два раза сократилась длина провода, находящегося между движком и контактом Б. Ток в пени будет равен
, _ и 120 .
R’ + Ri ~~ "80+40 а'
Если движок переместить в точку А", то реостат будет иметь сопротивление R"=A. Ток в цени будет равен
. _ и _ 120 о
,3~R" + R1^ 0 + 40 Я-
Реостаты со ступенчатым измененном сопротивления. Такой реостат показан на рис. 86. Сопротивление реостата выполнено в виде спирали из проволоки, обладающей большим удельдым сопротивлением. От отдельных частей спирали,, называющихся секциями, сделаны отводы, присоединенные к контактам. Поворотный рычаг может соединяться с любым из контактов.
Рис. 8(>. Реостат ео ступенчатой peiу.чировной
Если рычаг поставить па контакт /, то между точками А и Б будет включена вся спираль, и сопротивление реостата будет наибольшим. При перемещении рычага на контакты 2, 1>, 4 и т. д. сопротивление реостата будет становиться каждый раз меньше, так как уменьшается длина спирали, оставшейся включенной в цепь.
Реостаты могут быть выполнены с параллельным соединением отдельных секций. Схемы таких реостатов показаны па рис. 87 и 88. Реостат, показанный на рпс. 87, имеет секции из проволоки, которая намотана па оправу, состоящую из фарфоровых «наездников» и металлического основания. Отдельные секции путем включения однополюсных рубильников присоединяются параллельно друг другу. Так как при параллельном соединении сопротивлений общее сопротивление
100
уменьшается, то такой реостат имеет тем меньшее сопротивление, чем больше включено спиралей.
Реостат, показанный на рис. 88, называется ламповым. Ввинчивая или вывинчивая отдельные лампы, меняют число ламп, включенных параллельно друг другу. Если каждая лампа имеет сопротивление .240 ол, то при включении четырех
Рис. 87. Реостат с параллельным включением секций
ламп сопротивление реостата будет в четыре раза меньше, т. е. составит ПО ом; если включить только две лампы, то сопротивление составит 120 ом. Следует отметить, что с увеличением накала ламп сопротивление лампового реостата увеличи-ваеип.
Допустимый ток, 111 и । \ 11Д.И1ЦН й через ламповый реостат, определяется мощностью ламп.
Расчет сопротивления реостата. Пусть к сети с на и ряжением //,--220 в требуется подключить лампу, которая нормально работает при напряжении /72==127 в и при этом через ное проходит ток /=1,2 а. Подключить лампу непосредственно к сети пельзи, гак как она быстро перегорит. Поэтому нужно последо-
1’ис. 88. Ламповый реостат
вательио с лампой включить реостат с таким сопротивлением, чтобы напряжение па лампе было 127 в, а излишек напряжения поглощался реостатом (схема включении реостата показана па рис. 8!)). Напряжение на реостате должно быть равным разности напряжений сети и лампы:
^„„^.-^-^-.127^93,;.
101
Сила тока, проходящего через реостат, включенный последовательно с лампой, будет равна току лампы: /=1,2 а.
По закону Ома падение напряжения на реостате с сопротивлением R
Upeocm = IH-
Тогда сопротивление реостата о___________ Up>ocm _ U1 иг _ 93 _г
л=—— =--------j--= 1 “> ,,У ом'
Предположим, что в нашем распоряжении имеются два реостата. На одном из них стоит обозначение 100 ом, 2 а; на другом 80 ом, 0,5 а. По сопротивлению больше подходит второй реостат. Однако включить его последовательно с лампой нельзя, так как надпись 0,5 а показывает, что реостат может
Рис. 89. Установка движка реостата
быть использован при условии, если проходящий через него ток но превышает 0,5 а; если же пойдет ток почти в два с половиной раза больше номнпильного (1,2 а), то реостат перегреется и может перегореть. Поэтому выберем реостат, имеющий сопротивление 100 ом п допускающий ток 2 а.
Однако если взять полное сопротивление реостата 100 ом, то на нем будет падать не 93 в, а больше, так как сопротивление еще больше, чем необходимо. Поэтому установим движок п такое положение, чтобы между точками Л и Б было сопротивление 77,5 ом.
Для этого движок следует установить от точки А на расстоянии примерно трех четвертей всей длины реостата.
§ 3. ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
Назначение. Делителем напряжения назыпается прибор, попполяющий подводить к приемнику часть напряжения источника тока,
102
Делитель выполняют с помощью двух последовательно Соединенных сопротивлений. Эти сопротивления включаются Параллельно источнику тока {рис. 90).
Приемник подключается к одному из сопротивлений. Сопротивления и /?а называются плечам и делителя: сопротивление, включенное параллельно приемнику, назовем параллельным плечом, а сопротивление Пг — последовательным плечом. Падение напряжения на сопротивлении П2 равно:
U2 = IR2.
Если сопротивление приемника очень велико по сравнению с сопротивлениями делителя, то можно считать, что через и R., идет одинаковый ток (так как в приемник с большим сопротивлением ответвляется очень малая доля тока).
'Гон через делитель равен напряжению источника, деленному па сумму сонротивлешш плеч делителя:
Д1 + R>
Подставив выражение для тока в первую формулу, получим
НЛП
Л R, \ R, ‘
Из последней формулы видно, что напряженно па выходе делителя, т. е. на приемнике, во столько раз меньше напряжения источника, во сколько раз сопротивление параллельного плеча меньше полного сопротивления делителя.
Пример. Пг=В2=50ом; t/l=100s.i Определить U2.
Ре ш е н и е.
^ = ^-7^ = 10°-50?5б = 50^
Если взять Z?l==75 ом, а В2—2о ом, то напряжение на выходе
^^•^;=1оо-75тг5=256-
Если взять /?!==!() ом, а /?2=90 ом, то
103
Делитель со ступенчатой регулировкой и потенциометр. Делитель напряжения часто выполняют так, чтобы можно было подавать на приемник различные напряжения. В этом случае полное сопротивление делителя разбивают на несколько частей, от которых делают отводы. Например, если нужно
подводить к приемнику одну, две, три и т. д. десятых на
пряжения источника, то рол-ное сопротивление делителя разбивают на 10 равных частей, как показано на рис. 91.
I’nc. III. Делатель co ступенчатой регулировкой
Риг ЛЮ. Де. Bi те. 1i. u.'iii|»r,i.e',iin
Пусть полное сопротивление делителя 80 ом, а напряжение источника 120 в. Тогда, сделав ответвления от каждых 8 ом и соединив их с контактами переключателя, получим на выходе следующие напряжения:
при положении движка па первом контакте /7( = 72 ом, И2=Я ом
при положении движка на третьем контакте
/7., = 0,3 (/!=(),3-120 = 36 в;
при положении движка на пятом контакте
= 120- #=12(). 0,5 = 60 в;
i 1 Я), /О 80 ’
при положении движка на седьмом контакте
672 = 0,76^=0,7- 120 = 81 е;
при положении движка на восьмом контакте
t/2=0,8 Uj = 96 в и т. д.
101
Делители со ступенчатой регулировкой напряжения применяют в регуляторах громкости звука в зрительных залах Кинотеатров,
Для правильной работы делителя необходимо, чтобы сопротивление приемника было очень большим по сравнению с сопротивлениями плеч делителя. Если сопротивление приемника будет по величине близко к сопротивлению плеч делителя, то в приемник ответвится большой ток, а ток через параллельное плечо делителя (Т?2) и падение напряжения па нем уменьшится. Значит, и на приемнике
напряжение станет меньше.
Например, когда движок делителя (рис. 91) находится на
пятом контакте, напряжение на приемнике с очень большим
сопротивлением /72=60<?. Теперь вместо приемника с большим сопротивлением включим приемник, имеющий сопротивление /?„=40 ом, т. е. одинаковое с сопротивлением параллельного плеча (Л2=40 ом при положении движка на пятом контакте). Тогда общее сопротивление приемника и плеча Я2, соединенных параллельно, будет равно:
Ток от источника
г и I 1—0 ?
' Ri + R — 40+20 ~
Падение напряжения на последовательном плече делителя
/^=2-40=80 в.
Падение напряжения на приемнике
Рис. 92. Включение рео-
стата в качестве потен-
t/2 = -^.fl2=-|.40=40 8,
циометра тогда как раньше было 00 в.
Поэтому полное сопротивление делителя всегда нужно брать в несколько раз меньше сопротивления приемника.
С помощью реостата со скользящим движком можно выполнить делитель, позволяющий плавно регулировать напряженно на приемнико.
Схема включения реостата в качество делителя напряжения показана па рис. 92. Полное сопротивление реостата включается
105
параллельно источнику тока, а напряжение к приемнику подводится от движка и одного из концов реостата. Тогда, поставив движок в положение А, будем иметь /?]=/?; R^—0, и напряжение на приемнике будет равным нулю. Перемещая плавно движок от положении А до положения Я, можно постепенно увеличивать напряжение па приемнике от 0 до Ult
Делители с плавным изменением напряжения обычно называют потенциометрами.
Расчет делителей напряжения. Расчет делителей производится приближенно или точно.
а) В тех случаях когда полное сопротивление делителя можно выбрать в 10-ь20раз меньше, чем сопротивление приемника, расчет производится приближенно (не учитывается влияние приемника на выходное напряжение делителя).
Пусть известно напряжение па входе делителя Ult а на выходе нужно получить напряжение /А.
Выберем полное сопротивление делителя
Кп,ш. #г! /С.
Ил формулы
"л /б Н.
"i И, I /б Кп,,н
найдем сопротивление плеча
тогда
R пэлн ^2'
Пример. 7/, = 220 в. На приемнике с сопротивлением Rn=22 ОООол необходимо получить напряжение U., 80 а с. помощью делителя.
Решение. Выберем полное сопротивление делителя в 20 раз меньше, чем сопротивление приемника:
Сопротивления плеч
= 400 ом,
Ri—RtioAH—#2=1100—400=700 ом.
б) В тех случаях когда нельзя выбрать сопротивление делителя во много раз меньше сопротивления приемника, расчет необходимых сопротивлений делителя производится с учетом влияния сопротивления приемника по следующей схеме.
Из условий задачи известны иг- R„; U,_.
Обозначим R= общее сопротивление параллельно соединен-
I -**2
пых приемника и плеча й2.
106
Тогда
R
Я1 + Я
Сумму сопротивлений R^R следует выбирать в 2=5 раз меньше сопротивления приемника.
Тогда
Я=^.(Й1 + Я).
Зная R и сумму находим Rt.
Сопротивление /?.2 находится из формулы
d___ RnRj
- Rn + R. ' отсюда
П р и м е р. I/, должно быть равно 0,2-C/j Z7i = 120e; сопротивление приемника R„=240 ом.
Решение. Выбираем (R^R) в 2,4 раза меньше Rn, т. е.
Bj + /? = |^ = 100 ом.
II аходнм
II + «)~0,2-100 = 20 ом.
<•'1
100 20 80 „м,
т> _ RRn
Rn~R
20-240
240 — 20
= 21,8
ом.
ЗАДАЧИ ДЛЯ УПРАЖНЕНИЙ
1. Реостат с полным сопротивлением 15 ом включен в сеть с напряжением 110 в последовательно с приемником, сопротивление которого 40 ом. Определить напряжение на приемнике при следующих условиях; а) движок находится посредине реостата; б) в крайних положениях.
Ответ'. 92,8 в; 110 в; 80 в.
2. Ток, требуемый для нормальной работы приемника, 2 а. Сопротивление приемника 80 ом. Определить сопротивление реостата, с помощью которого в приемнике поддерживается нормальный ток, когда напряжение сети равно: а) 180 в; б) 200 в; в) 220 в; г) 230 в.
О т в е т: 10 о.и; 20 ом: 30 ом: 35 ом.
3. Для освещения экрана в кинотеатре применяется лампа мощностью 300 вт. при напряжении 110 в. Напряжение сети, к которой подключается лампа, изменяется от 110 до 135 в. 1’ассчитцть полное сопротивление реостата, с помощью которого можно па лампе поддерживать напряжение 110 в. Нарисовать схему включения реостата и лампы.
О т в с hi,: 9,2 им.
107
k. Сопротивления плеч делителя напряжения Пг=120 ом; R2=iO ом. Параллельно плечу Т?2 включен приемник. Напряжение источника тока 120 в. Определить напряжение на приемнике при сопротивлении приемника: а) 1000 ом; б) 120 ом; в) 40 ом.
Ответ: 39 в; 24 в; 17,2 в.
§ 4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ
Электрические характеристики генераторов. Любой генератор электрической энергии может работать нормально лишь при определенных условиях. Чтобы правильно использовать генератор как источник тока, необходимо знать основные величины, характеризующие режим работы, и основные свойства генератора.
Такими величинами являются электродвижущая сила, внутреннее сопротивление, поминальная мощность, коэфициент-полезного действия генератора.
Электродвижущая сила генератора (э. д. с.) равна напряжению на зажимах генератора, когда он не соеди- . нен с приемником энергии.
Когда генератор по соединен с приемником эпоргпп, он пе совершает полезной работы, так как ток в приемнике равен нулю. В таких случаях говорят, что генератор работает в режиме холостого хода. Чтобы определить электродвижущую силу генератора, нужно отключить приемник и с помощью вольтметра измерить напряжение на зажимах генератора. Можно считать, что через вольтметр ток практически не проходит (рис. 93,а).
а б
Гис. 93. Определение э. д. с. и внутреннего сопротивления генератора
Таким образом, э. д. с. генератора равна напряжению генератора при холостом ходе.
Когда к генератору подключен приемник и в цепи проходит ток, то сопротивление оказывает пе только приемник, но и то проводники самого генератора, по которым проходит ток. Поэтому говорят, что генератор обладает некоторым внутренним сопротивлением (7?f). Чтобы определить внутреннее
108
сопротивление генератора, нужно измерить’ напряжение генератора при холостом ходе, т. е. определить его э. д. с. (Е). „Затем, подключив приемник, одновременно измерить напряжение на зажимах генератора U и ток /, идущий в цепи (рис. 93,5). Разность э. д. с. генератора и напряжения, которое он дает, будучи нагруженным, равна падению напряжения на внутреннем сопротивлении.
Разделив падение напряжения на внутреннем сопротивлении гга силу тока, получим внутреннее сопротивление генератора:
Па внутреннем сопротивлении теряется часть электрической энергии, вырабатываемой генератором. Эта энергия выделяется в виде тепла, нагревающего детали генератора, что нежелательно по следующим причинам: 1) затрата энергии на внутреннем сопротивлении генератора приводит к уменьшению полезной энергии в приемнике. Если бы внутри генератора пе было затраты энергии, то вся энергия, вырабатываемая генератором, доставлялась бы приемнику; 2) нагрев деталей генератора выше определенной температуры может вызвать разрушение нчоляцпн и аварию генератора. Поэтому нельзя допускам., чтобы потерн энергии па нагрев генератора превышали он редело иную величину.
'Гак как главная часть потерь энергии па нагрев по закону Ленца—Джоуля равна:
(2 = 0,24/’/?/, то приходится ограничивать силу тока, которую может дать генератор. Чем меньше внутреннее сопротивление генератора, тем большую силу тока можно допустить без опасности вывести генератор из строя.
Так как силу тока генератора приходится ограничивать, то он может развивать мощность пе более определенной величины. Мощность, которую может развивать генератор, пе перегреваясь ври номинальном режиме работы, называется п о м и-н а л ь н о й мощностью генератора Рнпм.
Поминальная мощность генератора указывается в его паспорте. Зная номинальную мощность генератора и напряжение, которое он имеет при этом, можно рассчитать допустимый ток нагрузки при заданном режиме работы.
Например, на паспорте генератора указано: б кптг
Vном~ 120 в. Тогда номинальным ток тенораiора, пли допустимый ток naipyiKii,
Экономичность работы генератора характеризуется электрическим коэфициентом полезного действия.
Электрическим коэфициентом полезного действия генератора (к. п. д.) назы
вается отношение мощности, передавае-
мой приемнику, к полной мощности, развиваемой генератором. Мощность приемника
Рис. 94. Режимы работы генератора:
а —режим холостого хода; б — режим номинальной мощности; в — режим наибольшей полезной мощности; г — режим поротного замыкания
является полезной мощностью. Вся мощность, развиваемая генератором, равна сумме полезной мощности и мощности, теряемой на внутреннем сопротивлении генератора.
Таким .образом, коэ-фициент полезного действия показывает, какая доля мощности, развиваемой генератором, является полезной. Определить электрический коэфициент полезного действия генератора можно следующим образом:
полезн 1 -1 ’
» — Пр «
потерь ЛЧ>
здесь R — сопротивление приемника; /?; — внутреннее сопротивление генератора.
„ ______ Рполеэн ______Т2//_____ II
Рполезн '^' Рпотерь I(\Hj
Коэфициент полезного действия часто выражают в процентах. Чем меньше внутреннее сопротивление генератора, тем больше коэфициент полезного действия. Если й,=0, то
Т‘=7ШГ=1 (или 100°/о)-
Современные мощПые генераторы (1000 кет и более) имеют коэфициент полезного действия до 95—98%, генераторы малой мощности (от 5 до 1000 кет) имеют более низкий коэфициент полезного действия — от 80 до 95%.
Коэфициент полезного действия обычно определяют при номинальной мощности нагрузки.
Режимы работы генератора. Различают несколько основных режимов работы генератора:
110
а) режим холостого хода, при котором сопротивление внешней цепи равно бесконечно большой величине (приемник отключен, рис. 94,а);
б) номинальный режим, при котором генератор развивает номинальную мощность, т. е. может длительное время работать, не перегреваясь (рис. 94,6);
в) режим наибольшей полезной мощности, при котором генератор может отдать приемнику наибольшую мощность (рис. 94,в);
г) режим короткого замыкания, при котором сопротивление внешней цепи равно нулю (зажимы генератора замкнуты накоротко, рис. 94,г).
Различные режимы работы генератора можно получить, изменяя постепенно сопротивление приемника от бесконечности до пуля (практически от очень большого до очень малого). Рассмотрим различные режимы на таких примерах.
Режим холостого хода. При режиме холостого хода ток в цепи не идет, 1=0. Поэтому падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора равно нулю. Напряжение на зажимах генератора равно электродвижущей силе:
t7^=E.
Так как юк не идет в приемник, то мощность в приемнике равна пулю:
Коэфициент полезного действия генератора при холен том ходе также равен нулю, поскольку полезной работы не совершается.
Режим номинальной мощности. В режиме номинальной мощности генератор может работать длительное время. При использовании генераторов электрической энергии важно правильно определить сопротивление приемника, при котором генератор развивает номинальную мощность. Отметим все величины при номинальном режиме значком шом» (применяется также значок «Лг>>). На паспорте генераторов всегда указывается поминальное напряжение Uном и номинальная мощность Рном. Полезную мощность генератора можно выразить как произведение номинального напряжения и номинального тока:
Р =U 1 • Л НОМ НОМ НОМ' тогда
Р
J , 1 ном
Сопротивление приемника при поминальном режиме
/? I- J ^НОМ JiHOM [ ” •
4 ком
111
Коэфициент полезного действия генератора с внутренним сопротивлением R i при номинальном режиме
__ В-НОМ _________ ___I НОМ RfiO и___ _ U ном
ЧнОМ'~~ R I D. Т П I Г Т). R 9
iXHOM^ nL л НОМ 1ХНОМ^ 1 НОМ LXl
так как сумма напряжения на приемнике Uно„ и падения напряжения на внутреннем сопротивлении генератора I нпм Rt равна э. д. с. генератора Е.
Полная мощность, развиваемая генератором,
Р — ER ном»полн 1 номлх>
НОМ \
Рассмотрим пример.
Пусть номинальная мощность генератора /)НО„=И кет, поминальное напряжение Uнол,=220 в. Внутреннее сопротивление 7?z=0,2 ом.
Номинальный ток генератора
11 . КИМ)
220
50 а.
Сопротивление приемника
D ____ ОНОМ
^НОМ т л НОМ
220 ,
59
4 ом.
Коэфипиент полезного действия
Э. д. с. генератора
Е = UH0M+ lH0MR(=220+0,2 • 50 =230 в.
Полная мощность
/>НОл,«Пл»=/НОлЛ = 50-230=11 500 em=ll,5 кет.
Режим наибольшей полезной мощности. Н аибольшую полезную мощность генератор может отдать тогда, когда его внутреннее сопротивление равно сопротивлению приемника. Для генератора, который имеет номинальную мощность j"W0JH=ll кет и внутреннее сопротивление //,=0,2 ом, можно получить такой режим,- если сопротивление приемника взять R = R^=0,2 ом.
112
Чтобы убедиться, что полезпая мощность будет наибольшей именно при = произведем расчет.
При R = R[ ток в цепи найдем по закону Ома:
Е _230_ „г 'наш,— r + r. ~о,4—
Полезная мощность при этом
^=72намб/?=5752.0,2 = 66 000 кет.
Возьмем теперь сопротивление приемника в два раза больше:
7?=27?. = 0,4 ом.
Ток
Полезная мощность
/’пог<,,и=3842-0,4—59000 sni=59 кет.
Возьмем сопротивление приемника в два раза меньшим внутреннего сопротивления:
II <),.’> 0,1 ом.
Ток в цепи
. Е 23!)
/? + «,- 0,14-0,2 ~7 ’7 а-
Полезная мощность
РЯОЛ(,ЗН=7672-0,1 = 59000 вш—59 кет.
Таким образом, увеличение пли уменьшение сопротивления приемника приводит к уменьшению полезной мощности по сравнению с полезной мощностью, которая будет при R = R._
Определим коэфипиент полезного действия генератора при R = /?,.:
Таким образом, при отдаче наибольшей полезной мощности коэфициент полипного действия гепераюра составляет 50%. Итого и следовало ожидать, так как при // = //( па внутреннем сопротивлении генератора затрачивается тана» же мощность, 8 алскг|><темпп<а 113
как и па сопротивлении приемника. Так как коэфициент полезного действия низок, то режим наибольшей мощности не выгоден.
Кроме того, он недопустим, так как ток, проходящий через 575
генератор, в -^-= Н,5 раза больше номинального, что может привести к аварии генератора.
Режим короткого замыкания. Режим короткого замыкания генератора наступает тогда, когда сопротивление приемника становится равным нулю. При режиме короткого замыкания величина тока ограничивается только внутренним сопротивлением генератора.
У большинства генераторов внутреннее сопротивление невелико, и поэтому ток короткого замыкания достигает опасных значений. Следовательно, режим короткого замыкания недопустим и опасен. Он может возникнуть только при неисправности в линии или в приемнике, при ошибочных включениях, неправильном монтаже электрических схем.
Для предыдущего примера величина тока короткого замыкания
’-U-2=1150 «•
Этот ток в 23 раза больше допустимого по условиям нагрева и может оказаться разрушительным для генератора.
Вся мощность, развиваемая генератором, теряется иа его внутреннем сопротивлении:
^=1150*4),2=265 ()00 em=265 кет.
Полезная мощность равна пулю, так как сопротивление приемника равно нулю:
Р =1* 0=0
Поэтому коэфициент полезного действия также равен нул[о.
Для того чтобы предохранить генератор от коротких замыканий по внешней цепи, обязательно устраивают защиту, например, с помощью плавких предохранителей.
§ 5. ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНЕРАТОРА
Количество подключенных к генератору приемников может меняться. В зависимости от этого меняется ток генератора. Например, если энергию от генератора получают осветительные электролампы, то идущий от генератора ток меняется в
И-.
зависимости от количества включенных ламп. Чем больше ламп включено одновременно, тем меньше сопротивление нагрузки и тем больше ток генератора.
Важно, чтобы включение или выключение одних приемников мало сказывалось на работе других.
Мы уже выяснили, что всякий генератор обладает внутренним сопротивлением, на котором происходит падение напряжения.
Чем больше ток, отбираемый от генератора, тем больше падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора.
Если считать, что сопротивление линии равно нулю, то напряжение на приемниках равно разности э. д. с. генератора и падения напряжения на внутреннем сопротивлении:
U—E — IRp
С увеличением тока напряжение на приемниках стано
вится меньше.
Для нормальной работы большинства приемников требуется постоянство питающего их напряжения. Чтобы установить, насколько генератор способен поддерживать постоянство напряжения при изменениях тока нагрузки, необходимо знать внешнюю характеристику генератора.
Внешней характеристикой генератора называется з а виси м о с т 1. и а и р и ж е и и я па зажимах ген е-
р а т о р а от е г о т о-к а. Внешнюю характеристику изображают графически. Для этогона графике вдоль горизонтальной оси откладывают отрезки, показывающие в определенном масштабе силу тока приемников, а параллельно вертикальной оси— отрезки, длина которых в определенном масштабе указывает напряжение на приемниках.
Внешнюю характеристику генератора можно
Рис. 95. Внешняя характеристика генератора
построить, если известна э. д. с. генератора и его внутреннее сопротивление. Построим внешнюю характеристику для генератора, э. д. с. которого £=100 в, а внутреннее сопротивление /?,-= 1 ом.
Если ток приемника I, = 5 а, то напряжение па приемниках
Г, =. Е — /х Rf - 1(Л)-.’». 1 95 в.
8*
115
Отложим на графике отрезок, изображающий U}, и получим точку (рис. 95). При токе приемников /2=10 а
U2=E — 12В(=100 —10-1=00 в.
Отложив отрезок, равный U2, получим точку А2. При токе приемников /3= 15 а
U3=Е — /3 R{=100 - 15 • 1 = .45 в.
Отложив отрезок U3, получим точку Л.,.
Если откладывать на графике точки Л(, Л2, Ая, Л4 для разных токов, то эти точки расположатся па прямой линии АБ. Отрезки от точек прямой ЛГ> до горизонтальной оси показывают величину напряжении па приемниках при разных токах приемников.
Линия ЛГ> изображает внешнюю характер п-с т и к у । е н е р а т о р а.
Параллельно горизонтальной оси проведем пунктиром линию АВ. Расстояние от линии АВ до горизонтальной осп будет в некотором масштабе изображать величину :>. д. с. генератора Е. Тогда расстояния от пунктирной линии АВ до внешней характеристики генератора будут показывать внутреннее падение напряжения в генераторе при разных токах приемников. Например:
А2 B2=/2R,-; л3р3=/:!
Если начертить внешние характеристики двух генераторов, имеющих одинаковые э. д. с. ЕХ=Е2, по разные внутренние сопротивления, например В; .—ЗУ?то внешняя характеристика генератора с большим внутренним сопротивлением пройдет ниже (рис. 96). Это показывает, что у гепе-протпвленпем па пряжение
па зажимах (т. е. на приемнике) сильнее уменьшается при увеличении тока.
Например, если ток увеличится от 1а до Iто изменение напряжения на приемнике, подключенном ко второму генератору, будет равно A.U2, а изменение напряжения на прием-пико, подключенном к первому генератору, при тех же условиях будет AU,, т. е. значительно меньше, ил
Рис. 96. Внешние характеристики двух генераторов с одинаковыми э. д. с. и разными внутренними сопротивлениями
ратора с большим внутренним
ЗАДАЧИ ДЛЯ УГГ /‘.ИНН К НИИ
1. Генератор имеет э. д. с. £'=120 в, внутреннее сопротивление, 0,5 ом. Какое будет напряжение на приемниках, потребляющих ток: а) 10 а; б) 15 а; в) 20 а; г) 40 а?
О т в е т: а) 115 в; б) 112,5 в; в) 110 в; г) 100 в.
2. На паспорте генератора указана номинальная мощность Рном= = 3 кет, номинальное напряжение UНОЛ1=120 в. Рассчитать силу тока и сопротивление приемника при номинальном режиме.
Ответ'. 2,5 ом', 4,8 ом.
3. Э. д. с. генератора £=220 в, внутреннее сопротивление /?;=2 ом. Определить силу тока, полезную мощность и коэфициент полезного действия генератора в режиме наибольшей полезной мощности.
Ответ: 7=55 а; Р=6,95 кет-, т,= 0,5 (50%).
4. Найти ток короткого замыкания и мощность, теряемую па внутреннем сопротивлении генератора. Номинальная мощность генератора РИОН=2,5 кет, внутреннее сопротивление Н,=2 ом, номинальное напряжение Uном= 200 в.
Ответ: 7^., .,= 112 а\ Рк. .,= 25,2 кет.
5. Построить внешние характеристики двух генераторов, если известно, что э. д. с. обоих генераторов одинаковы: £! = £2=230 в, а внутренние сопротивления различны: Л(1=0,5 ом; Дг=2 ом.
6, Найти изменение напряжения на приемнике при изменении потребляемого им тока от 10 а до 18 а: а) приемник подключается к первому генератору задачи № 5; б) приемник подключается ко второму генератору задачи № 5.
Ответ: а) изменение напряжения при подключении к первому генератору 4 в; б) изменение напряжения при подключении ко второму генератору 16 в.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ Г
1. Как устроен реостат с плавным изменением сопротивления?
2. Как устроен реостат со ступенчатым изменением сопротивления?
3. Как изменяется сопротивление реостата при включении параллельных секций?
4. Почему через реостат нельзя пропускать силу тока больше той, на которую он рассчитан?
5. Нарисуйте схему включения реостата.
6. Как устроен делитель напряжения?
7. Как рассчитать напряжение на выходе делителя по известным сопротивлениям плеч делителя и по напряжению на зажимах делителя?
8. Почему напряжение на выходе делителя зависит от сопротивления приемника?
9. Что такое электродвижущая сила и внутреннее сопротивление генератора?
К). Что такое номинальная мощность генератора?
11. Как рассчитать сопротивление приемника, если известны номинальная мощность и поминальное напряжение генератора?
12. Как вычислить коэфициент полезного действия генератора?
13. Назовите характерные режимы работы генераторов.
14. В чем особенности режима холостого хода?
15. В чем особенности режима номинальной мощности?
16. В чем особенности режима наибольшей полезной мощности? Допускается ли этот режим?
17. Почему недопустим режим короткого замыкания генератора?
18. Что такое внешняя характеристика генератора?
19. Как влияет внутреннее сопротивление генератора на его внешнюю характеристику?
117
Глаеа VI
КОНДЕНСАТОРЫ
§ 1. ПОНЯТИЕ О КОНДЕНСАТОРЕ. ЕМКОСТЬ КОНДЕНСАТОРА
--------° И °------- — + Рис. 97. Простейший конденсатор
ника любой формы и,
Простейший конденсатор. В первой главе (§ 3) было дано понятие об электрической емкости как о способности тела накапливать определенный заряд при данном напряжении. Было указано, что емкость тела зависит от его размеров: например, емкость шара тем больше, чем больше его радиус. Было показано, что для получения сравнительно больших емкостей, применяющихся в технике, нужно очень сильно увеличивать размеры заряженного тола, что представляет большие неудобства, а часто просто невыполнимо. Так, например, шар, обладающий емкостью в 1 мкф, должен иметь радиус в 9 км.
Однако на опыте было обнаружено, что если взять дна провод-зделин их изолятором (воздух, слю
да, стекло и пр.), приложить к ним напряжение, то они способны воспринять гораздо большее количество электричества, чем каждый из них отдельно. Это показывает, что электрическая емкость такой системы получается сравнительно большой при малых ее размерах.
Устройство, состоящее из проводников, разделенных диэлектриком, и служащее для накопления электрических зарядов, называется конденсатором.
Простейший конденсатор можно представить в виде двух металлических пластин, между которыми проложен слой изолирующего материала (рис. 97). Металлические пластины называются обкладками конденсатора, а разделяет их диэлектрик конденсатора.
Обкладки конденсатора могут быть различной формы: в виде параллельных пластин, цилиндров разных диаметров, имеющих общую ось, металлических лент, свернутых спиралью, и т. н. Даже два провода, расположенные параллельно,
118
обладают емкостью и представляют собой конденсатор. Поэтому говорят о емкости линии и емкости соединительных проводов (но эта емкость очень мала). В схемах конденсаторы обозначаются двумя жирными параллельными отрезками (рис. 98).
Емкость конденсатора. Емкость всякого конденсатора зависит от трех величин: 1) от величины поверхности обкладок; 2) от расстояния между обкладками; 3) от свойств диэлектрика.
Для плоского конденсатора, обкладки которого представляют параллельные пластины, величина емкости С прямо пропорциональна площади поверхности одной обкладки (с одной
Рис. 98. Условное ||
обозначение -----------II-------
конденсатора *
стороны) 5, обратно пропорциональна расстоянию между ними (1, т. е. толщине слоя диэлектрика, и зависит от материала диэлектрика, т. е. от его диэлектрической проницаемости е.
Емкость плоского конденсатора определяется по формуле с_0,09г5 d ’
где С — емкость в микромикрофарадах; S — площадь пластины в квадратных сантиметрах; d — расстояние между пластинами (толщина диэлектрика) в сантиметрах; е (эпсилон) — диэлектрическая и роиицаемость.
Значения диэлектрической проницаемости приведены в табл. 3.
'Г а б л и и а 3
Значения диэлектрических ирэиицаечоетей pniamiii.n материалов
Диэлектрин Диэлектрическая проницаемость Диэлектрин Диэлектрическая прон ицаем ост ь
Воздух Парафин или парафинированная бумага . . Эбонит Масло трансформаторное . . . 1 2 От 2 до 3,5 От 2 до 2,5 Прессшпан . . . Слюда Бакелит Стекло Мрамор От 2,5 до 4 От 3 до, 8 От 4 до 8 От 5 до 8 8
Значит, введением того пли иного диэлектрика мы увеличиваем емкость воздушного конденсатора в несколько раз. Например, емкость воздушного конденсатора равна ЮОО мкмкф; при введении между ого обкладками слюды лучшего качества (е=8) мы можем получить емкость 8000 мкмкф.
// р и м е р 7. Определить емкость конденсатора, если 5—50 см2, d—0,3 мм. Диэлектриком служит слюда среднего качества (е—5).
И!)
п т? 0,09e«S 0,09-5-50 r,rn .
Реше н и e. Емкость C = —— = — — = 750 мкмкф (расстояние между обкладками d подставляем в сантиметрах: а?=0,3 мл=0,03 см).
Пример 2. Воздушный конденсатор имеет емкость Cj= 100 мкмкф.
Определить, чему будет равна емкость С2 этого конденсатора, если между его обкладками проложить парафинированную бумагу.
Решена е. Диэлектрическая проницаемость парафинированной бумаги е=2. Емкость увеличится в два раза, т. е. будет равна С2=2.100=200 мкмкф.
§ 2. ЗАРЯД И РАЗРЯД КОНДЕНСАТОРА
Заряд конденсатора. Для того чтобы зарядить конденсатор, необходимо включить его в цепь постоянного тока. На рис. 99 показана схема заряда конденсатора. Конденсатор С присоединен к зажимам генератора Г. При помощи ключа К можно замкнуть пли разомкнуть пень. Рассмотрим подробно процесс заряда конденсатора.
Генератор обладает внутренним сопротивлением которое для наглядности показано на схеме отдельно (так принято обозначать /1: в схемах, 1де нельзя пренебречь внутренним сопротивлением источника).
При замыкании ключа конденсатор зарядится до напряжения между обкладками, равного э. д. с. генератора: UC=E. При этом обкладка, соединенная с положительным зажимом генератора, получает положительный заряд (-!</), а вторая обкладка получает равный по величине отрицательный заряд (—q). Величина заряда (/, как мы уже знаем, прямо пропорциональна емкости конденсатора С я напряжению на его обклад^ ках I/с:
q—CUc.
Для того чтобы обкладки конденсатора зарядились, необходимо, чтобы одна из них приобрела, а другая потеряла некоторое количество электронов. Перенос электронов от одной обкладки к другой совершается по внешней цепи электродвижущей силой гене
ратора, а сам процесс перемещения зарядов по пени есть не что иное, как электрический ток, называемый з а р я д в ы м емкостным током / м/,.
Зарядный ток в цепи протекает обычно тысячные доли секунды до тех пор, пока напряжение на конденсаторе достигнет величины, равной э. д. с. генератора.
Гис. 99.
Схема заряда конденсатора
120
График нарастания напряжения на обкладках конденсатора в процессе его заряда представлен на рис. 100,а, из которого видно, что напряжение Uc плавно увеличивается, сначала быстро, а затем все медленнее, пока не станет равным э. д. с. генератора Е. После этого напряжение на конденсаторе остается неизменным.
Пока конденсатор заряжается, по пени проходит зарядный ток. График зарядного тока показан на рис. 100,6. В началь-
Гис. 100. Графики напряжения
и тока при заряде конденсатора
ный момент зарядный ток имеет наибольшую величину, потому что напряженно па конденсаторе еще равно нулю, и по закону Ома , так как вся э. д. с. генератора приложена к со-
противлению //,. По мере' того как конденсатор заряжается, т. е. возрастает напряженно па нем, сила зарядного тока уменьшается. Когда напряжение на конденсаторе уже имеется, падение напряжения на сопротивление Ht будет равно разности между э. д. с. генератора и напряжением па конденсаторе, т. е. равно Е—Uс. Поэтому
. '_E-UC
l3av'~ Ri •
Отсюда видно, что с увеличением Uc уменьшается i3ap и при UC=E зарядный ток становится равным нулю.
Продолжительность процесса заряда конденсатора зависит от двух величин: 1) от внутреннего сопротивления генератора /?., 2) от емкости конденсатора С.
Па рис. 101 показаны графики зарядных токов для конденсатора емкостью 10 мкф: кривая 1 соответствует процессу заряда от генератора с э. д. с. Е—100 вис внутренним сопротивлением Л;= Ю ом; кривая 2 соответствует процессу заряда от генератора с такой же э. д. с., но с меньшим внутренним сопротивлением: 1^—5 ом.
Из сравнения этих кривых видно, что при меньшем внутреннем сопротивлении генератора сила зарядного тока в начальный момент больше, и поэтому процесс заряда происходит быс грее.
121
На рис. 102 дается сравнение графиков зарядных токов при заряде от одного и того же генератора с э. д. с. Е= 100 в и внутренним сопротивлением /?;= 10 ом двух конденсаторов разной емкости: 10 мкф (кривая 7) и 20 мкф (кривая 2).
Е ЮО ,л
Величина начального зарядного тока /01(гр=—= = 10а
одинакова для обоих конденсаторов, но гак как конденсатор
0 0,0001 0,0003 0,0005
Время В секундах
Рис. 101. Графики зарядных токов при разных сопротивлениях
I'm’. 10'2. Графики зарядных токов при разных емкостях
большей емкости накапливает большее количество электричества, то зарядный его ток должен проходить дольше, и процесс заряда получается более длительным.
Разряд конденсатора. Отключим заряженный конденсатор от генератора и присоединим к его обкладкам сопротивление, как показано на схеме рис. 103.
На обкладках конденсатора имеется напряжение Uс, поэтому в замкнутой электрической цепи потечет ток, называемый разряд и ы м е м к о с, т и ы м т о к о м ipn3.
Ток идет от положительной обкладки конденсатора через сопротивление И к отрицательной обкладке. Это соответствует
Рис. 1Q3.
Схема разряда конденсатора
переходу избыточных электронов с отрицательной обкладки на положительную, где их недостает. Процесс разряда происходит до тех пор, пока потенциалы обеих обкладок по сравняются, т. о. разность потенциалов между ними станет равной пулю: Uc=^.
122
На рис. 104,а показан график уменьшения напряжения на конденсаторе при разряде от величины [7со=ЮО в до нуля, причем напряжение уменьшается сначала быстро, а затем медленнее.
На рис. 104,б показан график изменения разрядного тока. Сила разрядного тока зависит от величины сопротивления R и по закону Ома
I — ис
Ра:>- -R •
В начальный момент, когда напряжение па обкладках конденсатора наибольшее, сила разрядного тока также наибольшая, а с уменьшением Uc в процессе разряда уменьшается и разрядный ток. При UC=Q разрядный ток прекращается.
Продолжительность разряда зависит: 1) от емкости конденсатора С и 2) от величины сопротивленияR, на которое конденсатор разряжается.
Чем больше сопротивление R, тем медленнее будет происходить разряд.
Это объясняется тем, что при большом сопротивлении сила разрядного тока невелика и величина заряда на обкладках конденсатора уменьшается медленно,
Рис. 104. Графики напряжения и тока при разряде
Это можно показать на графиках разрядного тока одного и того же конденсатора, имеющего емкость 10 мкф и заряженного до напряжения 100 в, при двух разных величинах сопро-
. 1 ,, ,,, . Uco юо
тивления (рис. 105); кривая I — при R—W ом, 10раз=
юо
= 2,5 а и кривая 2 — при 7? = 20 ом, iОраз~^20 = а-
Разряд происходит медленнее также тогда, когда емкость конденсатора велика. Получается это потому, что при большей емкости на обкладках конденсатора имеется большее количество электричества (больший заряд) и для стекания заряда потребуется больший промежуток времени. Эго наглядно показывают графики разрядных токов для двух конденсаторов разной емкости, заряженных до одного и того же напряжения
100 в и разряжающихся на сопротивление 7?=40 ом, (рис. 106: кривая 1 — для конденсатора емкостью 10 мкф и кривая 2 — для конденсатора емкостью 20 мкф).
Из рассмотренных процессов можно сделать вывод, что
в цепи с конденсатором ток проходит только в моменты заряда и разряда, когда напряжение на
1г,5
5,0
uciiooa
С =10 мкф
Rf-40 ом для кривой 1
Rz=20 ом для кривой 2
. t
0 0,0002 0,0006 0,0010 0,0012
Время В секундах
при
Рис. 105. Графики разрядных токов разных сопротивлениях
Рис,. 106. Графики разрядных токов при разных емкостях
его обкладках, тем больше будет конденсатора. Величина энергии, тор емкостью С, заряженный до
обкладках меняется.
Объясняется это тем, что нрн изменении напряжения изменяется величина заряда на обкладках, а для этого требуется перемещение зарядов по цепи, т. е. по цепи должен проходить электрический ток.
Заряженный опденсатор pony с кает T О Я Н II о г о т о так как диэлектрик между его обкладками размыкает цепь.
Энергия конденсатора. В процессе заряда конденсатор накапливает энергию, получая ее от генератора. При разряде вся энергия екого поля в тепловую т. о. идет сопротивления, которое конденсатор. Чем больше емкость конденсатора и напряжение на энергия электрического поля которой обладает конденса-напряжения U, равна:
к п
н е п о-к а,
конденсатора электриче-переходит энергию, на нагрев через разряжается
W = с 2
Пример. Конденсатор С=10 мкф заряжен до напряжения П~,500 s. Определить энергию, которая выделится в виде тепла па сопротивлении, через которое разряжается конденсате р.
124
Решение. При разряде вся энергия, запасенная конденсатором, перейдет в тепловую. Поэтому
JF
1О.1О-°.5ОО2
1,25 дж.
§ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНДЕНСАТОРОВ
Кроме емкости, электрические свойства конденсатора характеризуются током утечки и электрической прочностью.
Ток утечки. Идеальный заряженный конденсатор, который совершенно не пропускает постоянного тока, ие должен разряжаться, если его обкладки разомкнуты, т. о. если к ним не присоединено сопротивление. Однако идеальных конденсато
Рис. 107. За счет утечки уровни воды HbipaiiiiiiuaioTi H
I’ne.. IOS. Большой напор воды приводит к ирорыпу плотины
ров не существует. В этом можно убедиться, проделав следующий опыт.
Отключим заряженный конденсатор от генератора и, оставив его обкладки разомкнутыми, измерим через некоторое время напряжение на нем вольтметром с очень большим сопротивлением. Оказывается, что напряжение стало меньшим, чем было сразу после прекращения заряда. Через более длительный промежуток времени конденсатор окажется совсем разряженным. Это явление называется саморазрядом к онде и с а т о р а.
Саморазряд конденсатора объясняется тем, что в природе, как мы уже говорили, ие существует идеальных диэлектриков, совершенно не проводящих электрического тока.
В каждом диэлектрике имеется небольшое количество свободных электронов и иод действием разности потенциалов создается электрический ток, который называется током у т о ч к и.
Величина тока уточки обычно очень мала (миллионные доли ампера), но она зависит от приложен ново напряжения, температуры и влажности. Чем больше напряжение па кон
денсаторе, тем больше ток утечки. G повышением температуры и влажности jok утечки также увеличивается, потому что уменьшается сопротивление изоляции между обкладками. У хороших конденсаторов сопротивление изоляции измеряется сотнями миллионов ом.
Если взять два конденсатора, заряженных до одного и того же напряжения, например 500 в. но имеющих разные сопротивления изоляции, то окажется, что у конденсатора с меньшим сопротивлением изоляции саморазряд произойдет быстрее (подобно тому, как при более пористой плотине (рис. 107) уровни воды в водоемах сравняются скорее). В этом легко убедиться на опыте, наблюдая за изменением напряжения на обкладках этих конденсаторов при помощи вольтметров с очень большим сопротивлением.
Электрическая прочность. Опытным путем было найдено, что при увеличении напряжения на обкладках конденсатора сопротивление его изоляции уменьшается и растет ток утечки. Если продолжать увеличивать напряжение, то при определенной его величине диэлектрик разрушается и начинает проводить ток — наступает пробой конденсатора.
Пробой конденсатора условно можно сравнить с местным разрушением (прорывом) плотины под большим напором воды, создаваемым разностью уровней в двух водоемах (рис. 108).
Напряжение, при котором конденсатор пробивается, называется пробивным напряжением Unp.
Пробивное напряжение характеризует электрическую прочность конденсатора, т. е. способность его диэлектрика выдерживать разрушающее действие приложенного напряжения.
На каждом конденсаторе указываются напряжения, характеризующие условия его применения и его электрическую прочность: 1) рабочее напряжение — наибольшее напряжение, при котором конденсатор может работать в течение длительного времени, — Upa6o4; 2) испытательное напряжение — наибольшее напряжение, которое конденсатор выдерживает без пробоя при испытании на заводе в течение одной минуты,— Uисп. В целях запаса электрической прочности рабочее напряжение конденсатора устанавливается в два или три раза меньше испытательного. Например, для бумажного конденсатора 200 в; (7исл=600 в или U,,абоч=
= 500 в; Uucn= 1500 в.
Если не превышать рабочего напряжения, указанного заводом, то конденсатор может надежно работать много тысяч часов.
Электрическая прочность конденсатора и его пробивное напряжение значительно снижаются при повышении влажности и температуры (свыше 40—50°С).
126
§ 4. СОЕДИНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ
Конденсаторы, так же как и сопротивления, могут соединяться группами: параллельно, последовательно и смешанно.
Параллельное соединение конденсаторов. Для того чтобы получить большую емкость, применяется параллельное соединение конденсаторов, как показано на рис. 109. При этом соединяются вместе все первые обкладки и к ним подключается один зажим источника тока, а ко вторым обкладкам, соединенным вместе, подключается другой зажим источника. Из схемы видно, что напряжение на всех конденсаторах при параллельном соединении одно и то же, но каждый конденсатор получает
Рис. 109. Параллельное соединение конденсаторов
различное количество электричества, пропорциональное его емкости.
Полный заряд, полученный всеми конденсаторами, равен сумме зарядов отдельных конденсаторов. Общая емкость параллельно соединенных конденсаторов тем больше, чем больше полный заряд; значит, общая емкость тем больше, чем больше емкость каждого конденсатора, н равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. Подобно этому общая вместимость нескольких сосудов, в которые наливается жидкость, равна сумме вместимостей каждого сосуда, потому что все количество жидкости распределяется по отдельным сосудам.
Итак, общая емкость параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов:
C=C1-j-C2-]-C3.
Пример 1. Параллельно соединены два конденсатора емкостью 5 мкф и 10 мкф. Чему равна общая емкость?
Решена е. Общая емкость равна сумме их емкостей, т. о. С’=5Ц-1О=15 мкф.
Пример 2. Найти общую емкость пяти конденсаторов ио 2 мкф каждый, если они соединены параллельно.
Р е ш е и и е. Общая емкость равна суммо емкостей отдельных конденсаторов, но они равны по величине; значит, надо
127
сложить пять одинаковых величин или просто взять пять раз по 2 мкф-.
С = 5-2=10 мкф.
Отсюда можно сделать вывод:
Если параллельно соединяется» конденсаторов одинаковой емкости Clt то общая емкость равна произведению емкости одного конденсатора па число конденсаторов:
С—пС1.
Последовательное соединение конденсаторов. На рис. 110 показано последовательное соединение двух конденсаторов. Если включить эти конденсаторы в цепь постоянного тока, то
Рис. 110. Последовательное соединение конденсаторов
электроны перейдут от внешней обкладки 1 первого конденсатора, соединенной с положительным зажимом источника, к внешней обкладке 4 второго конденсатора, соединенной с отрицательным зажимом источника. В результате этого первая обкладка получит положительный заряд (-|-</), а последняя— отрицательный заряд (—</). Внутренние обкладки 2 и 3, не соединенные понос родственно с зажимами источника, не получат извне дополнительных зарядов. Однако под действием сил электрического поля свободные электроны, находящиеся в металлических обкладках 2 н 3 и соединяющем их проводнике, будут прптя!икаться к обкладке 1 и отталкиваться от обкладки '4. Поэтому произойдет скопление электронов на обкладке 2, и она полудит отрицательный заряд (—7), а на обкладке 3 будет недостаток электронов, и она получит положительный заряд (-|-q).
Таким образом, обкладки каждого конденсатора будут иметь равные по величине и противоположные по знаку заряды.
Если емкости конденсаторов различны, то и напряжения на них при одинаковых зарядах будут различны (q—CV), но общее напряжение на зажимах пени всегда равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах. Значит, общее напряжение всегда больше напряжения на каждом из конденсаторов. Мы знаем, что при одном н том же заряде чем больше 128
напряжение, тем меньше емкость. Раз общее ' напряженно больше напряжения на каждом из конденсаторов, то общая емкость меньше емкости каждого отдельного конденсатора.
Итак, при последовательном соединении конденсаторов общая емкость меньше емкости каждого из них.
Г> частности, при последовательном соединении двух конденсаторов общая емкость равна произведению емкостей отдельных конденсаторов, деленному на их сумму:
р__ Oi С,
Cj + C’a •
Пусть последовательно соединены два конденсатора оди-
С с паковой емкости. Тогда общая емкость будет равна С=„ 1 * = Gj-h Gj
С2 с
= 2с^=~^> Тф I! H|ia раза меньше емкости одного конденсатора.
Если соединить после д о внт е л ь п о п конденсаторов равной о м к о с т п, то общая емкость будет в п ра з мо н ь ш о е м к о с т и одного конденсатора:
С--' . п
П р и м < р /. Определить емкость двух конденсаторов, соединенных iioijh'/iouhtivii.iio, если <',«"2 мкф и 6’а=б мкф.
Р с ш е. н и е. Емкость двух носл('доннтол1.но соединенных конденсаторов:
С—... - -Д - = = 1,5 мкф.
С1 + С2 2 + () 8
П ример 2. Найти емкость четырех последовательно соединенных конденсаторов по 2 мкф каждый.
Р е га е н и е. Общая емкость будет в 4 раза меньше емкости одного конденсатора:
С—^-ф = —=—=0,5 мкф.
Пример 3. Дна одинаковых конденсатора включены последовательно, причем рабочее напряжение каждого из них ираво,,=200 в. Определить, какое требуется напряжение па зажимах цепи U, чтобы конденсаторы находились под рабочим напряжением.
Р е ги е и и е. Общее напряжение па зажимах пени равно сумме напряжений па отдельных конденсаторах, т. е. [7=[71-|-+£/2=200-|-2()0~ 400 в.
9
Электротехники
129
Отсюда можно сделать вывод, что общее рабочее напряжение одинаковых по емкости последовательно соединенных конденсаторов равно сумме рабочих напряжений каждого из них (при условии одинаковых сопротивлений изоляции конденсаторов).
Подобно этому общее испытательное и пробивное напряжение одинаковых последовательно соединенных конденсаторов
о— +
U
Рис. 111. Смешанное соединение конденсаторов
тоже равно сумме соответствующих напряжений отдельных конденсаторов.
Поэтому последовательное включение нескольких одинаковых конденсаторов п р и м е и я о т гя д л я у в о л и ч е н и я их общей э л е к т р и ч о с к о ii п р о ч и о с т и.
Смешанное соединение конденсаторов. Если требуется одновременно увеличить емкость и электрическую прочность конденсаторов, то применяется смешанное соединение (рис. 111). При этом для определения общей емкости нужно сначала найти емкость последовательно соединенных конденсаторов каждой из параллельных ветвей, а затем общую емкость. Например, для соединения, показанного па рис. 111, емкость первой ветви будет С'=-/С2 , емкость второй ветви С" = , а
С1 + С/2 kg + Ca
общая емкость Г — (’ |
Решим для такой пени два примера.
Пример /. Определить общую емкость конденсаторов (рис. 111), если С\ = 2 мкф>\ ('а—8 мкф>\ С3==б мкф-, С4=1С) мкф.
Решение.
С = С'+С";
Сг
Ci +Са
2.8
2 + 8
7^=1,6 мкф)-, 10 J
СЛС,
С8ЬС4
6-10
6+10
60
16
3,8 мкф-,
С—1,63,8=5,4 мкф.
П р амер 2. Найти общую емкость четырех одинаковых конденсаторов по 10 мкф, соединенных ио такой же схеме, как и предыдущем примере.
130
Решение. Емкость каждой ветви, состоящей из двух 0 последовательно соединенных конденсаторов, равна: С" = -^= 10
=—=5 мкф. Емкость двух таких параллельных ветвей равна:
С=2С=2-5=10 мкф, т. е. при таком соединении одинаковых конденсаторов общая емкость равна емкости отдельного конденсатора.
§ 5. УСТРОЙСТВО КОНДЕНСАТОРОВ
По типу диэлектрика, разделяющего обкладки, конденсаторы постоянной емкости делятся на: 1) бумажные, 2) слюдяные, 3) электролитические, 4) керамические, 5) воздушные.
Бумажные конденсаторы. В конденсаторах этого типа диэлектриком служит специальная тонкая бумага, называемая конденсаторной бумагой, а металлические обкладки изготовляются из алюминиевой или оловянной фольги. Качество конденсатора зависит от качества и обработки применяемой бумаги. Конденсаторная бумага пропитывается парафином или минеральным маслом.
Обкладки бумажных конденсаторов изготовляются из двух длинных полос оловянной фольги (станиоля) или алюминиевой фольги. Между полосами фольги и поверх них прокладываются более широкие полосы бумаги в несколько слоев, чтобы увеличить электрическую прочность, а следовательно, и рабочее напряжение конденсатора.
Рис. 112. Устройство бумажного конденсатора
и его секции
Полосы фольги вместе с бумажными прокладками сворачиваются в рулон, который является секцией конденсатора (рис. 112). Затем секция пропитывается минеральным маслом. Для изготовления некоторых типов конденсаторов секции придается плоская форма. В конденсаторе может быть одна или несколько секций, соединенных между собой параллельно для увеличения емкости. Общая емкость конденсатора зависит от числа секций, а емкость секции — от длины и ширины полосы
9*
131
фольги (площадь обкладки) и толщины бумаги (расстояние между обкладками) и подсчитывается, как емкость плоского конденсатора. Секции помещаются в металлический корпус с изолированными выводами от обкладок (рис. 112). Корпус герметически закрывается, окрашивается и на нем наносятся надписи, указывающие тип и основные данные конденсатора.
Рис, 113. Бумажные герметизированные конденсаторы типа КБГ-И и КБГ-М
Рис. 114. Бумажный конденсатор типа К Б Г-МП
Ранее выпускались бумажные кондовей горы малин емкости в цилиндрическом картонном корпусе тина I>1«, ВИН' и большей емкости в жестяном корпусе прямоугольной формы типа БП.
Рис. 115. Бумажные конденсаторы типа КБГ-МН
В последнее время взамен этих конденсаторов отечественной промышленностью выпускаются более совершенные бумажные конденсаторы в металлическом (иногда керамическом) корпусе, герметически изолированные от окружающей среды, типа КБГ (конденсатор бумажный герметизированный). Герметизация достигается путем пропайки оловом швов корпуса и осуществлением выводов сквозь стекловидную массу, плотно прилегающую к выводам в к корпусу.
132
Конденсаторы тина КБГ изготавливаются в четырех различных конструктивных оформлениях:
1) КБГ-И — в цилиндрическом корпусе из керамики (рис. 113);
2) КБГ-М — в цилиндрическом металлическом корпусе (рис. 113);
3) КБГ-МП — в металлическом корпусе плоской формы (рис. 114);
4) КБГ-МН — в металлическом корпусе нормальной прямоугольной формы (рис. 115) (взамен ранее выпускавшихся герметизированных конденсаторов пипа МКВ).
Конденсаторы типа КБГ-И имеют самую малую емкость — от 470 мкмкф до 0,1 мкф, а конденсаторы типа КБГ-МН самую большую емкость — от 0,25 до 10 мкф. Допускается отклонение емкости от поминальной величины для различных классов конденсаторов па ±5%,<±:10% или г±20%.
Первые два типа конденсаторов выпускаются на рабочие напряжения 200, 400 и 600. в, а последние два типа — на 200, 400, 600, 1000 и 1500 в. Испытательное напряжение для бумажных конденсаторов в 2—3 раза выше рабочего.
Некоторые данные бумажных конденсаторов приведены в табл. 4.
Таблица 4
Данные бумажных геряотитировапных конденсаторов
IMtHl'irc 11,1111> 1ПКГ J1ИС (II н< >л кт;» X )
Тип 200 400 <;<)<) 1000 III 00
Емкость (в микрофарадах)
КБГ-И 'От 0,00047 до 0,1 От 0,00047 до 0,05 Ст 0,00047 до 0,025 — —
КБГ-М От 0,025 до 0,25 От 0,01 до 0,25 От 0,01 до 0,2 — —
КБГ-МП От 0/5 До 2 От 0,1 ДО 1 От 0,01 ДО 1 От 0,01 до 0,5 От 0,01 до 0,25
КБГ-МП От 1 до 10 От 0,5 до 8 От 0,5 ДО 6 От 0,25 до 4 От 0,5 до 2
Слюдяные конденсаторы, Слюдяные конденсаторы собираются из отдельных полос металлической фольги, между которыми прокладываются тонкие пластинки слюды.
133
Рис. 117. ('.людиные конденсаторы типа ПРО
Рис. 1 IS. Керамические конденсаторы: а — aacKiiiii.iii, типа ИДК; <> — трубчатый, типа КТК
Фильтровальная бумага, пропитанная электролитом Алюминиевая фольга
окиси алюминия Алюминиевая фольга
Рис. 119. Устройство электролитического конденсатора
134
которую с двух сторон
Полосы фольги соединяются между собой через одну, как показано на рис. 116, так что получается как бы несколько плоских конденсаторов, включенных параллельно (число таких параллельных конденсаторов получается на один меньше, чем число полосок фольги).
Готовые секции конденсаторов спрессовываются между щетками из плотного прессшпана или слюды (старые типы конденсаторов САМ и КОС) либо запрессовываются в пластмассу (современные конденсаторы типа КСО).
Слюдяные конденсаторы имеют очень большое сопротивление изоляции и практически не имеют тока утечки. Запрессованные в пластмассу, они мало подвержены влиянию окружающей среды. Конденсаторы типа КСО (конденсатор слюдяной опрессованный), изображенные на рис. 117, выпускаются различной конструкции и размеров — от КСО-1 до КСО-13, емкостью от нескольких десятков до нескольких тысяч микромикрофарад. По степени зависимости величины емкости от температуры окружающей среды конденсаторы типа КСО делятся на четыре температурные группы: А, Б, В и Г. Рабочее напряжение от 500 до 3000 в.
Керамические конденсаторы. В керамических конденсаторах диэлектриком служит керамика, на наносится металлический слой (обкладки). Керамические конденсаторы имеют очень Ma.ui.iii ток утечки. Толщина диэлектрика в них .сравнительно поляка, поэтому они имеют небольшую емкость — от 5 до 1000 мкмкф. Керамические конденсаторы выпускаются двух конструкций: дисковые (тип КДК — конденсатор дисковый керамический) и трубчатые (тип КТК — конденсатор трубчатый керамический; рис. 118).
Электролитический конденсатор изготовляется из двух полос алюминиевой фольги, между которыми прокладывается фильтровальная бумага или материя, пропитанная специальным раствором — электролитом (рис. 119). Полученная заготовка сворачивается в плотный рулон it помещается в цилиндрический алюминиевый корпус, который затем заливается сверху смолой и закрывав
стппкой (рис. 120). В процессе изготовления конденсатора через пего пропускают постоянный ток, подводя напряжение к полосам алюминиевой фольги, служащим электродами. Происходит электролиз, про котором полоса алюминиевой фольги, соединенная с положительным зажимом источника (анод), по-
Рис. 120. Электролитические конденсаторы
типа КЭ-1:
а — высоковольтный; б — низковольтный
t изоляционной пла-
135
врывается тонким слоем окиси алюминия; полоса фольги, являющаяся катодом, не окисляется. Получающаяся на аноде пленка окиси является изолятором, и поэтому ток через электролит постепенно уменьшается. В готовом электролитическом конденсаторе тонкая пленка окиси алюминия служит диэлектриком конденсатора. От полосы окисленной алюминиевой фольги через верхнюю изоляционную крышку делается вывод,' который является положительным полюсом (плюсом) конденсатора. Отрицательным полюсом (минусом) служит корпус конденсатора, соединенный внутри с полосой алюминиевой фольги,
Рис. 121. Условное оСозлачо-
- ।—II ) ппе электролитического копдеи-
сатора
не покрытой слоем окиси. Обычно на схемах у обкладок электролитического конденсатора ставят знаки + или —. Иногда электролитический конденсатор обводят па схеме кружком (рис. 121).
При включении :>л о к г р о л и т и ч е с к о г о конденсатора и о о б х о д и м о с т р о г о с о-б л ю д а т ь полярное т ь.
Если включить конденсатор неправильно, т. о. подать положительное напряженно на корпус, то опять будет происходить
Рис. 122. Электролитический конденсатор типа КЭ-2
электролиз, по теперь уже прежний слой окиси будет разрушаться, а окисляться начнет другая полоса алюминиевой фольги, соединенная с корпусом. Это может привести к пробою конденсатора, т. е. к короткому замыканию цепи, к которой конденсатор присоединен.
По этой причине электролитический конденсатор может работать только в пени постоянного или пульсирующего тока (который не меняется по направлению). При пульсирующем токе переменная составляющая должна быть не больше 5-ы10% постоянной составляющей.
Особенностью электролитических конденсаторов является сравнительно большой ток утечки, причем в момент включения он имеет наибольшее значение (около 0,1 ма на каждую микрофараду емкости), так как восстанавливается частично раство
136
рившаяся пленка окиси. В процессе работы ток утечки уменьшается примерно до 0,02 ма на 1 мкф.
При повышении температуры ток утечки резко увеличивается. В'роме того, при повышении температуры выше 4-50°С сильно снижается электрическая прочность конденсатора и наступает его пробой. Поэтому электролитические конденсаторы никогда нельзя располагать вблизи сильно нагревающихся деталей.
Конденсатор должен работать в вертикальном положении, чтобы не вытекал электролит.
Емкость электролитического конденсатора непостоянна. Она сильно зависит от напряжения и температуры.
При увеличении напряжения увеличивается в процессе электролиза толщина слоя окиси, т. е. толщина диэлектрика, следовательно, уменьшается емкость. При понижении температуры емкость конденсатора также уменьшается. При очень низких температурах электролит замерзает, и конденсатор может выйти из строя. Промышленность выпускает специальные морозостойкие электролитические конденсаторы, обозначая их индексами М или ОМ. Эти конденсаторы могут работать при температурах —30° и —40°.
В зависимости от величины рабочего напряжения электролитические конденсаторы делятся па две группы: 1) высоковольтные — до ГИЮ « и 2) низковольтные — до 40 в
Высоковолыиые и низковольтные конденсаторы имеют одинаковое устройство, ио низковольтные имеют большую емкость при меныпих размерах и moi ут выпускаться в картонном корпусе (в этом случае выводы делпюн и с торнов).
Нашей промышленностью выпускаются электролитические конденсаторы трех типов: КЭ-1, КЭ-2 и КЭ-3 высоковольтные — емкостью от 5 до 30 мкф и низковольтные — до 2000 мкф. Конденсатор типа КЭ-2 показан на рис. 122. 1
Для электролитических конденсаторов указывается не испытательное, а так называемое пиковое напряжение, которое немного превышает рабочее напряжение.
Преимуществом электролитических конденсаторов по сравнению со слюдяными и бумажными является большая величина емкости при малых размерах конденсатора, особенно для низковольтных конденсаторов. Это объясняется тем, что толщина слоя окиси, являющейся диэлектриком, очень мала.
Недостатком электролитических конденсаторов является большой ток утечки и мопыпая электрическая прочность по сравнению со слюдяными и бумажными конденсаторами. Кроме того, со временем электролит высыхает, и емкость конденсатора уменьшается.
Конденсаторы переменной емкости. 1’ассмотрсииые выше конденсаторы— это кондонелторы иостонниой емкости. Часто в радиотехнике при работе устройства требуется изменить емкость конденсатора. Для
137
этой цели применяются воздушные конденсаторы переменной емкости. Устройство одной секции такого конденсатора показано на рис. 123. Обкладками конденсатора являются две металлические пластины (чаще всего алюминиевые). Одна из пластин неподвижна, а другая может вращаться при помощи ручки, заходя под первую пластину. Емкость всякого конденсатора увеличивается с увеличением площади обкладок. В данном случае площадью обкладок можно считать только площадь перекрывающих друг друга частей пластин. Значит, чем больше заходит подвижная пластина под неподвижную, тем больше емкость конденсатора. Емкость будет наименьшей, когда стрелка, связанная <. подвижной пластиной и показывающая угол ее поворота, стоит иа О ’, как показано на рис. 123, я. По мерс поворота пластины емкость будет увеличиваться (рис. 123, б) и станет наибольшей, когда обе обкладки находятся полностью друг под другом (рис. 123, в).
Для увеличения емкости такие секции соединяются параллельно. При этом неподвижные пластины соединяются металлическими стойками и образуют систему Н, а подвижные соединяются металлической осью О и образуют систему П (рис. 124).
Рис. 123. Секция конденсатора переменной емкости
Рис. 124. Конденсатор переменной емкости и его условное обозначение
Вращением ручки, связанной с осью, вся система подвижных пластин поворачивается, и величина емкости изменяется.
На схемах конденсатор переменной емкости изображается со стрелкой, как показано на рис. 124.
J.1/1411 ДЛЯ УПРАЖНЕНИЙ
1. Определить емкость слюдяного конденсатора, состоящего из 4 полосок фольги площадью 2,3 с.и.-’ кпждап. Между обкладками положены властинкн слюды лучшего качества (; 8) толщиной 0,1 мм.
Ошве di. ООО мкмкф.
2. Определить, какой заряд получат обкладки конденсатора емкостью 5 мкф, если к ним приложить напряженно 400 с.
Ответ: 0,002 к.
3. Два конденсатора, соединенные последовательно, включены на напряжение 100 в. Определить напряжение на каждом конденсаторе, если емкость первого 2 мкф, а емкость второго 3 мкф.
Ответ: 40 в и ВО в.
4. Определить емкость трех параллельно соединенных конденсаторов, если емкости отдельных конденсаторов 8 мкф, 10 мкф и 4 мкф. Найти величину заряда каждого конденсатора, если к ним приложено напряжение 2000 в.
О т в е т: 1) 22 мкф; 2) 0,016 к; 0,02 к п 0,008 к.
5. В распоряжении имеются только бумажные конденсаторы по 2 мкф каждый рабочим напряжением 500 в. Сколько нужно взять конденсаторов и как их соединить, чтобы получить емкость 10 мкф' и включить конденсаторы на напряжение 900 в?
138
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ ГТ
1. Что такое конденсатор?
2. Как устроен простейший плоский конденсатор?
3. От чего зависит величина емкости конденсатора?
4. Как происходит процесс заряда конденсатора?
5. Как происходит разряд конденсатора?
6. Что такое ток утечки конденсатора?
7. Чем характеризуется электрическая прочность конденсатора и как выбирается его рабочее напряжение?
8. Как определяется общая емкость параллельно соединенных конденсаторов?
9. Как распределяются заряды между отдельными конденсаторами при параллельном их соединении?
10. Чему равна общая емкость при параллельном соединении нескольких конденсаторов одинаковой емкости?
И. Как определяется общая емкость двух последовательно соединенных конденсаторов?
12. С какой целью конденсаторы соединяют последовательно?
13. Какие вы знаете типы конденсаторов?
14. Как устроен бумажный конденсатор?
15. Назовите марки бумажных конденсаторов, выпускаемых отечественной промышленностью.
16. Как устроен слюдяной конденсатор и какими преимуществами перед бумажными конденсаторами он обладает?
17. Kart устроен электролитический конденсатор?
18. Перечислите основные особенности и правила эксплуатации электролитических конденсаторов.
19. Какую величину имеет ток утечки электролитических конденсаторов?
20. В чем ааключаинтп преимущества электролитических конденсаторов перед бумажными? В чем их недостатки?
Гласа VII
МАГНЕТИЗМ И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
§ 1. МАГНЕТИЗМ
Магниты и их свойства. Один из видов железной руды, магнитный железняк, обладает замечательным свойством притягивать к себе стальные и железные предметы (рис. 125). Магнитная руда, встречающаяся в природе, называется естественным магнитом.
Магнитные свойства можно сообщить стальному стержню. Для этого нужно провести несколько раз магнитом вдоль стального стержня в одном направлении, и он upi обретет свойство притягивать к себе железные предметы, т. о. сам станет магнитом. Этот процесс называется намагничиванием.
Намагниченный стальной стержень называется искусственным магнитом. Если попытаться намагнитить не стальной стержень, а брусок из мягкого железа, то окажется, что магнитными свойствами он обладает только в то время, когда к нему прикасается магнит. Как только мы уберем магнит, брусок из мягкого железа потеряет свои магнитные свой
Рис. 125. Магнитная руда притягивает железные предметы
Рис. 126. Полюсы магнита притягивают железные опилки
ства. Другие металлы, например медь, алюминий, совсем но намагничиваются, т. е. не приобретают магнитных свойств.
Естественные магниты, а также те искусственные магниты, которые сохраняют свои магнитные свойства после прекращения процесса намагничивания, называются постоя till ы м и м а г и и т а м и.
140
Проделаем несколько опытов с постоянным магнитом. Опустим магнит в железные опилки. Оказывается, что опилки больше всего пристают к концам магнита (рис. 126), а его середина остается совсем свободной от них. Значит, магнитные силы притяжения действуют больше всего на концах магнита, которые называются полюсам и, а середина магнита, где
Рис. 127. Подкосообразный магнит
Рис. 128. Магнит указывает север и юг
не обнаруживаются силы притяжения, называется безразличной, или нейтрально й, зоной. Если взять магнит в виде стержня и согнуть его, то получится подковообразный магнит- (рис. 127), у которого силы притяжения также будут наиболее проивлиться у полюсов.
Подвесим прямолинейный магнит на нитях, как показано на рис. 128. Магнит приме! определенное направление и будет возвращаться к этому направлению, как бы мы ни пытались изменить его. Одни полюс магнита будет направлен на север, другой на юг. Тот конец магнита, который направлен на север, называется северным полюсом и обозначается буквой N (норд — север), противоположный полюс называется южным полюсом и обозначается буквой 5 (зюд — юг). Свойство магнита поворачиваться одним полюсом на север, а другим на юг используется в компасах — приборах, служащих для определения стран света (север, юг, запад, восток). Компас представляет собой легкую магнитную стрелку, которая может вращаться на острие (рис. 129).
Если магнит разделить па две части, то в каждой части также будет по два полюса—северный и южный. На сколько бы частей пи делить м а г п и т, каждая самая маленькая часть его будет иметь с в в е р п ы й и ю ж п ы й полюс ы (рис. 130).
Наличие сил взаимодействия между полюсами можно проворить на опыте с двумя магнитами. Если поднести к северному полюсу магнитной стрелки сонорный полюс другого магвита, то стрелка повернется, отталкиваясь от поднесенного магнита,
141
как показано на рис. 131. На этом же рисунке показано, что если к северному полюсу стрелки поднести южный полюс второго магнита, то она повернется, стремясь приблизиться к этому магниту.
Отсюда можно сделать вывод, что одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются друг к другу.
Рис. 131. Взаимодействие полюсов магнпта
Точно так же взаимодействуют, как мы знаем, электрические заряды. Чем ближе друг к другу расположены полюсы магнитов и чем больше намагничены они, тем больше сила взаимодействия между ними.
Магнитное поле. Силы, действующие между полюсами магнитов пли между магнитом и куском железа, называются м а г и и т и ы м и с и л а м и. Пространство, в котором
142
обнаруживается действие магнитных сил, называется м а-г н и т н ы м поле м.
Магнитное поле создается вокруг каждого намагниченного тела. Проверить это можно при помощи небольшой подвижной магпптпой стрелки, помещая ее в разные точки пространства вблизи магнита. В каждой точке поля стрелка примет определенное положение, которое будет зависеть от направления магнитных сил, действующих па полюсы стрелки в данной точке (рис. 132). Магнитное поле условно изображают при помощи магнитных индукционных (или, иначе, с и л о-в ы х) лини й, показывающих направление сил в каждой точке поля. На рис. 132 пунктиром показаны липни магнитного поля. Видно, что магнитная стрелка располагается в любой точке поля вдоль линии, проходящей через эту точку. Направлением индукционных линий принято считать п а-правление сил ы, действующей на северный полюс стрелки. Например, вблизи северного полюса магнита северный полюс стрелки будет отталкиваться, поэтому линии направлены от полюса магнита. Наоборот, вблизи южного полюса магнита северный полюс стрелки будет притягиваться к нему и индукционные линии направлены к полюсу магнита.
Следует помнить, что магнитные индукционные линии— липп, условное понятие, по они наглядно и правильно отображают состояние п свойства пространства вблизи магнита.
Наглядное представление о расположении индукционных линий поля можно получить с. помощью железных опилок. Для этого нужно положить па магни т лист бумаги, стекла пли картона, равномерно посыпанный опилками. Если слегка постукивать по листу, то опилки расположатся вдоль линий поля.
На рис. 133 показаны картины поля прямолинейного и подковообразного магнитов, полученные с помощью желбз-ных опилок. Каждая частица опилок намагничивается и, подобно маленькой магнитной стрелке, располагается вдоль линий поля.
Магнитное поле с параллельными индукционными линиями и с одинаковой магпптпой силой в каждой! точке называется о д н о р о д и ы м маги и т и ы м и о л е м. Примером однородного магнитного поля может служить часть поля между полюсами подковообразного магнита, изображенного па рис. 134. По краям полюсов индукционные липни искривляются, и поле перестает быть однородным.
Магнитное поле характеризуется следующими свойствами:
1) каждая линия магнитного ноля замкнута. Это значит, что индукционные линии идут по только вне магнита, но, выходя из одного полюса и входи п другой, они проходят также внутри самого магнита:
143
I
Рис. 132. Магнитная стрелка располагается вдоль липни магнитного поля
1'ис. 133. Магнитные поля прямолинейного а и подковообразного б магнитов
Рис. 134. Однородное магнитное поле
2) все линии выходят из северного полюса и входят в южный;
3) магнитные линии никогда не пересекаются друг с другом,
4) каждая линия стремится сократить свою длину, т. е. обладает натяжением. Для наглядности можно сравнить магнитные линии с натянутыми резиновыми шнурами;
5) линии, направленные в одну и ту же сторону, стремятся оттолкнуться одна от другой, т. е. раздвинуться.
Общее число индукционных линий, выходящих из северного полюса или входящих в южный полюс магнита, называется магнитным потоком (обозначается буквой Ф). Чем сильнее магнит, тем больший магнитный поток он создает и тем гуще будут итти ' индукционные линии его магнитного поля.
Магнитная индукция. При изучении магнитного поля необходимо прежде всего охарактеризовать его с количественной стороны, т. е. составить представление о том, где магнитное поле сильнее и где слабее.
В еличина, характеризующая магнитное поле с количественной стороны, называется магнитной индукцией и представляет собой магнитный поток, пронизывающий единицу поверхности, перпендикулярную к направлению магнитного поля. Магнитная индукция обозначается буквой В.
Как мы видели, более сильное магнитное поле имеет большую густоту магнитных линий, и наоборот. Поэтому густота магнитных линий характеризует величину магнитной индукции в различных точках ноля. Машинная индукция является направленной величиной, ноказываинцей направление магнитного поля. Поэтому магнитную индукцию обычно изображают в виде стрелки, длина которой указывает величину магнитной индукции, а направление совпадает с направлением магнитного поля. В однородном магнитном поле магнитная индукция во всех точках поля одинакова по величине и направлению. Поэтому в однородном поле магнитный поток Ф, пронизывающий какую-либо поверхность с площадью S, перпендикулярную к магнитным линиям, можно вычислить как произведение магнитной индукции на плошадь:
Ф=В8.
Единицей измерения магнитного потока явля ется небер (вб), или, иначе, вольтсекунда (вс).
Кроме волътсекупды, часто применяют другую единицу измерения магнитного потока, которая носит название м а к-с в е л л (мкс).
Одна вольтсекунда в 100 миллионов раз больше одного максвелла:
1 вс = 100 000 000 мкс.
10
Электротехники
145
Так как в однородном поле магнитная индукция может быть вычислена как отношение магнитного потока к поверхности, через которую поток проходит:
Ф
S
то единицей измерения магнитной индукции является одна вольтсекунда на квадратный метр.
Одна вольтсекунда па квадратный метр есть магнитная и и д у к ц п я, при к о-торой магнитный поток-, проходящий сквозь поверхность в один квадратный метр, расположенную в равномерном магнитном поле перпендикулярно к линиям магнитной индукции, равен одной вольтсекунде (обозначается ес/.и2).
Если магнитный поток измеряется в максвеллах, то единицей измерения магнитной индукции является гаусс (гс).
Магнитная индукция равна одному гауссу, если через площадку в один квадратный сантиметр, перпендикулярную к линиям однородного магнитного поля, проходит магнитный поток-, равный одному максвеллу.
Одна вольтсекунда на квадратный метр в 10 тысяч раз больше одного гаусса:
1 вс]м2 = 10 000 гс.
Магнитная проницаемость. Внесем кусок желоза в однородное магнитное поле, как показано па рис. 135,а. Железо
а б
Рис. 135. Магнитная индукция в железе больше, чем в воздухе
намагничивается, и вокруг пего создается собственное магнитное поле, которое накладывается на основное поле.
Индукционные линии этих полой внутри железа и у концов его направлены в одну сторону, и густота их увеличивается, а по бокам куска желоза они направлены в противоположные стороны, и густота их уменьшается (рис. 135,6). Железо как бы втягивает в себя магнитные линии, т. е. магнитная проводимость железа больше магнитной проводимости
116
воздуха, и магнитная индукция в железе оказывается большей, нем в воздухе. Из этого примера видно, что магнитная индукция зависит от свойств среды, в которой создается магнитное
поле.
Чтобы охарактеризовать влияние среды на индукцию магнитного поля, пользуются понятием о магнитной прони
цаемости среды.
Число, показывающее, во сколько раз магнитная индукция в данной среде больше, чем в безвоздушном пространстве
(«пустоте»), называется о т-н о с и т е л ь н о й магнитной проницаемостью (обозначается
— мю).
Если единицей измерения магнитной индукции
Рис 136. Магнитное экранирование
является гаусс, то магнит-
ную проницаемость пустоты (обозначается р0) следует принимать равной единице: р0= 1 > если же магнитную индукцию измерять в вольтсекундах на квадратный метр, то магнитную проницаемость пустоты следует принимать равной 1,26.10-*.
Магнитную проницаемость любой среды можно вычислить как произведение ее относительной магнитной проницаемости и магнитной проницаемости пустоты р0:
I1- !*Ч114
Различные материалы имеют различные магнитные проницаемости. Материалы, у которых относительная магнитная проницаемость меньше единицы, называют д и а м а г п и т-п ы м и. У диамагнитных материалов, к которым относятся висмут, кадмий, медь, серебро, углерод, магнитное поле несколько ослабляется по сравнению с полем, которое бы существовало в пустоте.
Материалы, у которых относительная магнитная проницаемость больше единицы, называют парамагнитным и; к ним относятся многие материалы, например платина, марганец, вольфрам и др. Относительная магнитная проницаемость диамагнитных и большинства парамагнитных материалов мало отличается от единицы.
Материалы, у которых относительная магнитная проницаемость во много раз больше единицы, называются ф е р р о-магнитя ы м п.
К ферромагнитным материалам относятся железо, кобальт, никель и ряд сплавов; у них может достигать нескольких тысяч. Только ферромагнитные материалы можно намагнитить, и поэтому они имеют очень большое значение в электротехнике.
10'
147
Свойство ферромагнитных материалов (вследствие большой их магнитной проницаемости) втягивать в себя магнитные линии используется для защиты некоторых приборов от влияния внешних магнитных полей. Например, приборы электромагнитной и электродинамической системы очень чувствительны к внешним магнитным полям. Если такой прибор поместить в железпый футляр, называемый магнитным экраном, то все индукционные линии постороннего магнитного поля пройдут по стенкам этого футляра, а через прибор проходить не будут (рис. 136). Такая защита называется магнитным экранированием.
§ 2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА
Магнитное поле прямолинейного проводника стоком. Когда впервые были обнаружены особые свойства магнитной руды, названные магнетизмом, о природе этого явления ничего не знали. В XIX веке было установлено, что появление магнитного поля всегда связано с электрическим током. Вокруг проводника с током обязательно образуется магнитное поле. Чтобы в этом убедиться, можно проделать такой опыт: расположив лист картона горизонтально, пропустим через отверстие посредине листа вертикальный проводник, соединенный через рубильник Я с источником тока (рис. 137).
Рис. 137. Магнитное ноле прямолинейного проводника
Будем перемещать маленькую магнитную стрелку по листу картона. Если рубильник не замыкает цепь и по проводнику ток не идет, то в любом месте листа стрелка расположится северным полюсом на север (вдоль земного меридиана). Если же цепь замкнуть и пропускать по проводнику ток, то стрелка будет поворачиваться и принимать в любом месте определенное положение вдоль окружности, в центре которой проходит проводник.
Мы знаем, что в магнитном поле стрелка располагается вдоль индукционных линий и северным полюсом показывает их направление.
148
Из этого опыта можно сделать заключение, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле, линии которого в плоскости, перпендикулярной проводнику, представляют собой окружности. Центром этих окружностей является проводник.
Линии магнитного поля направлены по часовой стрелке, если смотреть на лист картона сверху (рис. 137,а).
Картину поля можно получить, равномерно посыпав лист картона железными опилками (рис. 137,6).
Если проводник расположен перпендикулярно плоскости чертежа, его принято обозначать в виде кружка, а направление тока в нем, если он идет от зрителя за чертей;, изображается крестиком (зритель видит «хвост» стрелки); если ток направлен па зрителя, он изображается точкой (зритель видит острие стрелки).
На рис. 138,а ток идет от пас за чертеж, и индукционные линии направлены по часовой стрелке. Если изменить направление тока, то и линии поля изменят направление, Это показано на рис. 138,6: ток идет на нас, а индукционные линии направлены против часовой стрелки.
Направление магнитных линий вокруг проводника с током легко определяется по так называемому правилу бурав-ч и к а: сели ввинчивать буравчик по направлению тока, то вращательное движенье ск> руксяткп укажет направление ма'гнитных липни (рис. 13‘.)).
Если увеличивать силу тока в проводнике, то магннтпоо поле тоже становится сильнее, т. е. увеличивается магпнтпая индукция.
Магнитное поле витка с током. Свернем проводник с током в кольцо и посмотрим, какой вид имеет магнитное поле такого витка. Для этого можно опять воспользоваться листом картона и магнитной стрелкой, как показано па рис. 140,а, и получить расположение индукционных линий.
Но можно определить направление индукционных линий и нс прибегая к опыту. Изобразим виток, расположенный перпендикулярно чертежу (рис. 140,6), так, как будто мы смотрим на рис. 140,а сверху. Тогда в правой стороне витка ток будет нтти от нас, а в левой — на нас. На чертеже это изображено точкой в левом кружке и крестиком — в правом.
Теперь применим к каждой стороне правило буравчика и получим направленно индукционных линий, показанное на рис. 140,6. Вокруг нитка образовалось магнитное поле, значит, он обладает свойствами магнита. Та сторона нитка, из которой магнитные линии выхолят, является северным полюсом, а противоположная сторона вит на южным полюсом. Если ток по витку не проходит, то он теряет магнитные свойства.
1'i!)
Рис. 138. При изменении направления тока меняется направление ноля
Рис. 139. Иллюстрация правила буравчика
Рис. 141. Магнитное иоле соленоида
___________
150
Соленоид. Свернув провод спиралью, получим несколько витков, расположенных рядом. Такая спираль называется соленоидом. Когда по соленоиду проходит ток, каждый виток образует магнитное поле. Поля отдельных витков накладываются друг на друга, и образуется общее магнитное поле, как показано на рис. 141. Только некоторые липни охватывают отдельные витки; большинство линий охватывает все витки соленоида, или, как говорят, сцепляется со всеми витками. Внутри соленоида все линии идут в одном направлении. Тот
Рис. 142. Разноименные полюсы соленоидов притягиваются
Рис. 143. Одноименные полюсы солсноидои
отталкиваются
конец соленоида, из которого индукционные линии выходят, является северным полюсом, противоположный — южным полюсом. Если изменить направление тока, то полюсы поменяются местами. Из рисунка видно, что магнитное поле соленоида имеет такой же вид, как поле прямолинейного магнита. Чтобы определить направление индукционных линий в соленоиде, можно применить правило буравчика в несколько ином виде, чем для проводника. Если совместить буравчик с осью соленоида и вращать рукоятку в направлении тока, то направление перемещения буравчика покажет направление индукционных линий поля.
Чем больше ток I, проходящий по соленоиду, тем сильпоо его магнитное поле и больше магнитный поток. Если, но изменяя тока, увеличивать количество витков (которое обозначается буквой w), магнитный поток соленоида увеличится, потому что каждый виток образует свое поле.
Значит, поло соленоида тем сильнее, чем больше ток и
151
количество витков, т. е. чем больше произведение Iw. Произведение силы тока в амперах на число витков называется ампервитками (обозначается ав).
Обычно применяются соленоиды с большим числом витков, расположенных в несколько слоев; они называются катушкам и.
Мы видели, что соленоид, как и прямолинейный магнит, имеет два полюса — северный и южный. Поэтому между двумя соленоидами появляются силы взаимодействия, подобно силам взаимодействия между двумя магнитами: одноименные полюсы двух соленоидов отталкиваются, а разноименные — притяги
Рис. 144. Яй-лезпый сердечник втягивается внутрь соленоида
Рис. I'lo. Соленоиде, желел- Гис.. 146. Электромагниты
Hi.iM сердечником
ваются друг к другу. Это можно пояснить па основании свойств магнитных линий. Если мы приближаем два соленоида разноименными полюсами (рис. 142), то их магнитные линии идут в разных направлениях и стремятся слиться и стать короче — соленоиды притягиваются. Если мы приближаем два соленоида одноименными полюсами (рис. 143), то их магнитные линии идут в одном направлении и стремятся раздвинуться — соленоиды отталкиваются. Это свойство соленоидов используется в измерительных приборах электродинамической системы (см. главу IX).
Приблизим к одному концу соленоида железный сердечник. Мы увидим, что стержень втягивается внутрь соленоида (рис. 144). Это происходит потому, что индукционные линии 152
магнитного поля соленоида проходят сквозь стержень и он •намагничивается. Рисунок показывает, что индукционные линии в соленоиде и стержне имеют одно направление; значит, и полюсы в стержне будут расположены так же, как в соленоиде: справа — северный, слева — южный, т. е. стержень своим южным полюсом будет обращен к северному полюсу соленоида и будет притягиваться к нему. На принципе втяги
вания железного лепестка в катушку с током устроены изме рительные приборы электромагнитной системы (см. главу IX)
Электромагнит. Если поместить внутрь соленоида, по которому проходит ток, железный стержень, то поле усиливается (рис. 145). Увеличение магнитной индукции объясняется тем, что железо обладает высокой магнитной проницаемостью.
Магнитные свойства электромагнита сохраняются только во время прохождения тока в соленоиде. При выключении тока магнитимо свойства исчезают. Железный стержень внутри соленоида называется с е р д е ч н ином, а сама катушка — обмоткой.
Рис. 1 'i7 . илектрпческпй зпппок
Магнит, получающийся при пропускании электрического тока по обмотке, которая находится па железном сердечнике, называется электромагнитом. Положение полюсов электромагнита можно определить по правилу буравчика точно так же, как для соленоида. "Если переменить направление тока в обмотке па обратное, то переменится и расположение полюсов
электромагнита.
Электромагниты позволяют получить очень сильные магнитные поля п широко применяются в технике: в электрических машинах, подъемных кранах, электроизмерительных приборах, громкоговорителях, автоматических приспособлениях (например, автоматических противопожарных заслонках в киноаппаратной камере), в электрических звонках и т. и.
В зависимости от назначения электромагнита сердечнику, л котором расположена обмотка, придается та или иная форма (рис. 146). Сердечник изготовляется из мягкого железа.
Рассмотрим в качестве примера применение электромагнита в электрическом звонко (рис. 147,а н б). Электрический
153
звонок имеет металлическую чашку Ч, по которой ударяет молоточек М, укрепленный на якоре 77. Когда по обмотке электромагнита проходит ток, якорь притягивается к полюсам и молоточек ударяет по чашке. При этом якорь отходит от контакта К и цепь размыкается. Как только ток в обмотке электромагнита прекращается, якорь под действием пружины П отходит от магнита и прижимается к контакту Я. Цепь снова замыкается, и опять электромагнит притягивает якорь. Таким образом, звонок будет звонить все время, пока нажата кнопка Р.
§ 8. ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛИ НА ПРОВОДНИК С ТОКОМ
Движение проводника под действием сил поля. Если поместить проводник, по которому протекает электрический ток, в магнитное поле какого-нибудь магнита, то проводник будет стремиться двигаться, пересекая линии поля. Это происходит потому, что магнитное поле тока, проходящего по проводнику, вступает во взаимодействие с посторонним магнитным полем. Чтобы представить себе это, изобразим проводник с током в
Рис. 148. Действие магнитного ноля на проводник с током
Рис. 149. Иллюстрация правила левой руки
однородном магнитном поле (рис. 148,а). Проводник расположен перпендикулярно плоскости чертежа. Если ток в проводнике направлен от нас, то индукционные линии его поля по правилу буравчика направлены по часовой стрелке. Мы видим, что слепа линии обоих магнитных полей имеют одинаковые направления и обиюе поле будет усилено, а справа поле полу
154
Рис. 150. Принцип действия электродвигателя
чится ослабленном, так как здесь липни обоих полей имеют противоположное направление. Результирующее (общее) поле показано на рис. 148,6.
Мы знаем, что магнитные индукционные линии стремятся укоротиться. Выпрямляясь, они будут стремиться вытолкнуть проводник слева направо, как показано стрелкой. Если переменить направление тока в проводнике, то переменится и направление силы, действующей на проводник. Значит, на проводник с током действует сила магнитного поля, которая может заставить проводник двигаться перпендикулярно линиям магнитного поля. Направление движения проводника можно определит!., пользуясь правилом л е-в о й р у к и: если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца показывали направление тока, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника (рис. 149).
Величина силы, действующей па проводник с током, тем больше, чем больше магнитная индукция, длина проводника ii сила тока. Па проводник с током I, имеющий длину I и расположенный н однородном магнитном поле перпендикулярно магнитным линиям, действует сила, равная произведению магнитной индукции на силу тока н длину проводника:
Г НИ.
По величине силы, действующей! на единицу длины проводника, по которому проходит ток, ^равный одному амперу, можно судить о величине индукции однородного магнитного поля, так как
т. с. магнитная индукция численно равна силе, действующей на единицу длины проводника, по которому проходит ток в один ампер.
Принцип действия электродвигателя. Электродвигателем называется машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Устройство электродвигателя основано на движении проводника с током в магнитном поле. Между полюсами электромагнита помещается барабан, который может вращаться на оси (рис. 150). Этот барабан называется якоре м. Па якорь помещается обмотка, через которую пропускается ток таким образом, что под северным полюсом он имеет во всех витках одно направление, а под южным — другое; например, под северным полюсом ток направлен от пас (показано крестиками), а под южным — ла пас (показано точками). По
155
правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться полем влево, а нижние — вправо.
Под действием этих сил якорь повернется и под полюсами окажутся другие проводники, которые также будут выталкиваться полем. Таким образом, якорь будет вращаться в одну сторону (в пашем примере против часовой стрелки).
Если изменить направление тока в проводниках, то и направление вращения якоря изменится па обратное.
Принцип действия измерительных приборов магнитоэлектрической системы. По отклонению проводника с током
<7 S
Гис. 151. Принцип действия магнитоэлектрического измерительного прибора
в магнитном поле можно судить о силе тока. В простейшем приборе (рис. 151,а) между полюсами постоянного магнита на оси находится подвижная катушка в виде рамки, по виткам которой проходит измеряемый ток. С этой рамкой жестко связана стрелка прибора. Правая сторона рамки (рис. 151,6), по которой ток идет от пас, будет выталкиваться магнитным полем вниз, а левая сторона, по которой ток идет па нас, будет выталкиваться вверх, благодаря чему рамка повернется. Чем больше проходящий по обмотке рамки ток, том больше она повернется и' тем болыпо отклонится стрелка прибора (подробно об устройстве таких приборов см. главу IX).
В громкоговорителях электродинамического типа движение ввуковой катушки, соединенной с диффузором, также основано на принципе взаимодействия проводника с током и магнитного поля. Магнитное поле громкоговорителей создается электромагнитами или постоянными магнитами.
§ 4. МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ
Закон магнитной цепи. Мы уже говорили, что каждая магнитная индукционная линия замкнута и что все линии поля данного магнита составляют магнитный поток. Значит, магнит
156
ный поток тоже замкнут. Подобно тому как электрический ток протекает в замкнутой электрической цепи, магнитный поток проходит по замкнутой магнитной цепи.
Рассмотрим простейшую магнитную цепь. Возьмем для этого длинный соленоид и изогнем его кольцом, как показано на рис.152. Такое кольцо, согнутое из проволочной спирали, называется тороидом. Если по виткам тороида проходит электрический ток, то образуется магнитное поле, все линии которого замыкаются внутри тороида. Магнитный поток тороида имеет форму замкнутого кольца.
Рис. 152. Тороид
Рис. 153. Кольцевой проводник с током
Рис. 154. Магнитная цепь с воздушным за зором
Для сравнения представим себе электрическую цепь, со-
стоящую из источника тока и проводника, согнутого в кольцо (рис. 153). Мы знаем, что для такой цепи можно написать закон Ома:
— И
т. е. сила тока в кольце будет тем болы е, чем больше электродвижущая сила, и тем меньше, чем больше общее сопротивление цепи; сопротивление кольца зависит от его материала, длины и площади поперечного сечения.
Опыты с тороидом показали, что величина его магнитного потока, подобно току в электрической цепи, зависит от нескольких величии. Чем больше число витков тороида и чем больше ток, протекающий по пему, тем больше магнитный поток. Произведение силы тока I па число витков w, измеряемое ампервитками (ав), называется намагничивающей сило й.
Намагничивающая сила обозначается буквой F;
F = lwae.
Если измерять магнитный поток у тороидов с одинаковой намагничивающей силой, но с разной длиной и соченном, то оказывается, что чем длиннее тороид, том меньше магнитный поток, ц чем больше сечение тороида, тем больше магнитный
157
поток. Значит, тороид оказывает сопротивление магнитному потоку, как проводник оказывает сопротивление электрическому току. Сопротивление, оказываемое магнитному потоку, называется магнитным сопротивлением.
Полное магнитное сопротивление цепи обозначается Rm. Оно зависит ие только от геометрических размеров, но й от среды, в которой создан магнитный поток (например, в воздухе пли в железном сердечнике):
р __ I
VS ’
где I — длина магнитной цепи в метрах; S — площадь сечения магнитного потока в квадратных метрах; р — магнитная проницаемость.
Магнитная проницаемость характеризует магнитную проводимость среды, в которой проходит магнитный поток (подобно удельной проводимости у материала, из которого сделан проводник).
Зная намагничивающую силу п магнитное сопротивление, можно определить магнитный поток по формуле
Эта формула называется законом магнитной цепи: магнитный поток прямо пропорционален намагничивающей сило и обратно пропорционален магнитному сопротивлению.
Этот закон подобен закону Ома для всей электрической цепи. Закон магнитной цепи можно написать иначе, подставив в эту формулу значения /<’ и Rm:
,r. lw Ф t вС.
Для того чтобы получить магнитный поток в максвеллах, подставляя значение силы тока в амперах, нужно числитель умножить на 1,25 (при этом длина I измеряется в сантиметрах, площадь 5 — в квадратных сантиметрах):
zt, 1.25-Z®
Ф = —!—---- М КС .
Более сложна магнитная цепь, показанная на рис. 154. Магнитное поле создается в железном сердечнике током, протекающим по обмотке (например, в электромагнитах, в катушках с железным сердечником, которые называются дросселями). Железный сердечник на разных участках магнитной
158
цепи может иметь разное сечение. Кроме того, в магнитной цепи может быть воздушный зазор, для которого р=1. Поэтому в сложной цепи магнитное сопротивление разных участков нужно определять отдельно, а общее магнитное сопротивление будет равно их сумме.
Так как магнитная проницаемость железа во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, то магнитное сопротивление воздушного зазора значительно больше магнитного сопротивления железного сердечника. Наличие воздушного зазора в магнитной цепи сильно уменьшает магнитный поток по сравнению с такой же цепью без зазора. Если требуется, чтобы потоки обеих цепей были одинаковы, то необходимо увеличить намагничивающую силу катушки цепи с зазором (путем увеличения силы тока или увеличением числа витков).
Напряженность магнитного поля. Намагничивающая сила катушки с током затрачивается на проведение магнитного потока по всей длине магнитного пути. Если магнитная пепь состоит из одного материала и имеет повсюду одинаковое поперечное сечение, то доля намагничивающей силы, приходящаяся на единицу длины магнитного пути, одинакова для всех участков цепи и может быть вычислена, как
Насть памагвнчп11|11ош('й силы, приходящаяся на единицу длины магнитного пути, называется и а и р я ж е п н о с т ь ю магнитного поля, пли удельными ампервитками (обозначается буквой 11).
Рассмотрим связь между напряженностью и магнитной индукцией поля. Для этого преобразуем формулу закона магнитной цепи:
ф=~ = \х~.$ = р.Н8.
!jS
Так как
Ф=В8,
то
В = рИ.
Следовательно, магнитная индукция равна напряженности поля, умноженной на магнитную проницаемость среды. Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр длины (а!м) или во вспомогательных единицах — ампервитках на сантиметр (иа/сле— 100 а/м).
Понятием о напряженности магнитного поля широко пользуются при расчетах магнитных цепей. Пусть, например, требуется создать индукцию И в магнитной цепи, имеющей всюду
159
одинаковый материал с магнитной проницаемостью р, поперечное сечение S и длину I. Требуемые ампервитки (намагничивающую силу) обмотки тогда можно вычислить следующим образом: сначала определим напряженность Н=— ; затем вычислим Р'
требуемые ампервитки Iw~Hl*, если известна сила тока, то число витков в обмотке должно быть равно
§ 5. ФЕРРОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Природа магнетизма. Свойство ферромагнитных материалов хороню намагничиваться объясняется следующим образом. Непрерывно движущиеся электроны во всяком веществе можно рассматривать как внутримолекулярные токи. Как мы уже знаем, при прохождении тока создается магнитное поле; следовательно, и движение электронов в молекуле сопровождается образованием соответствующих магнитных полей.
Электроны движутся не только вокруг ядра, но вращаются и вокруг собственной оси, причем магнитные поля, вызванные вращением электронов вокруг их собственных осей, значительно сильнее, чем поля, вызванные движением электронов вокруг ядра. В неферромагнитных телах магнитные поля, вызванные вращением электронов вокруг собственной осп, в каждом атоме взаимно уравновешиваются, и тело не обладает магнитными свойствами. В ферромагнитных материалах благодаря их особому строению магнитные поля, вызванные вращением электронов вокруг собственной оси, по уравновешены и взаимодействуют друг с другом, образуя внутри тела участки, подобные
а б
Рис. 155. Намагничивание железа
мельчайшим магнитикам. В обычных условиях такие элементарные (мельчайшие) магнитики расположены беспорядочно,-и ферромагнитное тело, например железо, не проявляет магнитных свойств (рис. 155,а). Если железо поместить во внешнее магнитное поле, даже слабое, то элементарные магнитики будут стремиться ориентироваться вдоль внешнего поля. При этом магнитные поля отдельных магнитиков примут одинаковые
160
направления и будут складываться, создавая собственное (внутреннее) магнитное поле (рис. 155,6). Железо окажется намагниченным. Внутри железа магнитная индукция будет значительно больше, чем снаружи, так как внутреннее сильное магнитное поле’складывается с внешним.
Намагничивание железа и стали. Намагничивание железа и стали производится обычно при помощи электрического тока. Для этого стальной или железный брусок помещают внутрь соленоида, по обмотке которого пропускают ток. Соленоид создает внешнее магнитное поле, причем намагничивающая сила соленоида тем больше, чем больше ток. Под действием магнитного поля соленоида элементарные магнитики внутри бруска поворачиваются, и брусок намагничивается. Увеличение намагничивающей силы приводит к увеличению числа элементарных магнитиков, располагающихся вдоль внешнего поля, благодаря чему возрастает магнитный поток. Опыт показывает, что магнитный поток увеличивается не пропорционально увеличению намагничивающей силы: сначала поток растет быстро, но- при дальнейшем увеличении тока в обмотке магнитный поток почти не возрастает.
Такое состояние железа или другого ферромагнитного материала, когда магнитный поток почти перестает увеличиваться с увеличением намагничивающей силы, называется магнитным и а с ы щ е н и е м.
Насыщение объясняете!! тем, что практически все элементарные магнитики ориентируются вдоль внешнего поля и собственное магнитное поле ферромагнитного материала перестает расти. Вследствие этого дальнейшее увеличение магнитного потока происходит только за счет iiiieiiinei о поля.
Зависимость магнитного потока в замкнутом железном сердечнике от силы тока в обмотке можно наглядно изобразить па графике в виде кривой линии, как показано на рис. 156. По горизонтальной оси откладывается сила тока Г, а по вертикальной — поток Ф. ;
Сначала поток быстро увеличивается, и кривая идет резко вверх, затем наступает насыщение, и кривая идет полого.
Обычно для того чтобы характеризовать магнитные свойства какого-либо ферромагнитного материала, представляют на графике зависимость магнитной индукции В от напряженности поля В (рис. 157). Для этого по горизонтальной оси откладывают напряженность в амперах на метр (или в ампервитках на сантиметр), а по вертикальной оси — индукцию в вольт-секундах на квадратный метр (или в гауссах). Мы знаем, что напряженность однородного магнитного поля пропорциональна сило токв, а ипдукппя пропорциональна магнитному потоку. Поэтому кривая зависимости В от Л, которая называется к р и в о й и а м а г и и ч и в а п и я, имсот такой же вил, как кривая зависимости Ф от 1 (рис. 156). Индукция сначала быстро
11
Электротехника
101
растет, а затем, когда наступает насыщение, почти не увеличивается. Для железа и стали насыщение наступает обычно при величине индукции, превышающей 1,2 вс/м2 (12 000 гс), и зависит от сорта и примесей.
При насыщении железа его магнитная проницаемость р уменьшается и магнитное сопротивление возрастает.
Уменьшение магнитной проницаемости можно видеть из формулы Р= д • При насыщении числитель В почти не увеличивается при значительном увеличении знаменателя П. Значит,
Рис. 156. Зависимость между магнитным потоком н током
_ -,—.---и---1--1------)j
О 5 10 15 20 25 30 ав/ск
Рис. 157. Кривая намагничивания
дробь уменьшается. Следовательно, особенностью железа и других ферромагнитных материалов является то, что их магнитная проницаемость переменна по величине: опа зависит от индукции.
Гистерезис. Если выключить ток в обмотке соленоида с железным сердечником, то железо не будет намагничиваться внешним полом и магнитное поле в сердечнике должно исчезнуть. Однако опыт показывает, что железо не совсем теряет магнитные свойства. Сохранение железом магнитных свойств после исчезновения намагничивающего поля называется остаточным магнетизмом.
Явление остаточного магнетизма объясняется тем, что не все элементарные магнитики после исчезновения внешнего поля снова располагаются в беспорядке: часть из них остается в том же положении, в каком они были при наличии намагничивающего поля. В результате этого железо частично сохраняет магнитные свойства.
Разные ферромагнитные материалы обладают различным остаточным магнетизмом. Остаточный магнетизм мягкого железа очень мал. Больше всего остаточный магнетизм проявляется у твердой закаленной стали и у специальных магнитных сплавов, которые применяются для изготовления постоян-
162
пых магнитов. Чтобы совсем размагнитить железо или сталь, т. е. уничтожить остаточный магнетизм, необходимо преодолеть силы сцепления между элементарными магнитиками, или, как говорят, преодолеть задерживающую силу. Для этого нужно создать внешнее магнитное поле в обратном направлении, например переменив направление тока в катушке, охватывающей магнит.
При намагничивании в обратном направлении железо сначала размагнитится, а затем будет снова намагничиваться, но теперь уже его магнитное поле будет иметь противоположное направление. Если снова размагничивать железо, уменьшая силу тока в катушке, то при выключенном токе железо опять будет обладать остаточным магнетизмом, т. е. магнитная индукция в нем не будет равна нулю. Проявление остаточного магнетизма при перемагничивании называется гистерезисом.
При перемагничивании затрачивается энергия электрического тока на преодоление задерживающей силы. Затрата электрической мощности на перемагничивание называется потерями на гистерезис. Энергия, затраченная на перемагничивание, выделяется в железе в виде тепла, поэтому железные сердечники при перемагничивании нагреваются. Потери энергии ва перемагничивание тем больше, чем чаще происходит перемагничивание.
Особенно большое значение потери на гистерезис имеют в таких устройствах, где но обмоткам проходит переменный ток, изменяющийся по величине и но нанраплению, и происходит непрерывное псремягипчивапио сердечников (например, в электрических машинах и трансформаторах).
Для того чтобы уменьшить потери на гистерезис, т. е. по затрачивать зря большого количества энергии на перемагничивание, а гакже уменьшить нагрев деталей, применяют специальные стали (динамная, трансформаторная) или сплавы (пермаллой), имеющие небольшой остаточный магнетизм.
Магнитные материалы. Магнитные материалы, применяемые в технике, делятся на две группы — магнитномягкие и магнитнотвердые.
К магпитномягким материалам относятся трансформаторная и динамная сталь, сплав пермаллой и некоторые другие. Они изготовляются в виде тонких листов, из которых штампуют или нарезают пластины нужной формы и собирают сердечники трансформаторов, электрических машин и приборов, работающих в цепях переменного тока. Магнитпомягкие материалы обладают малым остаточным магнетизмом и малой вадержинающей силой. Поэтому они легко поддаются перемагничиванию и имеют малые потери энергии па гистерезис, что является необходимым условием их использования в машинах и приборах переменного тока.
К магиитнотвордым материалам относятся: закаленная сталь,
11» 163
вольфрамовая сталь и сплавы альнико (сплав алюминия, кобальта и никеля), альни (алюминиево-никелевый) и другие.
Магнитнотвердые материалы обладают большим остаточным магнетизмом и блаюдаря большой задерживающей силе хорошо сохраняют магнитные свойства. Поэтому их используют для изготовления постоянных магнитов.
Постоянные магниты широко применяются в электроизмерительных приборах, в генераторах небольшой мощности (например, в «магнето» двигателей внутреннего сгорания), н громкоговорителях, телефонах и т. д. Постоянным магнитам обычно придают специальную форму, так, чтобы воздушный зазор между полюсами был мал (рис. 158).
a
Рис. 158. Постоянные магниты специальной формы: а — магнит измерительного прибора; б — магнитная цепь громкоговорителя
Рис. 159. Хранение магнита
Подковообразные постоянные магниты при ударах, сотрясениях и нагревании теряют остаточный магнетизм и поэтому требуют осторожного обращения. При длительном хранении полюсы подковообразных магнитов нужно замкнуть куском мягкого железа («якорем» а, как показано на рис. 159), иначе магнитные свойства теряются.
На свойства постоянных магнитов из сплавов альни и альнико сотрясения и нагрев (до 300-5-400°) практически не влияют.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ ГII
1. Что такое магнетизм?
2. Что такое магнитное поле?
3. Какими особенностями обладают магнитные индукционные линии?
I. Что такое магнитный поток?
5. Что такое магнитная индукция?
б. В каких единицах измеряют магнитный поток и магнитную индукцию? ,
7. Что такое относительная магнитная проницаемость?
8. Какие материалы называют ферромагнитными?
164
9. В чем заключается правило буравчика?
10. Что такое соленоид; как определить полюсы соленоида?
И. Как взаимодействуют между собой два соленоида?
12. Какое действие оказывает магнитное поле на проводник с током?
13. В чем заключается правило левой руки?
14. От чего зависит сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле?
15. Что такое намагничивающая сила?
16. Что такое магнитное сопротивление?
17. Как определить магнитный поток, если известны намагничивающая сила и магнитное сопротивление?
18. Что такое напряженность магнитного поля?
19. Какая связь существует между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля?
20. Как происходит намагничивание железа? Что такое магнитное насыщение?
21. Что такое остаточный магнетизм?
22. Какими свойствами обладают магнитномягкие и магнитнотвердые материалы? Где они применяются?
Глава VIII
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
§ 1. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Индуктирование э. д. с. Мы видели, что прохождение электрического тока вызывает появление магнитного поля и что проводник с током, помещенный в магнитное поле, начинает двигаться в определенном направлении, перерезая индукционные линии. Посмотрим, можно ли получить обратное явление, т. е., перемещая проводник в магнитном поле, получить в нем электрический ток. Для этого возьмем постоянный магнит и прямолинейный проводник, концы которого присоединим к чувствительному прибору — гальванометру (рис. 160). Если перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитные линии (например, сверху вниз), то стрелка прибора будет отклоняться, показывая прохождение тока в цепи. Если перемещать проводник в противоположном направлении (снизу вверх), то стрелка прибора отклонится в другую сторону, показывая, что направление тока в проводнике изменилось. Если перемещать проводник вдоль индукционных линий (от полюса к полюсу), то стрелка гальванометра отклоняться не будет — значит, ток в цепи не появляется.
Отсюда можно сделать заключение, что при пересечении проводником магнитных индукционных линий в нем появляется электродвижущая сила, которая называется индуктирован п о й ;>. д. с., пли а. д. с. и и д у к ц и и. Это явление было открыто ученым Фарадеем и называется электромагнитно й и н д у к ц и е й.
Если цепь проводника, в котором индуктируется э. д. с., замкнута, то в ней появляется ток, который называется и ндук-тированным током.
Направление индуктированного тока определяется по п р а-в и л у правой руки: если правую руку расположить так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной э. д. с., пли индуктированного тока (рис. 161).
Индуктированная э. д с. возникает не только тогда, когда поло неподвижно, а проводник передвигается, но и тогда, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле. Это 166
можно проверить, перемещая магнит сверху вниз и не двигая при этом проводник: стрелка прибора будет отклоняться (см. рис. 160).
Величина индуктированной э. д. с. Рассмотрим, от чего зависит величина индуктированной э. д. с. Если перемещать
проводник быстрее, то стрелка прибора отклонится больше, чем при медленном движении проводника. Это объясняется тем, что при увеличении скорости движения проводника он в одну секунду перерезает большее число индукционных липин и в нем индуктируется ббль-шая э. д. с. Если увеличивается длина проводника, то он тоже перерезает большее число линий, и в этом случае тоже увеличивается
индуктированная э. д. с. Мы знаем, что плотность индукционных линии определяется величиной магнитной индукции. Значит, если поместить тот же проводник в другое магнитное поле с большей индукцией, то индуктированная э. д. с. будет больше.
Во всех случаях величина индуктированной в проводнике электродвижущей силы тем больше, чем больше количество магнитных и н д у к п и о н-Н Ы X линий, к о т 0-
Рис. 160. При пересечении проводником магнитных силовых линий в цепи
появляется тог
рые проводник рпс. Иллюстрация правила правой пересекает в од- руки
ну секунду. Коли-
чество пересекаемых проводником в 1 сок. индукционных линий зависит от магнитной индукции, длины проводника и
скорости его движения. Поэтому величина индуктирован пой э. д. с. прямо пропорционал ь-
167
на магнитной индукции, длине проводника и скорости его движения.
Это можно записать в виде формулы
E=Blv.
В этой формуле В — магнитная индукция в вольтсекундах на квадратный метр; I — длина проводника в метрах; v — скорость движения проводника в метрах в секунду; Е — индуктированная э. д. с. в вольтах.
Рис. 162. Число пересекаемых в 1 сек. линий зависит от угла а
Рис. 163. Определение синуса угла
Пример. Проводник длиной 0,2 м со скоростью 50 м/сек пересекает однородное магнитное поле, индукция которого 1 вс/м*. Определить величину индуктированной э. д. с.
Решение. Находим индуктированную э. д. с. по формуле
E=Bfo=l.0,2-50=10 в.
Эта формула справедлива только в том случае, если проводник движется в однородном магнитном поле перпендикулярно своей оси и линиям поля.
Мы уже говорили, что при движении проводника вдоль линий поля индуктированная э. д. с. равна нулю. Если проводник движется под углом к индукционным линиям, то он будет пересекать их, но число пересекаемых каждую секунду линий будет меньшим, чем при движении в направлении, перпендикулярном линиям поля. Пусть, например, скорость движения проводника равна 1 см/сек. Это значит, что за 1 сек. проводник перемещается на 1 см. Предположим, что он пересекает 10 линий, если перемещается па 1 см в направлении, перпендикулярном к ним, из точки а в точку б (рис. 162). Проводник изображен кружком, так как он расположен перпендикулярно чертежу.
Если проводник будет двигаться иод углом 30° к направлению индукционных линий, то за одну секунду оп переместится также на 1 см из точки а в точку в (отрезок ав равоп отрезку
168
аб), но при этом он пересечет только 5 силовых линий, т. е. в 2 раза меньше.
Такое же количество линий он пересек бы за полсекунды, если бы переместился из точки а в точку г, т. е. перпендикулярно магнитным линиям.
Значит, индуктированная э. д. с. зависит от угла между направлением движения проводника и направлением индукционных линий поля.
Если этот угол равен 0°, то 2д = 0; если угол равен 90°, то э. д. с. будет наибольшей: Е—Blv. Если угол равен а градусов, то E—Blv sin а, где sin а показывает, какую часть индукционных линий пересекает в 1 сек. проводник, если ои движется ве перпендикулярно к ним, а под углом а.
Вспомним, что синус а любого угла можно вычислить, если построить прямоугольный треугольник АОБ, в котором один из острых углов равен а (рис. 163). В этом треугольнике сторона О А, лежащая против прямого угла, называется гипотенузой, а две другие стороны АВ и ОБ, образующие прямой угол,— катетами. Отношение катета, лежащего против угла а, к гипотенузе называется синусом угла:
АБ йХпл=ОА-
Если построить другой треугольник Л [ОБ1 с такой же гипотенузой ОА1=С*А, то можно определить синус другого угла at:
Л Б л
Угол стал больше и синус угла увеличился, потому что / }Ба больше, чем АБ, а знаменатель (т. е. длина гипотенузы) не изменился.
Если изменять угол а от 0° до 90°, не изменяя величины гипотенузы, то катет, лежащий против угла а, будет изменяться от 0 (в точке А2) до величины, равной гипотенузе (в точке Л3); значит, синус угла а, равный отношению этого катета к гипотенузе, будет изменяться от 0 до 1.
В соответствии с этим индуктированная э. д. с. будет изменяться от 0 при sin а=0 до E=Blv при sin а=1.
Значения синусов для всех углов от 0° до 90° обычно даются в специальных таблицах.
Правило Ленца. Мы установили, что при движении проводника в магнитном поле в проводнике индуктируется э. д. с. Если проводник замкнут, то под действием индуктированной э. д. с. в цепи потечет ток. Этот ток создаст свое магнитное поле, направленно которою можно определить, пользуясь правилом буравчика (рис. 164,а).
169
Вследствие наложения этого поля на внешнее образуется результирующее поле, которое имеет вид, показанный на рис. 164,6.
Рассматривая характер результирующего поля, можно
сделать такие выводы:
1. Плотность индукционных линий в том участке, который прошел проводник, уменьшается. Поэтому проводник, обте
каемый индуктированным током, пересекает меньшее число
Рис. 164. Иллюстрация правила Ленца
линии, чем в том случае, если бы в нем не протекал ток и он не создавал бы собственного магнитного поля. Значит, магнитное поле индуктированного тока стремится уменьшить число линий, пересекаемых проводником.
2. Так как магнитные индукционные линии стремятся выпрямиться, то они будут как бы отталкивать проводник в направлении, обратном его дви-
жению.
Таким образом, механическое взаимодействие индуктированного тока и внешнего магнитного поля стремится препятствовать движению проводника в поло.
Исследуя эти явления, русский ученый Э. X. Ленц установил очень важный закон электромагнетизма, который называется прав и л ом Ленца: индуктированный ток всегда возни к а о т в таком наира в-ле нип, что его магнитное поле и механическая сила, действующая на проводник, препятствуют вызвавшей его причине.
Правило Ленца применяется во всех случаях возникновения электромагнитной индукции.
§ 2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА
Генератором называется источник электрического тока, преобразующий механическую энергию в электрическую. Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции. Устройство простейшего генератора показано на рис. 165.
170
Между полюсами электромагнита находится рамка, которая вращается при помощи какого-нибудь механического двигателя (например, турбины). При вращении рамки в магнитном поле в двух ее сторонах индуктируется э. д. с., причем эта э. д. с. направлена в разные стороны, как показано стрелками. Это можно определить, применяя правило правой руки. Если рамка вращается по часовой стрелке, то правая сторона
Гиг. 165. Простейший генератор переменного токи
Гис. 166. Простейший генератор постоянного тока
движется вниз и э. д. с. паирвплена от пас, а левая сторона движется вверх и э. д. с. направлена па пне. Поэтому, если цепь рамки замкнуть, то по ее контуру пойдет ток. Каждый конец рамки присоединен к кольцу. Эти кольца (I и 2) вращаются вместе с рамкой и называются контактными кольцами. G ними соприкасаются неподвижные щетки Щ, от которых ток поступает во внешнюю цепь. При таком положении рамки, как показано на рис. 165, ток идет по рамке от кольца 1, соединенного с правой ее стороной, к кольцу 2, соединенному с левой стороной рамки; по внешней цепи — от кольца 2 к кольцу 1 (сплошные стрелки). Когда рамка повернется на пол-оборота, стороны ее переменятся местами и направление тока в рамке изменится на обратное; во внешней цепи направление тока тоже изменится, и оп будет итти от кольца 1 к кольцу 2 (пунктирные стрелки). Кроме того, при вращении рамки ее стороны будут пересекать силовые линии под углом, изменяющимся от 0° до 90° и от 90° до 0° за каждые пол-оборота. Таким образом, ток в рамке и во внешней цепи будет непрерывно изменяться но величине и по направлению, т. е. во внешней шшн будет протекать переменный ток. Такой генератор пвлнется генератором переменного тока.
171
Чтобы получить во внешней цепи ток одного направления, рамку следует присоединить не к двум контактным кольцам, а к двум полукольцам а и б, изолированным друг от друга (рис. 166).
Такие два полукольца называются коллектором. -При вращении коллектора вместе с рамкой каждая из неподвижных щеток соприкасается половину оборота с одним полукольцом и половину оборота с другим полукольцом.
В тот момент, когда в рамке изменяется направление тока, каждая щетка начинает соприкасаться с другим полукольцом, и поэтому во внешней цепи направление тока не изменяется. Проследим это на рис. 166. При вращении рамки по часовой стрелке в той ее стороне, которая расположена у. северного полюса магнита, ток идет от пас, а в другой стороне — на нас. Во внешней цепи ток идет от щетки 1, соприкасающейся с полукольцом а, к щетке 2, соприкасающейся с полукольцом б. Когда рамка повернется на иол-оборота, сторона, соединенная с полукольцом а, будет у северного полюса магнита и ток в пей будет иметь противоположные направления — от пас. Но в это время полукольцо а будет ужо соприкасаться по со щеткой 1, а со щеткой 2. Поэтому во внешней цепи ток будет итти опять от'щетки 1, соприкасающейся с полукольцом б, к щетке 2, соприкасающейся с полукольцом а.
Таким образом, ток во внешней цепи все время имеет одно направление. Щетка 1 является положительным зажимом генератора постоянного тока, а щетка 2 — его отрицательным зажимом.
§ 3. САМОИНДУКЦИЯ
Явление самоиндукции. До сих пор мы рассматривали индуктирование э. д. с. в проводнике при изменении магнитного поля, образованного каким-либо посторонним магнитом.
Если изменяется магнитный поток, созданный самим проводником с током, то в этом проводнике также индуктируется э. д. с., которая называется электродвижущей силой самоиндукции.
Самоиндукция — это один из видов электромагнитной индукции.
Магнитный поток, создаваемый проводником с током, зависит от силы тока в проводнике. Чем больше сила тока, тем больше магнитный поток. Поэтому при всяких изменениях силы тока в проводнике изменяется магнитный поток этого проводника и в нем возникает э. д. с. самоиндукции (еД.
Рассмотрим процесс замыкания и размыкания цепи, в которой к источнику тока подключена катушка (рис. 167). Пока цепь разомкнута, тока в катушке нет и магнитного потока тоже нет.
172
самоиндукции в катушке Ленца индуктированная
При замыкании цепи ток в катушке нарастает от нуля до некоторого определенного значения I. Одновременно создается магнитный поток, который тоже увеличивается постепенно от нуля до некоторой величины Ф.
В процессе нарастания магнитного потока индукционные линии как бы входят в катушку, перерезая ее витки, и в каждом витке индуктируется э. д. с. самоиндукции. Э. д. с. самоиндукции отдельных витков складываются, потому что все они имеют одинаковое направление. Общая э. д. с. самоиндукции тем больше, чем больше число витков катушки.
Определим направление э. д. с. при замыкании цепи. По правилу э. д. с. должна препятствовать вызвавшей ее причине. Причиной возникновения о. д. с. самоиндукции в данном случае является увеличение тока в катушке. Значит, индуктированная э. д. с. направлена навстречу э. д. с. генератора, и поэтому ток в цепи не может возрасти мгновенно.
3. д. с. самоиндукции в этом случае пвзываотся' вротиво- э. д. с. Так как э. д. с. самоиндукции при замыкании направлена навстречу э. д. с. генератора, то в каждый момент времени в процессе нарастания тока его величина определяется разностью э. д. с. генератора и э. д. с. самоиндукции:
J ~ е/.
В где R — полное сопротивление цеш
На опытах установлено, что ток нарастает сначала быстро, а затем медленно. Поэтому по мере увеличения тока магнитный поток изменяется все медленнее и э. д. с. самоиндукции уменьшается. Когда ток перестанет изменяться, магнитный поток тоже не будет изменяться и э. д. с. самоиндукции станет равной нулю.
Величина установившегося тока определяется только сопротивлением цепи и э. д. с. генератора:
Рис. 167. Возникновение э. д. с. самоиндукции при замыкании и размыкании цепи
При размыкании цепи ток быстро уменьшается до нуля и индукционные линии как бы выходят из катушки, перерезан ее витки. И в этом случае в каждом витке индуктируется э. д. с.
173
самоиндукции, и общая э. д. с. самоиндукции катушки равна их сумме.
По правилу Ленца э. д. с. самоиндукции должна препятствовать уменьшению тока в цепи. Поэтому в момент размыкания тока э. д. с. самоиндукции имеет такое же направление, как э. д. с. генератора, и ток в цепи не может исчезнуть мгновенно.
При размыкании цепи катушки магвитпый поток изменяется очень быстро, поэтому э. д. с. самоиндукции при размыкании может быть во много раз больше, чем э. д. с. г е п е р а т о р а.
Из рассмотренных примеров можно сделать заключение:
1) и о я в л е п и е э. д. с. самоиндукции при возрастании силы тока в цепи задерживает это возрастание;
2) появление э. д . с. самоиндукции при убывании силы тока в цепи задерживает это убывание.
Индуктивность. Чем быстрее изменяется магнитны!! поток, тем больше э. д. с. самоиндукции. Скорость изменения магнитного потока зависит от скорости изменения силы тока. Чем быстрее изменяется сила тока, тем больше э. д. с. самоиндукции. Но при одной и топ же скорости изменения тока величина э. д. с. самоиндукции у разных катушек различна. Она зависит от числа витков катушки, размеров и магнитных свойств сердечника. Например, у катушек с железным сердечником э. д. с. самоиндукции гораздо больше, чем у катушек без сердечника.
Величина, показывающая, какая э. д. с. самоиндукции возникает в данной катушке при изменении тока в ней на один ампер в одну секунду, называется индуктивностью катушки. Индуктивность обозначается буквой L. Практической единицей индуктивности является генри (обо-знача тся гн)
Индуктивностью в один генри обладает катушка, в которой индуктируется э. д. с., равная одному вольту при равномерном изменении тока со скоростью один ампер в одну секунду.
Часто применяется вспомогательная единица индуктивности — миллигенри (мгн):
1 л«г;е = О,ОО1 ги=10-3 гн.
В некоторых случаях требуются катушки, не обладающие индуктивностью. Такие катушки наматываются из провода, сложенного вдвое, как показано на рис. 168. Это так называемая бифилярная обмотка. В соседних витках токи имеют’ противоположное направление и их магнитные поля взаимно уничтожаются, так что катушка не создает общего магнитного иотока и в ней не возникает э. д. с. самоиндукции.
174
Если нужно получить большую индуктивность, то применяются катушки с железным сердечником. Они называются дросселями.
Внешний вид дросселя, применяющегося в усилительных устройствах, и его изображение на схемах показаны на рис. 169. Индуктивная катушка изображается на схеме в виде спирали, а три черты рядом означают, что в катушке имеется железный сердечник.
Пр и м е р. Катушка без сердечника обладает индуктивностью £х=0,05 гн. Когда в эту катушку поместили замкнутый железный сердечник, индуктивность увеличилась до Ь2— = 5 гн. Определить, во сколько раз большая э. д. с. ипдукти-
1’ис. 168. Бифилярпаи обмотка
Рис. 169. Дроссель и его условное обозначение:
J — сердечник; 2 — обмотка
руется в дросселе по сравнению с катушкой без сердечники при одинаковой скорости изменения тока на 1 а за 1 сок.
Решение. При одинаковой скорости изменения тока э. д. с. самоиндукции пропорциональна индуктивности катушки. Индуктивность дросселя больше индуктивности 5
катушки без сердечника в q-^=100 раз. Значит, в дросселе индуктируется в 100 раз большая э. д. с.
Рассмотрим поведение дросселя в цепи изменяющегося тока. Если сила тока увеличивается, то увеличивается и магнитный поток в сердечнике дросселя. При этом в его обмотке возникает э. д. с. самоиндукции, которая по правилу Ленца препятствует увеличению тока. Благодаря действию противо-э. д. с. ток будет нарастать медленнее.
Точно так же по правилу Ленца при уменьшении тока э. д. с. самоиндукции будет противодействовать этому уменьшению. Отсюда можно сделать вывод, что дроссель оказывает большое сопротивление изменениям тока. Чем больше индуктивность дросселя, том больше ого сопротивление изменениям тока.
Ото свойство дросселя используется в выпрямителях для
175
уменьшения изменений тока, или, как говорят, для сглаживания пульсаций.
При постоянном по величине токе э. д. с. самоиндукции не возникает, и поэтому дополнительного сопротивления дроссель не оказывает. Его сопротивление постоянному току равно только сопротивлению провода обмотки.
Энергия магнитного поля. Опыты показали, что при замыкании цепи электрического тока генератор затрачивает дополнительную энергию на образование магнитного поля. Эта энергия не рассеивается, а остается в пространстве, занятом магнитным полем. Когда цепь размыкается и магнитное поле исчезает, энергия магнитного поля возвращается в цепь и превращается в тепло.
Более сильные магнитные поля обладают большим запасом энергии (например, поле индуктивной катушки).
Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергия магнитного поля. С увеличением силы тока энергия магнитного поля также увеличивается.
Энергия магнитного поля определяется по формуле
Если индуктивность Б выражена в генри, а сила тока I в амперах, то энергия WL получается в джоулях.
Пример. Определить энергию магнитного поля дросселя, индуктивность которого L—2 гн при силе тока в 5 а.
Решение. Определяем энергию магнитного поля по
LP 2-52 9Г 9
Жв = —=-^-=25 дж.
§ 4. ВЗАИМОИНДУКЦИЯ
Поместим па замкнутый железный сердечник две катушки I и II (рис. 170), изолированные друг от друга. Концы первой катушки подключим к источнику тока через рубильник. В цепь второй катушки включим электрическую лампу. Если цепь первой катушки разомкнута, то лампа не горит. В момент замыкания цепи лампа вспыхивает и сразу гаснет. Когда цепь замкнута и по первой катушке идет постоянный ток, лампа не горит. В момент размыкания цепи первой катушки лампа опять вспыхивает и гаснет*.
Это явление объясняется электромагнитной индукцией. Мы уже знаем, что в момент замыкания цепи первой катушки в ней начинает протекать ток, который создает магнитное поле.
* Чтобы опыт удался, нужно правильно подобрать источник тока, сопротивление, трансформатор и лампочку.
176
При увеличении тока первой катушки магнитный поток увеличивается. Линии магнитного поля первой катушки проходят по железному сердечнику и пронизывают витки второй катушки.
Пока магнитный поток увеличивается, во второй катушке индуктируется э. д. с., и лампа загорается. Когда в первой катушке ток перестанет увеличиваться, вторую катушку будет пронизывать неизменный магнитный поток, и э. д. с. в ней не будет индуктироваться.
При размыкании цепи первой катушки тоже происходит Изменение магнитного потока, пронизывающего вторую катуш-
Рис. 170. При замыкании и размыкании цепи первой катушки возникает ток во второй катушке
ку. При этом в пей индуктируется э. д. с., но уже противоположного направления, и лампа вспыхивает.
Появление индуктированной в. д. с. в одной из катушек при изменении силы тока в другой катушке называется в займ о-индукцией.
Индуктированная при этом электродвижущая сила называется электродвижущей силой взаимоиндукции. Явление взаимоиндукции — один из видов электромагнитной индукции.
Направление э. д. с. -взаимоиндукции можно определить, пользуясь правилом Ленца. Например, при замыкании цепи (рис. 170) магнитный поток возрастает, и это является причиной, вызывающей э. д. с. взаимоиндукции. По правилу Ленца индуктированный во второй обмотке ток должен создавать магнитный поток, препятствующий возрастанию магнитного потока первой катушки. Значит, магнитный поток второй катушки направлен навстречу потоку первой катушки (в правом стержне сердечника — снизу вверх). По правилу буравчика ток во второй обмотке и э. д. с. взаимоиндукции будут иметь направление, указанное стрелками.
Можно точно так ясе проследить, что при размыкании цепи первой катушки а. д. с. взаимоиндукции во второй катушке будет иметь противоположное направление (показано пунктир-
12 Электротехника 177
ными стрелками). При этом магнитный поток, созданный индуктированным током, будет совпадать по направлению с потоком первой катушки, т. е. по правилу Ленца будет препятствовать
его уменьшению.
Величина э. д. с. взаимоиндукции зависит от индуктивностей обеих катушек, от их взаимного расположения и от скорости изменения тока в одной из них.
Величина, численно равная э. д. с. взаимоиндукции, возникающей водной катушке при равномерном изменении силы тока в другой катушке на один ампер в одну секунду, называется взаимной индуктивностью (или коэфициентом взаимоиндукции). Взаимная индуктивность измеряется теми же единицами, что и индуктивность,
т. е. генри, миллигенри. Если непрерывно изменять силу тока в первой катушке (например, все время быстро замыкать и размыкать цепь), то во второй катушке все время будет индуктироваться а. д. с. взаимоиндукции.
Явление взаимоиндукции используется в устройствах,
Рис. 171. Схема трансформатора
служащих для повышения или понижения переменного напряжения и называемых трансформаторами. Одна обмотка трансформатора присоединяется к источнику тока, все время изменяющегося по величине и по направлению (рис. 171). Во второй обмотке, помещенной на том же замкнутом железном
сердечнике, непрерывно индуктируется э. д. с., которая также изменяется по величине и по направлению. Ко второй обмотке подключается приемник. Так как э. д. с. взаимоиндукции возникает в каждом витке второй обмотки, то чем больше она имеет витков, тем больше будет индуктируемая в ней э. д. с. Поэтому от трансформатора можно подать на приемник любое требуемое напряжение, подобрав определенное число витков второй обмотки.
§ 5. ВИХРЕВЫЕ ТОКИ
Еще один вид электромагнитной индукции можно наблюдать при пересечении магнитными линиями сплошных металлических деталей.
Если поместить алюминиевый или медный диск между полюсами магнита и вращать его вокруг оси, то через некоторое время диск нагревается. Это объясняется тем, что при вращении диск пересекает магнитные линии и в нем индуктируются токи. Появление токов в диске приводит к йыделению н ном тепла (это следует из закона Ленца и Джоуля).
178
Токи, индуктированные в сплошных металлических частях при изменении в них магнитного потока, называются вихревыми токами. Рассмотрим действие вихревых токов подробное. По правилу Ленца направление индуктированных токов должно быть таким, чтобы созданный ими магнитный поток препятствовал вызвавшей их причине, т. е. вращению диска. На рис. 172 пунктирными линиями показано направление вихревых токов в диске. Каждый из токов, замыкающихся по окружности, можно сравнить с витком,
Рис. 172. Вихрении токи тормозят вращение диска
создающим магнитное поле, линии которого будут направлены снизу вверх, как показано на рисунке справа. Таким образом, каждый индуктированный ток создает как бы магнитик. Северные полюсы этих магнитиков обращены к южному, а южные — к северному полюсу неподвижного магнита.
Магнитные поля вихревых токов взаимодействуют с неподвижным магнитом и тормозят движение диска, так как разноименные полюсы притягиваются Чтобы преодолеть тормозящее действие вихревых токов, нужно затратить дополнительную энергию.
Следовательно, часть работы, совершаемой нами при вращении диска, благодаря появлению вихревых токов преобразуется в электрическую энергию, а затем в тепловую.
Вихревые токи возникают также в железных сердечниках дросселей, трансформаторов и электрических машин, когда по ним проходит переменный магнитный поток. Появление вихревых токов в сердечниках всегда связано с бесполезной затратой дополнительной мощности на их нагревание.
Мощность, затрачиваемая бесполезно на нагревание сердечника вихревыми токами, называется мощностью потерь (или просто потерями) па вихревые токи.
12*
179
Чтобы уменьшить потери, принимают специальные меры к ослаблению вихревых токов. Для этого сердечники, по которым проходит изменяющийся магнитный поток, изготовляют не из сплошных кусков железа, а из отдельных тонких пластин, изолированных друг от друга. Благодаря этому сопротивление сердечника вихревым токам увеличивается и сила их уменьшается. Кроме того, для изготовления пластин сердечников применяется специальная сталь, имеющая большое удельное сопротивление (так называемая легированная сталь,
Рис. 173. При вращении магнита вихревые токи
увлекают диск в ту же сторону
содержащая до 4% кремния), что также уменьшает силу вихревых токов.
В большинстве случаев вихревые токи вызывают бесполезный расход энергии, но в некоторых случаях они используются. Например, явление торможения диска, вращающегося между полюсами магнита, при возникновении в нем вихревых токов используется в электроизмерительных приборах для успокоения колебаний стрелки, ('.ила торможения будет тем больше, чем больше будет скорость вращения диска.
Проделаем опыт. Будем вращать постоянный магнит, закрепленный на оси (рис. 173). Магнитное поле будет вращаться вместе с вращением полюсов магнита. Если против полюсов магнита на небольшом расстоянии поместить диск, свободно вращающийся на оси, то при вращении магнита он тоже начнет вращаться в ту же сторону. Это можно объяснить появлением в диске вихревых токов. При пересечении диска магнитными линиями в нем возникают вихревые токи, стремящиеся по правилу Ленца затормозить вращение магнита. Но мы этому препятствуем, вращая магнит. Поэтому магнитные поля вихревых токов, притягиваясь к полюсам магнита, увлекают диск, и он начинает вращаться в ту же сторону. Этот принцип используется в электродвигателях, которые называются асинхронными, и в электроизмерительных приборах индукционной системы.
183
ЗАДАЧИ ДЛЯ УПРАЖНЕНИИ
1. Проводник длиной 3 м движется равномерно со скоростью 20м/сек в однородном магнитном поле с индукцией 0,9 вс/м2. Определить величину индуктированной в нем э. д, с.
Ответ-. 54 в.
2. В катушке с индуктивностью 5 гн равномерно изменяется сила тока на 8 а за каждую секунду. Определить величину э. д. с. самоиндукции в катушке.
Ответ-. 40 в.
3. Индуктивность дросселя 3 гн. Сила тока, проходящего через него, 4 а. Определить энергию магнитного поля.
Ответ: 24 дж.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ VIII
1. В чем заключается явление электромагнитной индукции?
2. В чем заключается правило правой руки?
3. Как определить величину индуктированной э. д. с. при движении проводника в мш питном ноле?
4. В чем заключается правило Леина?
5. Расскажите принцип действия генератора, назначение контактных колец и коллектора.
6. В чем заключается явление самоиндукции?
7. Какое действие оказывает э. д. с. самоиндукции при возрастании и убывании силы тока в цепи?
8. Что такое индуктивность и в каких единицах она измеряется?
9. Что такое дроссель?
10. Чему раина энергия магнитного поля катушки?
11. В чем заключается явление взаимоиндукции?
12. Что такое взаимная индуктивность?
13. В каких устройствах в< пользуется взаимоиндукция?
14. Что такое вихревые токи?
15. Что такое потери на вихревые токи и ..акпмн способами их можно уменьшить?
Тлава IX
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Абсолютная практическая электромагнитная система для измерения электрических и магнитных величин. Для измерения электрических и магнитных величин в СССР в настоящее время введена абсолютная практическая система единиц, в которой в качестве основных выбраны метр, килограмм, секунда и ампер.
В табл. 5 приведены наименования и определения основных механических, электрических и магнитных единиц.
Таблица 5
Наименование Сокращенные обозначения Определение
русским шрифтом латинским или греческим шрифтом
I. Основные единицы Единица длины:
метр Единица массы: м ш Единица длины, определяемая платино-иридиевон М'>рой, носящей знак 28 и являющейся государственным эталоном длины СССР
килограмм ' Единица времени: кг kg Единица массы, определяемая платино-иридие-вой мерой, носящей знак 12 и являющейся государственным эталоном массы СССР
секунда сек. sec Единица времени — секунда среднего солнечного времени, равная ста шестнадцати миллионам пятидесяти семи тысячам шестистам двадцати восьми десятибиллионным (0,0000116057628) средних звездных суток
182
Продолжение
Наименование Сокращенные обозначения Определение
русским шрифтом латинским или греческим шрифтом
Единица тока: ампер II. Механические единицы Единица скорости: метр п секунду Единица ускорения: метр на секунду в квадрате Единица силы: ньютон, джоуль на метр Единица работы: джоуль, ватт-секунда Единица мощности: ватт а м/сек м/сек2 н дж/м дж вт-с t вт А m/sec m/sec2 n J/m J Ws W Сила пеизменяющегося электрического тока, который, протекая по каждому из бесконечно длинных параллельных прямолинейных проводников ничтожно малого кругового сечения, расположенных на расстоянии в 2 м друг от друга в пустоте, создает между этими проводниками силу взаимодействия в 1 • 10~7 дж/м на каждый метр длины Скорость равномерно и прямолинейно движущейся точки, перемещающейся па 1 м в 1 сек. Ускоренно равномерно-ускоренно и прямолинейно движущейся точки, скорость которой изменяется на 1 м в 1 сек. Сила, сообщающая массе в 1 кг ускорение в 1 м/сек2 Работа, производимая силой в 1 и при перемещении точки приложения этой силы на 1 м по ее направлению Мощность, при которой в точение 1 сек. равномерно производится работа в 1 дж
183
Продолжение
Наименование Сокращенные обозначения Определение
русским шрифтом латинским или греческим шрифтом
III. Электрические и магнитные единицы Единица количества электричества: кулон или ампер-секунда Единица разности электрических потенциалов, электрического напряжении и электродвижущей силы: вольт Единица электрического сопротивления: ом Единица электрической емкости: фарада к а-с в ом ф с Аз V U F Количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника в течение 1 сек. при неизменяющемся токе силой в 1 а Разность электрических потенциалов между двумя точками линейного проводника, по которому протекает неизменяющийся электрический ток силой в 1 а, когда мощность, потребляемая между этими точками, равна 1 вт Электрическое сопротив-ление между двумя точками линейного проводника, в котором неизменяющаяся разность электрических потенциалов между этими точками в 1 в производит ток силой в 1 а Электрическая емкость конденсатора, между обкладками которого существует разность электрических потенциалов в 1 в, когда он заряжен количеством электричества в 1 к
184
Продолжение
Наименование Сокращенные обозначения Определение
русским шрифтом латинским или греческим шрифтом
Единица магнитного иотока: вольтсекунда, вс Vs Магнитный поток, при
вебер вб wb убывании которого до нуля
Единица магнитной индукции: вольтсекунда на вс/м2 Vs/m2 через поперечное сечение электрической цепи, сцепленной с этим потоком и имеющей сопротивление в 1 ом, протекает количество электричества, равное 1 к Магнитная индукция,
квадратный метр Единица индуктивности и взаимной индуктивности: генри гн Н при которой магнитный поток, проходящий сквозь поверхность в 1 Л42, расположенную в равномерном магнитном ноле перпендикулярно к линиям магнитной индукции, равен 1 вс Индуктивность электри-
Единица намагничивающей силы: ампер или а А ческой цени, с которой сцепляется магнитный поток самоиндукции в 1 вс при силе неизменяющегося тока в цепи, равной 1 а Намагничивающая сила
ампервиток ав Aw вдоль замкнутого контура,
однократно сцепленного с электрической цепью, по которой протекает ток силой в 1 а
185
Продолжение
Наименование
Единица напряженности магнитного поля (магнитной силы):
ампер на метр
Сокращенные обозначения
латинским русским или гре-шрифтом ческим шрифтом
Определение
а/м
А/т
Напряженность магнитного поля в однородной и изотропной среде на рас-1 стоянии в -=— м от сеско-2 г.
нечно длинного прямолинейного проводника ничтожно малого кругового сечении, по которому протекает ток силой в 1 а
Классификация электроизмерительных приборов. Устройство, предназначенное для непосредственного измерения какой-либо электрической величины, называется электрическим измерительным прибором. К основным электроизмерительным приборам относятся: амперметр — прибор для измерения силы тока; вольтметр — прибор для измерения напряжения; ваттметр — прибор для измерения электрической мощности; счетчик электрической энергии — прибор для измерения электрической энергии; омметр — прибор для измерения электрического сопротивления и ряд других.
Действие измерительных приборов основано па различных явлениях, вызываемых электрическим током: па тепловом действии тока; на взаимодействии магнита и тока в проводнике; на взаимодействии двух проводников с током; на электромагнитной индукции и др. По принципу действия различают следующие основные системы измерительных приборов:
1) магнитоэлектрическая система, основанная па взаимодействии .между током в проводнике и магнитным полем постоянного магнита;
2) электромагнитная система, основанная на притяжении железного сердечника магнитным полем, созданным током в катушке;
3) электродинамическая система, оспо-ваппая па взаимодействии двух катушек с током;
4) тепловая система, основанная на удлинении проволоки при нагревании ее электрическим током;
186
5) индукционная система, основанная на взаимодействии тока, индуктированного подвижным (вращающимся или бегущим) магнитным полем, и самого магнитного поля.
Основные требования к электроизмерительным приборам. Измерительные приборы должны по возможности удовлетворять следующим требованиям:
1) прибор должен точно показывать значение измеряемой величины. Технические измерительные приборы имеют точность показаний 2,5—1,5%, а лабораторные приборы до 0,5—0,2%;
Рис. 174. Щитовые измерительные приборы
Рис. 175. Переносные приборы
2) деления на шкале прибора должны быть расположены равномерно;
3) стрелка прибора, приходя в новое положение, должна быстро успокаиваться;
4) прибор должен быть прочным, несложным по конструкции;
5) на показания прибора не должны влиять внешние магнитные поля, температура окружающей среды и пр.
Конструктивно измерительные приборы выполняются, как щитовые, которые устанавливаются на электрических распределительных щитах (рис. 174), и как переносные, которые можно поставить в любом место, где производятся измерения (рис. 175).
187
В этой главе будут рассмотрены приборы, которые применяются для электрических измерений в цепях постоянного тока.
§ 2. ПРИБОРЫ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Устройство. Устройство прибора магнитоэлектрической системы показано на рис. 176. Прибор состоит из следующих основных частей: постоянного магнита М подковообразной формы, к концам которого прикреплены полюсные наконечники П из мягкого железа. Внутренняя поверхность полюсных наконечников имеет цилиндрическую форму.
Рис. 176; Устройство прибора магнитоэлектрической системы и его условное обозначение
Рис. 177. Шкала магнитоэлектрического прибора
В пространстве между полюсными наконечниками неподвижно укреплен цилиндрический сердечник С из мягкого железа. Между сердечником и полюсными наконечниками образуется воздушный зазор около 2 мм.
Эта часть служит для создания равномерного магнитного поля в воздушном зазоре между сердечником и полюсами. В зазоре помещается легкая прямоугольная рамка из алюминия с обмоткой из тонкой изолированной медной проволоки К. Концы обмотки припаяны к двум спиральным пружинам /.
Рамка укреплена на стальной оси и может поворачиваться в зазоре. На этой же оси укреплена легкая алюминиевая стрелка прибора, которая поворачивается вместе с рамкой. Чтобы стрелка не поворачивалась под действием собственного веса, к ней прикреплены уравновешивающие грузики Г.
Когда по обмотке К проходит ток, то рамка стремится повернуться вокруг оси, так как ее ток взаимодействует с магнитным нолем постоянного магнита М. При вращении рамки 188
закручиваются спиральные пружины /, создающие противодействующий момент. Поэтому ось поворачивается на такой угол, при котором момент пружины уравновешивает момент сил взаимодействия тока и магнитного поля. Чем больше сила тока, проходящего через обмотку прибора, тем больше угол поворота рамки и стрелки прибора. Деления на шкале прибора наносятся при градуировке прибора. Над делениями указываются цифры, соответствующие измеряемой величине тока.
В приборах магнитоэлектрической системы угол поворота стрелки прямо пропорционален силе тока, проходящего по обмотке. Поэтому приборы имеют равномерную шкалу, т. е. деления шкалы находятся на одинаковых расстояниях друг от друга (рис. 177). Стрелка прибора быстро устанавливается в положение равновесия. Успокоение стрелки достигается тем, что при движении рамки в магнитном поле в ее алюминиевом каркасе возникают вихревые токи, сила взаимодействия которых с магнитным полем всегда направлена по правилу Ленца так, чтобы препятствовать колебаниям рамки относительно положения равновесия.
Особенности магнитоэлектрических приборов. Приборы магнитоэлектрической системы имеют ряд достоинств: они обладают высокой чувствительностью и точностью, имеют равномерную шкалу и мало зависят от внешних магнитных полей.
Основным недостатком магнитоэлектрических приборов является то, что они пригодны лини, для измерений в цепях постоянного тока. Пели через обмотку мигнигоэлоктрического прибора проходит переменныii ток, который несколько десятков раз в секунду меняет свое направленно, то соотвотстпеипо меняется направление сил, стремящихся повернуть рамку. Вследствие инерции рамка не успевает следовать за изменением направления вращающего момента и в итоге остается в нулевом положении, т. е. стрелка прибора не отклоняется.
В обмотку рамки ток подводится через тонкие пружины. Поэтому даже при кратковременной перегрузке, когда сила тока в несколько раз превышает номинальное значение, возможен сильный нагрев и ослабление или расплавление пружин, т. е. порча прибора.
Магнитоэлектрические приборы не допускают перегрузки, поэтому с ними следует обращаться осторожно. Рамка наматывается из очень тонкой проволоки, через которую может проходить ток не более нескольких миллиампер (обычно 4-ь15 ма). Для того чтобы магнитоэлектрическим амперметром можно было измерять большие силы тока, через обмотку пропускают не весь измеряемый ток, а только часть его.
Для этого параллельно зажимам ампормотра включают определенное по величине .сопротивление, во много раз меньшее сопротивления обмотки прибора. Большая часть тока проходит через это сопротивление, называемое шунтом, а через
189
обмотку рамки проходит лишь небольшая часть измеряемого тока.
При измерении напряжения постоянного тока последовательно с обмоткой рамки включают большое сопротивление, ограничивающее ток прибора и называемое добавочным сопротивлением.
При включении магнитоэлектрических приборов необходимо соблюдать правильную полярность. Ток в обмотке рамки должен итти в определенном направлении. При неправильной полярности, когда ток идет в обратном направлении, стрелка прибора отклоняется в обратную сторону.
Положительный зажим прибора снабжается знаком +. Это означает, что ток должен входить в прибор у положительного зажима и выходить из прибора у отрицательного зажима.
У отрицательного зажима ставится не знак —, а цифра, указывающая напряжение (у вольтметров) или силу тока (у амперметров), при которой стрелка отклоняется на всю шкалу.
Когда прибор не включен, его стрелка должна устанавливаться в пулевое положение, отмеченное значком 0 на шкале. Для установки стрелки на пуль служит специальный поводок Н (рис. 176), в развилку которого входит конец винта, называющийся корректором. Другой конец поводка при повороте его винтом В слегка натягивает или отпускает пружину, что позволяет отрегулировать нулевое положение стрелки прибора.
§ 3. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Устройство. Устройство измерительного прибора электродинамической системы показано па рис. 178. Для отклонения стрелки электродинамического прибора используется взаимодействие катушек с током. Прибор имеет неподвижную катушку, намотанную в виде двух рядом расположенных секций А и А', и подвижную катушку В, которая помещена внутри неподвижной катушки.
Подвижная катушка укреплена на оси и может вращаться вместе с осью. На оси прибора укреплены стрелка и пружины, которые создают противодействующий момент и подводят ток к подвижной катушке. Нижний конец стрелки заканчивается легким поршнем П, который помещен внутри камеры К. Камера и поршень образуют воздушный успокоитель (он успокаивает колебания стрелки относительно положения ее равновесия).
При протекании тока по катушкам А и А' обе они создают магнитное поле. Подвижная катушка при этом стремится повернуться так, чтобы ее магнитное поле совпало с магнитным полом неподвижной катушки (рис. 179), т. е. чтобы магнитные силовые линии поля неподвижной и подвижной катушек имели одинаковое направление. Вращающий момент, 190
стремящийся повернуть подвижную катушку, пропорционален произведению токов Z, и г2.
Если через обе катушки проходит один и тот же ток (при последовательном соединении катушек), то вращающий момент
пропорционален квадрату силы тока. Момент противодействующей пружины пропорционален углу поворота оси прибора.
Когда вращающий и противодействующий моменты становятся равными, подвижная катушка останавливается. Чем больше сила тока в катушках, тем больше угол поворота стрелки прибора.
Гис. 179. Принцип действии электродинамического пробора
Рис. 17И. Угтройгтпо прибора электродинамической системы к его условное обозначение
Особенности. Приборы электродинамической системы обладают неравномерной шкалой (рис. 180).
При изменении направления тока в обеих катушках направление вращающего момента пе меняется. Поэтому электродинамические приборы пригодны для измерений в цепях переменного и постоянного тока, что является их большим достоинством.
191
Точность электродинамических приборов может быть высокой (до 0,5 %—0,2%). Они могут быть применены для измерения силы тока (амперметры), для измерения напряжения (вольтметры), измерения мощности (ваттметры).
Недостатками электродинамических приборов являются: зависимость их показаний от внешних магнитных полей (ввиду того что собственное магнитное поле прибора невелико) и чувствительность к перегрузкам. Электродинамические приборы чаще всего применяются в лабораториях.
§ 4. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
Устройство. Устройство прибора электромагнитной системы показано на' рис. 181. Электромагнитный прибор состоит из катушки А, намотанной на плоском каркасе, так что внутри катушки образуется щелевидное отверстие. Подвижная часть прибора представляет собой ось, на которой укреплен лепесток из мягкого железа Б. Лепесток на оси укреплен несимметрично и частично входит в щелевидпое отверстие катушки. Па оси
Рис. 181. Устройство прибора электромагнитной системы и его условное обозначение
yrqieii.iieiii.! также указательная стрелка и пружина /, создающая противодействующий момент.
Для успокоения стрелки служит воздушный успокоитель В, который устроен так же, как и у электродинамических приборов. Когда по катушке проходит ток, образуется магнитное поле, которое сильнее всего в щелевид-пом отверстии. Железный лепесток втягивается магнитным полем и поворачивает ось прибора до тех пор, пока момент противодействующей пружины и момент, действующий на лепесток, не уравновесятся. Чем больше сила тока, тем сильнее втягивается железный лепесток, т. е. тем больше угол, на который поворачивается стрелка, указывающая значение измеряемой величины. Железный лепесток втягивается магнитным полем катушки независимо от того, проходит ли по катушке постоянный или переменный ток. Поэтому приборы электромагнитной системы пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока.
192
Особенности. Шкала прибора электромагнитной системы, как и шкала электродинамического прибора, неравномерна.
Большим достоинством электромагнитных приборов является простота конструкции и нечувствительность к кратковременным перегрузкам. Поэтому большинство технических приборов для измерения силы тока и напряжения изготовляется в виде приборов электромагнитной системы.
Точность показаний электромагнитных приборов невелика (1,5%—’2,5%), однако для технических измерений такая точность достаточна.
К недостаткам электромагнитных приборов относится зависимость их показаний от внешних магнитных полей. Поэтому их не рекомендуется располагать рядом с устройствами, создающими вокруг себя сильные магнитные поля.
Для уменьшения влияния внешних магнитных полей корпус электромагнитных приборов делают из железа.
§ 5. ПРИБОРЫ ТЕПЛОВОЙ СИСТЕМЫ
Устройство прибора тепловой системы показано на рис. 182. Прибор имеет тонкую платино-иридиевую нить, закрепленную в точках А и В, по которой проходит измеряемый ток I. К середине нити прикрепляется
Рис. 182. Устройство прибора тепловой системы и его условное обозначение
вспомогательная металлическая пить СД, закрепленная неподвижно в точке Д.
В тонко В к вспомогательной нити прикроилнотся шелковая нитка, которая закручивается вокруг ролика Н и прикрепляется к плоской пружине 1?. Пружина стремится выпрямиться и натягивает шелковую
13 Электротехника
1«3
нить. Ролик R может вращаться вместе с осью, на которой укреплена стрелка прибора. На той же оси укреплена алюминиевая пластинка 3', которая входит в пространство между полюсами постоянного магнита М. Когда по платино-иридиевой нити проходит ток, нить нагревается и удлиняется. Благодаря этому точка С может опуститься вниз, а точка Е при этом переместится влево, так как шелковая нить натянута пружиной F. При перемещении шелковой нити ролик поворачивается и вместе с ним поворачивается стрелка прибора. Положение, которое займет стрелка прибора, зависит от температуры нагрева платшю-иридиевой нити, т. е. от силы протекающего по ней тока.
Успокоение стрелки достигается тем, что при движении алюминиевой пластинки 3' между полюсами магнита М в пластинке возникают вихревые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, по правилу Ленца препятствуют колебаниям пластинки и стрелки прибора относительно положения равновесия.
Приборы тепловой системы могут применяться для измерений в цепях постоянного и переменного тока, так как тепловое действие тока не зависит от его направления. Приборы этой конструкции применяют главным образом в качестве амперметров.
Шкала прибора тепловой системы неравномерна, так как количество тепла, выделяемого током, пропорционально квадрату силы тока.
Точность показаний приборов тепловой системы невысокая. Их недостатками являются зависимость от температуры окружающей среды, низкая чувствительность (так как малые токи недостаточно нагревают нить), неспособность выдерживать перегрузку. Уже при сравнительно небольшой перегрузке возможно расплавление нити прибора.
§ 0. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Общие сведения об измерениях. Электрические измерения дают правильные результаты только при соблюдении следующих условий: 1) правильный выбор метода измерений и правильное составление схемы измерений; 2) соответствие типа применяемого прибора роду тока (постоянный ток или переменный ток); 3) соответствие шкалы прибора, т. е. пределов измерения, измеряемой величине тока (напряжения, мощности н т. д.).
Отсчет показаний прибора следует производить, глядя на стрелку одним глазом. Глаз должен находиться на линии, перпендикулярной плоскости шкалы, в месте расположения конца стрелки прибора.
На шкале измерительных приборов всегда имеется несколько условных знаков, указывающих, какую величину измеряет прибор, для какого рода тока он предназначен (постоянного или переменного), систему прибора, его рабочее положение (вертикальное или горизонтальное), напряжение, которое выдерживает изоляция прибора.
В табл. 6 и 7 показано, что означают отдельные знаки. Например, если на шкале прибора имеются знаки: 1)V, 2)—, 8)0, 4) | , 5) (g) , 6) 2kV, то о нем можно сказать следующее:
194
Г а б л и ц а 6
Названия и обозначения измерительных приборов
Инмерлемии ппличина Название прибора Условное 1 Единица обозначение | измерения
('ила тока Амперметр Миллиамперметр ® ® Ампер Миллиампер
Напряжение Вольтметр Милливольтметр (mV) Вольт Милливольт
Мощность Ваттметр Киловаттметр ®® Ватт Киловатт
>п<*|>1'|||| Сопротивление Счетчик электрической hliopillll Омметр Мегомметр (kWh) | kWh J (Л) (rid) Киловатт-час
()м Мегом
Таблица 7
Условные знаки иа .шкале прибора
Знак Что он означает
0 . Магнитоэлектрическая система
сб 1 ГС 1 Электродинамическая система
ф К и Электромагнитная система
i н Тепловая система
$ Индукционная система
13*
105
Про дол Ht е и и е
Знак Что он означает
Род тока —- Предназначен для йзмерений в цепях постоянного тока
Предназначен для измерений в цепях переменного тока
Пригоден для измерений в цепях постоянного и переменного тока
Положение Прибор располагается вертикально
— я» Прибор располагается горизонтально
^2kV Изоляция прибора испытана напряжением 2 кв
Класс точности Точность iioiia.n-iiniii 0,5%, 1,.г>% и т. д.
© Точность показаний не ниже 5%
вольтметр (V) предназначен для измерения постоянного тока (— ) магнитоэлектрической системы (0); рассчитан на ра-Готу в вертикальном положении ( | ); имеет точность показаний 1,5% (@ ); изоляция вольтметра выдерживает напряженно 2 киловольта ( 2kV).
Измерение тока. Измерение постоянного тока производится амперметрами магнитоэлектрической системы, а также электродинамической, электромагнитной и тепловой систем.
Для измерения малых токов применяются миллиамперметры, шкала которых указывает силу тока в миллиамперах, т. е. тысячных долях ампера.
Для измерения особо малых токов применяют микроамперметры и гальванометры (эти приборы всегда магнитоэлектрической системы).
Амперметр или миллиамперметр включается последовательно в цепь измеряемого тока (рис. 183). Чтобы включение амперметра не влияло на силу тока в цепи, его сопротивление должно быть мало.
В тех случаях, когда сила измеряемого тока больше продолов измерения прибора, применяют включение амперметра с шунтом (рис. 181).
196
В цепь последовательно включается шунт, а параллельно шунту с помощью соединительных проводов присоединяется амперметр.
('онротпилепие шунта должно иметь вполне определенную полпчипу, зависящую от необходимых пределов расширения измерении и от сопротивления амперметра.
Пусть, например, ток в цепи / в 10 раз больше тока, который можно непосредственно измерить амперметром (1А). Очевидно, что через амперметр должно проходить не более части изме-g
ряемого тока, а через шунт — остальные Так как при парал
I'lii'. 183. Измерение тока
а 6
Рис. 184. Включение амперметра с шунтом: а—правильно; б—неправильно
лельном соедн вен и и днух roiiporiin.iiciiiiii тонн распределяются обратно пропорционально <<>нрогнплениим, необходимо, чтобы сопротивление шунта было и 9 рал меньше, чем сопротивление амперметра:
__IА . JJ'i_
Од Ри ’ б, 9 9
// р и м е р. Амперметр рассчитан на измерение силы тока до 5 а. Сопротивление амперметра 0,045 ом. Необходимо измерить силу тока до 50 а.
Решена е. Непосредственно включить амперметр нельзя, поэтому нужно «зашунтировать амперметр». Рассчитаем сопротивление шунта. При токе в цени 50 а ток 5 а должен проходить через амперметр, а ток через шунт должен составлять:
1ш--1 — = 50 — 5= 45 а.
Так как
J ш _ Ja P-А Pil
ТО
Л,„ fi - 0,045 - Д - 0,005 ом.
*'< ' А.»
1 ы *'
197
Расчет шунта. Обозначим буквой п отношение измеряемого тока к току, идущему через амперметр:
I
*А
Коэфициент п показывает, во сколько раз при помощи шунта расширяются пределы измерения.
Ток через шунт
Так как
Ra то
- ~~ ИЛИ ~ ^4-г-у— = Ц- ,
Zui Ra (n — l)IA п — 1
По этой формуле рассчитывается сопротивление шунта.
Пример. Миллиамперметр имеет сопротивление /?л=4,75 ом п рассчитан па измерение тока /л=15 ма.
Определить сопротивление шунта, если необходимо увеличить пределы измерения и //--20 рал.
Р е ги е н и е.
„ Ra 4,75 4,75 n 9С.
— 7~f ~lf!~r — ip —0,25 ом.
Шунты к амперметрам часто монтируются в корпусе прибора. Применяются также и отдельные шунты, которые называются наружными шунтами. Наружный шунт к магнитоэлектрическому миллиамперметру на 15 ма показан на рис. 185. Надписи на шунте указывают: 1) для какого прибора предназначен шунт; 2) силу тока, которую можно измерить, пользуясь шунтом.
Если амперметр примопяетсн с шунтом, расширяющим пределы измерения и п раз, то измеряемую силу тока в цепи следует вычислять, умножая показание по шкале амперметра на коэфициент п.
Пример. Амперметр, включенный с шунтом, расширяющим пределы измерения в 4 раза, показывает ток /л=0,6 а. Определить силу измеряемого тока.
Решение. Действительная сила тока в цепи
/=/лп=0,(>.0,4=2,4 а.
В таких случаях говорят, что цена деления амперметра увеличилась в четыре раза.
При пользовании амперметрами следует помнить, что присоединение амперметра параллельно зажимам приемника или генератора приводит к короткому замыканию, так как ампер
198
метр имеет ничтожно малое сопротивление. Поэтому параллельное включение амперметра недопустимо, оно приводит к гибели прибора.
Намерение напряжения. Для измерения напряжения между двумя точками электрической цепи к этим точкам присоединяют вольтметр. Положительный зажим вольтметра присоединяется к положительному зажиму приемника или генератора. Схема включения вольтметра показана на рис. 186.
Включение вольтметра не должно изменять электрического режима цепи. Для выполнения этого условия необходимо,
Рис. 185. Шунты
чн>бы г>н1р|>тп|)Л(Ч1пе вольтметра было во много раз больше (онротипленял приемника. Иначе говоря, сила тока, идущего через иолы метр, до,loi.nii быть ничтожно мала по сравнению с силой теки приемники.
Рис. 186. Измерение напряжения
Для измерения напряжения в цепях постоянного тока применяют вольтметры магнитоэлектрической, электродинамической и электромагнитной систем. Приборы магнитоэлектрической системы являются лучшими, так как для них нужен ток от 0,1 до 4 ма, тогда как, например, электромагнитные приборы требуют ток до 20-т-ЗО ма и больше.
В тех случаях, когда измеряемое напряжение больше пределов измерения вольтметра, применяют добавочные сопротивления.
Схема включения вольтметра с добавочным сопротивлением показана на рис. 187.
Если необходимо расширить пределы измерения вольтметра в 10 раз, то па его сопротивлении Rv должна падать 1 я
доля измеряемого напряжения, и измеряемого папряже-
199
ния должны падать на добавочном сопротивлении Rdo6. Добавочное сопротивление и вольтметр соединены последовательно. При этом падения напряжения па сопротивлениях пропорциональны величинам сопротивлений:
Ядоб _ боб Kv “ uv~‘
Для расширения пределов измерения вольтметра в 10 раз
П U доб Р й, 9 ’У _()/?
‘‘доб 7 Ж ’ ц ’()
Рис. 187. Включение iu>ji(,tm<’T|)ii с добавочным сопротивлением: а — добавочное eoiipoiиплгиие, помещенное на задней стороне вольтметра; б — отдельное добавочное сопротивление
Расчет добавочного сопротивления. Обозначим отношение измеряемого напряжения U к напряжению Uv, которое непосредственно может измерить вольтметр, буквой т:
Очевидно, что
-Uv=(m-l)Uv.
Подставим ото винчение Uдоб в ранее полученное выражение и получим
Ядоб _ (»» — И Uv __ .
Яи - Уу - т Л
Отсюда находим
В рассмотренном примере требовалось расширить пределы измерения вольтметра в т=10 раз.
Поэтому
- П =00 - 1) 7?и =97?и.
7/ р и лт е. р. Требуется измерить напряжение сети 77= 127 в вольтметром, рассчитанным на напряжение Uv=15 в. Опреде
20и
лить величину добавочного сопротивления, если сопрьтинлэ-" иие воль тметра /?И=Ю ООО ом.
1> <• in е н и е. Выберем такое добавочное сопротивление, чтобы пределы измерения вольтметра увеличились в т =10 риз. Тогда
Ядоб=(т — =(10-1) 10 000=90 000 ом.
Если в сети напряжение U =127 в, то на вольтметре будет одна десятая напряжения, т. е. его стрелка укажет напряженно 12,7 в.
Рис. 188. Многопредельный вольтметр
15 во
150 во
450 во
Рис.. 189. Схема многопредельного польтмотрн
Отсюда видно, что при расширении пределов измерении в т раз измеряемое напряжение равно показанию иольтмотра, умноженному на т:
U=mUv.
Отдельные добавочные сопротивления применяются редко. Чаще всего добавочные сопротивления помещаются внутри корпуса вольтметра.
Для того чтобы одним вольтметром было удобно измерять различные по величине напряжения, часто внутри вольтметра помещается не одно, а несколько добавочных сопротивлений.
Такие вольтметры имеют снаружи несколько зажимов и называются многопредельными (рис. 188).
Электрическая схема многопредельного вольтметра на 15, 150 и 450 в показана на рис. 189. Для измерения малых напряжений применяются милливольтметры.
В заключение отметим, , что вольтметр нельзя включать последовательно в цепь (сопротивление вольтметра во много раз больше сопротивления приемника, поэтому сила тока в цепи уменьшится и нарушится нормальный режим работы приемника). •
201
« 7. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОПА
Для измерения сопротивлений применяются два основных способа:
1) измерение вольтметром и амперметром;
2) измерение омметром.
Измерение сопротивлений вольтметром и амперметром. Вольтметр включается параллельно измеряемому сопротивлению Rx и измеряет падение напряжения U на нем.
Амперметр включается последовательно с измеряемым сопротивлением и измеряет силу тока I, проходящего через пего.
Сопротивление Rx может быть вычислено согласно закону Ома:
U Rx^-^j-ом. х 1
Показания вольтметра должны быть выражены в вольтах, а показания амперметра — в амперах.
Если измеряется сопротивление небольшой величины (менее l-s-Ю ом), применяете я схема, показанная на рис. 190, в которой вольтметр присоединен параллельно зажимам сопротивления, а амперметр измеряет силу тока через сопротивление и вольтметр. Так как сопротивление вольтметра велико, а измеряемое сопротивление Rx мало, то сила тока через вольтметр ничтожно мала по сравнению с силой тока через сопротивление. Поэтому погрешность при таком измерении незначительна.
При измерении больших сопротивлений применяется схема, показанная на рис. 191. При этом амперметр включается последовательно с измеряемым сопротивлением, а вольтметр измеряет сумму падений напряжения на амперметре и на сопротивлении Rx.
'Гак как Нх велико по сравнению с сопротивлением амперметра, то погрешность измерения ничтожна: вычисленное сопротивление, равное сумме сопротивления амперметра и Rx, мало отличается от Rx. Например, если Rх—10 ом, а сопротивление амперметра 7?л=О,О5 ом, то вычисленное сопротивление будет R = 10,05 ом, т. е. будет отличаться на 0,5% oi R х.
Измерение сопротивлений вольтметром и амперметром является косвенным способом, так как величина неизвестного сопротивления определяется вычислением по показаниям этих приборов.
Измерение сопротивлений омметром. Принцип действия омметра заключается в следующем: последовательно с прибором магнитоэлектрической системы включаются измеряемое сопротивление и источник постоянного тока (рис. 192), например сухой гальванический элемент (батарея от карманного 202
электрического фонарика). Сила тока в цепи зависит от величины сопротивления, поэтому отклонение стрелки прибора также будет зависеть от величины сопротивления: если сопротивление Rx мало, то в цепи идет большой ток и стрелка прибора находится в правом положении; если сопротивление Jix велико, сила тока в цепи небольшая и стрелка прибора откло-
Гис. 190. Схема измерения малых сопротивлений
Рис. 191. Схема измерения больших сопротивлений
Рис. 193, Шкала простейшего омметра
Рис. 194. Установка омметра на нуль
пяется лишь немного. Поэтому, когда стрелка омметра находится в крайнем правом положении, опа показывает сопротивление, равное нулю; в крайнем ловом положении стрелка устанавливается при разрыве цепи, т. е. при весьма большом сопротивлении, величина которого не может быть измерена по шкале данного омметра (рис. 193). Батарея питания омметра обычно монтируется внутри корпуса прибора. Перед каждым измерением необходимо установить стрелку прибора на нуль. Для inoio надо замкнуть накоротко зажимы омметра и плавно вра-
203
шить рукоятку корректировки прибора (рис. 194). После того как пуль омметра установлен, к его зажимам присоединяется измеряемое сопротивление. Величина этого сопротивления отсчитывается по шкале. С помощью омметра нельзя измерять сопротивление, по которому проходит ток от какого-либо внешнего источника.
Измеряемое сопротивление следует отключить от цепи и только после этого измерять омметром его величину. В противном случае омметр можно испортить.
Измерение сопротивления изоляции. Для измерения сопротивления изоляции служит прибор, который называется мегомметром (рис. 195). В мегомметре вместо гальванического эле-
195 Мегомметр
ПС .
между которыми необходимо
мента имеется небольшой генератор постоянного юна, дающий высокое напряжение (500«). Генератор приводится в действие вращением рукоятки, расположенной снаружи прибора. На верхней панели мегомметра расположен магнитоэлектрический прибор, шкала которого градуируется в мегомах, т. с. показывает миллионы ом. Зажимы мегомметра при помощи проводов с. хорошей изоляцией присоединяются к двум точкам,
измерить сопротивление изоляции. IIрн пользовании мегомметрами следует помнить, что напряжение на их зажимах достигает 500 в и больше.
Мегомметром можно измерять сопротивление изоляции между проводами электрической линии. При этом провода линии не должны быть соединены между собой, т. е. от линии должны быть отключены генератор и все приемники энергии. Зажимы мегомметра следует соединить с двумя жилами линии, между которыми измеряется изоляция (рис. 195). С помощью мегомметра можно измерить также сопротивление изоляции между обкладками конденсатора, между различными обмотками трансформатора и т. д.
Сопротивление изоляции электролитических конденсаторов мегомметром измерять нельзя. Точность измерений мегомме: тром около 5-ь10%.
204
КОНТРОЛЬНЫЕ HOHPOVhl К ГЛАВЕ IX
1. Какие системы измерительных прибором вам известны?
2. Как устроен магнитоэлектрический прибор?
3. Как устроен электродинамический прибор?
4. Как устроен электромагнитный прибор?
5. Как устроен тепловой прибор?
6. Какие из этих приборов имеют равномерную шкалу?
7. Можно ли магнитоэлектрическим прибором измерять переменный ток?
8. Для чего надо соблюдать полярность при включении магнитоэлектрических приборов?
У. Можно ли тепловым, электродинамическим и электромагнитным приборами производить измерения в цепях постоянного и переменного тока?
10. Нарисуйте схему включения амперметра.
11. Что такое шунт к амперметру? Для чего служит шунт?
12. Нарисуйте схему включения вольтметра.
13. Что такое добавочное сопротивление к вольтметру и для чего оно служит?
14. Какие методы измерения сопротивлений вам известны?
15. Нарисуйте схемы измерения малых и больших сопротивлений при помощи вольтметра и амперметра.
16. Как производится измерение сопротивлений омметром?
17. Для чего используется мегомметр? Как им пользоваться?
Глава X
ОДНОФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
g 1. ПОНЯТИЕ О ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
Определение. Электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени, называется переменным током.
Условно переменный ток обозначается знаком «~».
Условимся откладывать на графике вдоль горизонтальной оси время, а параллельно вертикальной оси — величину тока в определенном масштабе. Когда ток идет в одном направлении, будем откладывать величину
тока вверх и считать его положительным, а когда он идет 11 обратном направлении, будем откладывать величину тока вниз от горизонтальной оси и считать его отрицатель: ным.
Постоянный ток (рис. 196,а) все время имеет одно направление п сила тока не меняется (За).
Переменный ток (рис.
196, 6) непрерывно меняется по величине и через определенные промежутки времени изменяет направление.
В момент ток ра: вей -ф5 а, в момент Z2 ток равен-4-2,5 а, в момент ta ток равен — 2,5 а, т. е. идет в обратном направлении, в момент t5 ток равен нулю и т. д.
применяется синусоидальный переменный ток (график ого представляет собой плавную волнообразную линию, как показано на рис. 196,6). Переменный ток получают от генераторов переменного тока, э. д. с. которых меняется по синусоидальному закону.
а
3 г 1 -
О 0,01 0,03 0,05 0,07 0,090,1 секунды
За За За
t
Рис. 196. Графики постоянного а и переменного б тока
В электротехнике чаще всего
206
Получение синусоидальной .электродвижущей силы. Синусоидальную э. д. с. можно получить от простойшого генератора переменного тока, схема которого показана на рис. 197.
Между полюсами N и 8 электромагнита вращается стальной цилиндр Л, на котором укреплен виток из модного изолированного провода (обычно делается не один, а несколько витков).
S
Рис. 197. Генератор синусоидальной э. д. с.
Рис. 198. Величина э. д. с. зависит от направления движения проводника
Нонны нитки присоединены к медным кольцам, изолированным от нала. 11 кольцам прижимаются неподвижные щетки Щ, которые соединяются проводами с приемником энергии R.
Действие генератора осноннно на явлении электромагнитной индукции: при движении проводника а магнитном поле в проводнике возникает электродвижущая сила, величина которой ааписпт от длины проводника и скорости пересечения проводником магнитных линий.
Если магнитная индукция во всех точках поля одинакова ( г. е. магнитное поле равномерное), то скорость пересечения магнитных линий зависит от направления движения проводника. В простейшем генераторе проводник перемещается по окружности (рис. 198).
В начальном положении 1 проводник движется вдоль магнитных линий и не пересекает их. В это время э. д. с. равна пулю. Затем проводник начинает пересекать магнитные линии, и возникающая в нем э. д. с. увеличивается, достигая наибольшего значения в положении 4, когда проводник движется перпендикулярно направлению магнитного поля. После этого э. д. с. убывает, уменьшаясь до нуля в положении 7. В положениях 8,- 9, 10, 11 проводник движется под другим полюсом. В соответствии с этим меняется направление з. д. с., которая как и в первую половину оборота достигает наибольшего значения в положении 10 и уменьшается затем до нуля.
После одного полного оборота процесс повторяется.
207
График оппуооидпльпой а. д. с. Найдем величину а. д. с. в различные моменты времени. Пусть В — магнитная индукции и иольтеекундах на квадратный метр, I — длина проводника в метрах, к -- скорость движения проводница вдоль окружности в метрах в секунду, а - угол между направлением движения проводника и направлением магнитных силовых линий. По закону электромагнитной индукции возникающая ». Д. с.
e = Blv-Sin а.
С течением времени меняется только угол а. Обозначим угловую скорость вращения буквой ш (омега). Тогда угол можно выразить как произведение угловой скорости и времени t:
a = u>t.
Например, если угловая скорость ш=100° в секунду, то за 0,3 сек. виток повернется па угол а=ш£=100° • 0,3=30°. Величина Blv остается постоянной. Когда угол а=90°, то синус имеет наибольшее значение: sin 90°= 1; э. д. с. также будет иметь наибольшее значение, которое обозначим Ет:
Em=Blv sin 9 ,° = Blv.
Учитывая введенные обозначения, можно записать, что
Угол а=ш1 называется ф а а о й п с р с м е в п о ii а, д, с. Вычислим а. д. с. при различных значениях угла а.
В пололсетя 11 угол » а = 0°; а= 30°; sin sin 0° = 0; 30° = 0,5; e.-=Em e=Em sin sin 0° = 0 30° = 0,5 Em
» 3 » а = 60°; sin 60° = 0,866; c~Em sin 60° = 0,866 Em
» 4 » а= 90°; sin 90° = l; e = Em sin 90 ~Em
» 5 » а=120°; sin 120° = 0,866; e-Em sin 120° = 0,866 Em
» 6 » а = 150°; sin 150°=0,5 e = Em sin 150° = 0,5 Em
7 » а = 180°; sin 180° = 0; e- Em sin 180° = 0
х> 8 » а = 210°; sin 210° = —0,5; c = sin 210° = —0,5 Em
» 9 » а=240°; sin 240"= —0,866; e = E nl sin 240° = = —0,866 Em
10 » а = 27О"; sin 27b"-- 1; — Ejji sin 270° = -£m
11 9 = 300"; sib 300"- O,8(i(>; i':,„ sin 300° = = —0,866 Em
» 12 » 9 = 3311"; sin 330". —0,5; sin 330° = -0,5 Em
1 » « = 3(>0°; sin 360" = 0; e — Em sin 360° = 0
Пользуясь вычисленными значениями э. д. с., построим график (рис. 199). Для этого вдоль горизонтальной оси будем откладывать угол а = o>t и для каждого угла параллельно вертикальной оси отложим величину а. д. с. (с положительным знаком вверх; с отрицательным знаком вниз). Соединив соседние точки плавной кривой, получим график синусоидальной э. д. с. за первый оборот.
Если виток продолжает вращаться с равномерной скоростью, то при каждом следующем обороте, т. е. при изменении угла на 360° (от 360° до 720°, от 720° до 1080° и т. д.), график э. д. с. будет иметь такой же вид, как п при нервом обороте. Так как через каждые 360° значения переменной а. д. с. повторяются (навример, Ет sin30°=-/imsin(360°4-+30°)=£’m sin (2 • 360°-| 30°) н т, д.), то э. д. с. называется период и-ческой.
При изображении синусоидальной а. д, с, вдоль горизонтальной оси часто откладывают не угол а, а соответствующее ему время I.
208
1?ак мы видели, один никл изменений э. д. с. происходит в течение времени, нужного дли одного оборота нитка.
Если скорость вращении питка сделать в два раза больше, то на полный цикл изменений о. д. с. потребуется в два раза
Рис. 199. График синусоидальной э. д. с.
меньший промежуток времени. На рис. 200 показано два графика синусоидальных э. д. с. Обозначенная пунктиром э. д. с. проходит полный никл своих изменений в два раза быстрее.
Рис. 200. Э. д. с. с разными периодами
Отсюда видно, что для полной характеристики синусоидальной д. с. недостаточно знать только ее наибольшее значение Ет, но необходимо также знать, как часто повторяется полный цикл со изменений.
§ 2. ОСНОВНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
Чтобы характеризовать постоянный ток, достаточно указать силу тока и его направление. Для характеристики переменного чока этого недостаточно, так как сила тока (а также э. д. с. и напряжение) непрерывно меняется по величине и направлению.
II
. «локтротехника
209
Поэтому, прежде чем изучать цепи переменного тока, необходимо ознакомиться с величинами, характеризующими переменный ток. Такими величинами являются: 1) период переменного тока; 2) частота переменного тока; 3) мгновенное значение тока; 4) амплитуда переменного тока; 5) действующее значение переменного тока; 6) сдвиг по фазе между двумя или несколькими токами или током и напряжением.
Понятия периода, частоты, амплитуды и т. п. относятся также к переменному напряжению и к переменной э. д. с.
Период. Промежуток времени, в течение которого ток (э. д. с., напряжение) совершает полный цикл своих изменений, называется периодом переменного тока.
Если взять значения тока через промежутки времени, равные периоду, то они будут одинаковы по величине и по знаку.
Период обозначают буквой Т и измеряют в секундах. В промышленности применяется переменный ток, период которого равен 0,02 сек. На графике период переменного тока можно изобразить отрезком на оси времени, как показано на рис. 201. Там же показаны отрезки, которые изображают половину
1 1 I
периода Т) п четверть периода (/( 7'). Началом периода обычно считают момент, когда ток проходит через О в сторону положительных значений (точки О, А, Б).
Частота. Число периодов в одну секунду называется частотой переменного тока.
Частота изображается буквой / и измеряется в герцах (гц).
Один герц есть частота такого тока, период которого равен одной секунде. Прибор для измерения частоты называется частотомером.
Частоту переменного тока можно вычислить, если известен период. Разделив одну секунду па время, равное одному периоду, получим число периодов в секунду, т. е. частоту:
Зная частоту, можно найти период:
Тсек.
В технике применяют переменные токи различных частот.
В Советском Союзе на всех электростанциях вырабатывается электрическая энергия переменного тока стандартной частоты 50 гц, т. о. 50 периодов в секунду. Переменный ток частоты 50 гц часто называют током промышленной частоты, так как он служит для снабжения электроэнергией промышленных предприятий — заводов и фабрик, для электрического освещения и т. д. Все киноустановки получают электрическую энергию от сети переменного тока с частотой 50 гц.
210
В звуковом кино для передачи звука с помощью электрических сигналов применяют токи с различной частотой — от 50 до 10 000 гц. Такие токи называют токами звуковой частоты. В радиотехнике частота переменных токов достигает сотен тысяч и нескольких миллионов серн.
Из примера получения синусоидальной э. д. с. мы видели, что частота тока зависит от скорости вращения витка в магнитном поло. При этом время одного оборота равно периоду переменного тока. Поэтому число оборотов в секунду равно частоте переменного тока в герцах.
Скорость вращении витка можно измерять не числом оборотов в секунду, а угловой скоростью и>, которая измеряется числом радианов в секунду. Угол в один радиан соответствует дуге окружности, длина которой равна радиусу. Так как длина всей окружности содержит 2л=б,28 радиуса, то один оборот содержит 2«=6,28 радиан. Поэтому частоте / гц соответствует угловая скорость w=2nf радиан, которая называется угловой частотой! переменного тока и измеряется в 1/сек.
Например, частоте /=50 гц соответствует угловая частота ul=2it/=6,28-50=314 1/сек.
Период можно выразить через угловую частоту;
т 1 2л
так как
ш 2л
Мгновенное значение переменного тока. Величина тока в какой-либо момент времени называется мгновенным значением переменного тока. Мгновенные значения обозначаются малыми буквами: I — мгновенное значение тока; и — мгновенное значение напряжения; е — мгновенное значение э. д. с.
Мгновенные значения непрерывно меняются ио величине.
14*
211
Поело каждого полного периода мгновенное значение тока повторяется и имеет тот же знак (рис. 201).
Амплитуда переменного тока. Наибольшее мгновенное значение тока за период называется амплитудой переменного тока.
Амплитуды силы тока, напряжения и э. д. с. обозначаются прописными буквами со значком т: 1т—амплитуда тока; Uт— амплитуда напряжения; Ет— амплитуда э. д. с.
Понятие об амплитуде тока подобно понятию об амплитуде размаха при колебаниях маятника часов (рис. 202).
Когда маятник часов качается относительно положения равновесия 00', он наиболее удаляется от точки равновесия, приходя в точку 1 или 2. Можно условно принять отклонение маятника вправо за положительное направление, а отклонение влево — за отрицательное. Тогда откло-+i нение до точки 1 можно назвать положи-
z'T's. тельной амплитудой колебаний маятника,
/ \ а отклонение до точки 2 — отрицатель-
/ \ ной амплитудой колебаний маятника.
Па рис. 203 видно, что переменный ток, подобно отклонению маятника, достигает положительной ам-1 г плитуды через Т после начала периода. За один полный период ток два раза принимает амплитудное значение — один раз положительное и второй раз отрицательное.
Действующее значение
переменного тока. При использовании электрической энергии переменного тока пас чаще всего интересует не амплитудное и мгновенное значения тока, а так называемое действующее значение, которое определяет тепловое действио переменного трка. Действующее значение переменного тока по тепловому эффекту можно сравнивать с постоянным током.
Определить действующее значение переменного тока можно следующим образом: пусть по сопротивлению R проходит переменный тек с амплитудой Iт. В каждый малый отрезок времени переменный ток выделяет некоторое количество тепла, зависящее от мгновенного значения тока. Полное количество тепла за время t можно найти, просуммировав отдельные количества тепла, выделенные различными мгновенными значениями токов. Обозначим это полное количество тепла за время t буквой (7Х. Теперь то же самое сопротивление R включим в цепь постоянного тока и подберем силу постоянного тока так, чтобы за 212
t
О
—L
Рис. 203. Амплитудные и мгновенные значения тока
тот же промежуток времени t в сопротивлении В выделилось прежнее количество тепла
Пусть оказалось, что одинаковое количество тепла выделяется тогда, когда сила постоянного тока равна 5 а. Мы можем сказать, что по тепловому действию переменный ток в данном случае равноценен постоянному току 5 а, т. о. действующее значение переменного тока равно 5 а. Точно так же можно установить действующее значение переменного тока и в других случаях.
Таким образом, действующее значение переменного тока численно равно такому постоянному' току, который в течение одинакового промежутка времени выделяет в некотором сопротивлении такое же количество тепла, как и д а н и ы и переменный ток.
Действующее значение переменного тока меньше его амплитудного значения. С помощью точных вычислений и измерений установлено, что одинаковое количество тепла выделяется переменным и постоянным током тогда, когда амплитуда переменного тока в 1/2= 1,41 раза больше силы постоянного тока.
Следовательно, действующее значение переменного синусоидального тока в 1,41 раза меньше его амплитудного значения.
Действующие значения переменного тока обозначаются прописными буквами: / - дейстпующео значение силы тока; U — действующее значение напряжения; /< — действующее значение э. д. с.
Измерительные приборы, включенные для измерения силы переменного тока (амперметры) или для измерения напряжения (вольтметры), обычно показывают действующие значения силы тока или напряжения.
Действующее значение переменного тока всегда можно вычислить, зная его амплитудное значение, и наоборот.
; = Й^°’707 /- =
и=?тл~- ит=\,\\и-,
II р и м е р 1. Амплитуда тока составляет 2,82 а. Определить показание амперметра, включенного для измерения силы тока в цепи.
Решение. Амперметр покажет действующее значение тока, которое в 1,41 раза меньше амплитуды. Поэтому
/=Д>- = ?4?=2а.
213
Пример 2. Вольтметр, включенный для измерения напряжения, дал показание220в. Найти амплитуду напряжения.
Р е ш е н и о. Вольтметр показывает действующее значение напряжения. Поэтому
Um=i, 41 *7=1,41-220=311 в.
Пример 3. Для нормального горения электрической лампочки требуется пропустить постоянный ток /=1,8я. Определить амплитуду переменного тока, при котором лампочка будет гореть нормально.
Рис. 2(0. Сдвиг по фазе между токами
Решение. Амплитуда переменного тока должна быть в 1,41 раза больше силы постоянного тока. Поэтому
1т=1.1,41=1,8-1,41 = 2,54 а.
Действующее значение переменного тока часто называют также эффективным з н а ч е я и е м. Когда говорят о величинах переменного тока, напряжения или э. д. с., то всегда подразумевают нх действукнцпс значения.
Сдвиг ио фазе. Несовпадение начальных моментов периодов между двумя переменными токами одинаковой частоты называется сдвигом но фаз е.
Па рис. 204 показаны графики двух токов, совпадающих по фазе (а) и не совпадающих по фазе (б).
Появление сдвига по фазе между двумя э. д. с. можно пояснить следующим образом. Представим себе простейший генератор переменного тока (рис. 205), который имеет две отдельные обмотки 1—Г и 2—2'. Эти обмотки сдвинуты по окружности так, что между ними имеется угол <р. При вращении в обмотках возникают э. д. с. переменного тока ех и е2. Как мы знаем, э. д. с. в обмотке равна амплитуде тогда, когда проводники обмотки проходят точки б и б', так как в это время проводники пересекают магнитные силовые линии с наибольшей скоростью. Тогда, когда проводники проходят точки а и а', э. д. с. в обмотке
214
равна нулю, потому что в ото время проподпики скользят вдоль магнитных силовых липни, но поросокая их.
Обмотка 1—Г проходит точки а—а' рапыпо, чем обмотка 2—2’, поэтому, когда о. д. с. et равна пулю, э. д. с. е3 имеет еще отрицательное значение. К тому моменту, когда обмотка 2—2' займет положение а—а' и е2 будет равна нулю, обмотка 1—Г уже повернется па угол tp и э. д. с. будет иметь значение е'
В момент tr обмотка 1—Г проходит точки б—б' и э. д. с. ej равна амплитуде. Э. д. с. е2 достигнет амплитуды позже, в момент t2.
Рис. 205. Сдвиг но фазе между двумя э. д. с,
Разность t2—it соответствует величине угла ср между обмотками.
Так как э. д. с. е2 проходит амплитудные значения позже, чем э. д. с. et, то говорят, что е2 отстает по фазе на угол ср от а. д. с. еР
Сдвиг по фазе приводит ко многим очень важным явлениям в цепях переменного тока.
ЗАДАЧИ ДЛЯ УПРАЖНЕНИИ
1. Найти период переменных токов, имеющих частоты: а) 100 гц, б) 1000 гц, в) 2000 гц.
Ответ: а) 0,01 сек,; б) 0,001 сек.; н) 0,0005 сек.
2. Найти угловую частоту о> переменных токов, имеющих: а) / = » 50 гц, б) /=100 гц, в) период Т=0,004 сек., г) Г—0,002 сек.
О т в е т: а) 314 l/сек.; б) 628 l/сек.; и) 1570 l/сек.; г) 3140 1/сек.
.1. Найти действующее значение переменного тока, имеющего амплитуду /щ — 70,7 а.
О т в е т: 50 а.
4. Определить амплитуды переменных э. д. с., измеренных вольтметром: а) 40 в, б) 127 в, в) 220 в.
Ответ: а) 56,5 в; б) 179,5 в; в) 310 в.
5. Найти результирующую э. д. с. двух последовательно включенных генераторов переменного тока одинаковой частоты, которые имеют д. с. £\=120 в и Е2—100 в, совпадающие по фазе.
О т в е т: 220 в.
215
(I В. ПОНЯТИЕ ОВ ИЗОБРАЖЕНИИ СИНУСОИДАЛЬНЫХ ТОКОВ С ПОМОЩЬЮ ВЕКТОРОВ
Основные понятия. Переменный ток для наглядности изображают с помощью векторов (вектор — отрезок, имеющий определенную величину и направление).
Направление вектора указывается стрелкой на конце отрезка. Когда синусоидальный ток изображают в виде вектора, длину вектора берут такой, чтобы в определенном масштабе она была равна силе тока в амперах (или величине напряжения в вольтах).
Например, если принять, что 1 см длины вектора соответствует силе тока 2 а, то силу тока 1=5 а следует изобразить
5 см Ю а
5 см 100 в
4см -8 а
Лем На
2,5 см
2 см
1см -2а 1см - 2 а
? ГМ
2 см
1 см
601)
40 в
20 в
4 см
7 см
2 см
1см
80 в
80 8
408
208
5 а
4 а
1см=2а г см =20 8
Рис 206. Длина лектора ........гстнуст величине тока
или на и pi окон и я
вектором длиной 2,Г> см; силу токи в 10 а — вектором длиной 5 см (рис. 206). Точно так же, приняв, что 1 см длины вектора соответствует напряжению 20 в, напряжение 60 в изобразим вектором длиной 3 см, а напряжение 100 в — вектором длиной 5 см.
Если два тока и /а совпадают по фазе, то изображающие их векторы имеют одно направление (рис. 207).
Если два тока имеют сдвиг по фазе на угол ср, то и векторы располагают под углом ср друг к другу.
На рис. 208 показаны два тока и /2, не совпадающие по фазе па четверть периода, т. е. на угол 90°. Поэтому векторы, изображающие токи и 72, повернуты относительно друг друга на угол 90°.
Условно считают, что вектор, повернутый относительно другого вектора по вращению часолой стрелки, изображает ток /2, отстающий по фазе от тока
216
Рис. 207. Токи 7Х и Z2 совпадают по фазе
Рис. 208. Токи /j и /2 сдвинуты по фазе на 90°
Гис. 209. Ток /2 опережает по фазе ток Тг на угол 60°
217
Если жо ток /2 опережает по фазе ток то вектор /2 следует повернуть против вращения часовой стрелки относительно вектора тока (рис. 209).
Изображение векторами синусоидальных токов и напряжений удобно, так как начертить векторы проще, чем синусоидальные графики.
Особенно удобно изображать векторами переменный ток и напряжение, когда нужно показать сдвиг по фазе между ними.
Надо твердо помнить следующее правило: вектор опережающего тока должен быть сдвинут против направления вращения часовой стрелки относительно вектора напряжения (рис. 210); вектор отстающего тока должен быть сдвинут по направлению вращения часовой стрелки относительно вектора напряжения (рис. 211); угол между векторами (ср) должен быть равен углу сдвига по фазе между напряжением и током; длины векторов могут изображать амплитуды или действующие значения U и /.
Сложение переменных токов и напряжений с помощью векторов. Представим себе, что два генератора, переменного тока дают напряжения (»() « и 672- 80 в, сдвинутые по фазе на угол 90°, и соединены друг с другом последовательно. Нужно узнать, какое напряжение будет приложено к зажимам приемника (рис. 212).
Решить эту задачу можно было бы так: начертить синусоидальные графики напряжений и U2 с учетом сдвига по фазе между ними (рис. 213) и затем для каждого момента lr,t2 ... и т. д. сложить мгновенные значения напряжений И] и и2 с учетом их знаков.
Если полученную сумму для каждого момента откладывать на графике, то можно построит:, синусоиду суммарного напряжения и, показанную жирной линией. По такой способ потребует много времени, так как графики нужно вычертить точно в масштабе. Изображая напряжения векторами, эту же задачу можно решить гораздо проще и быстрее.
Чтобы сложить два напряжения, сдвинутые по фазе, необходимо начертить их векторы и затем найти геометрическую сумму этих векторов по правилу параллелограмма. Такое сложение показано на рис. 214.
Длина вектора U, являющегося геометрической суммой векторов и U2, сдвинутых по фазе, будет равна напряжению на зажимах приемника с учетом выбранного масштаба.
В нашем случае напряжения U\ и U2 сдвинуты по фазе на угол 90°. Поэтому треугольник Оаб прямоугольный, напряжение на приемнике U является гипотенузой, а напряжения генераторов — катетами.
По теореме Пифагора
218
и
Рис. 210. Ток опережает напряжение на угол 60°.
Рис. 211. Ток отстает от напряжения на угол <f
Рис. 213. Сложение мгновенных значений напряжений и, и и.,
Рис. 212. Последовательное включение источников переменного тока
Рис. 214. Сложение векторов 77, и U2
219
поэтому
^ = Vu'i + U‘^ =/6024-802=y/W()00^100 в.
Если бы угол ср не был равен 90°, то следовало бы изморить линейкой длину вектора U в сантиметрах, а затем перевести в вольты, умножив на масштаб. Точно таким же способом можно сложить два тока, сдвинутых по фазе на известный угол. Таким образом, с помощью векторов можно достаточно просто производить вычисления в цепях переменного тока.
§ 4. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С АКТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Активное сопротивление. Сопротивление переменному току, в котором электрическая энергия превращается в тепловую энергию, называется активным сопротивлением.
Активным сопротивлением обладают, например, реостаты, лампы накаливания, провода. Будем обозначать активное сопротивление буквой г. Измерив амперметром действующее значение силы тока и ваттметром мощность, расходуемую в цепи, активное сопротивление можно вычислять но формуле
Активное сопротивление, т. е. сопротивление приемника переменному току, приходится отличать от его сопротивления постоянному току, которое часто называют омическим сопротивлением. Разница между активным и омическим сопротивлением вызывается тем, что при протекании переменного тока в приемнике могут возникнуть дополнительные потери энергии по сравнению с потерями энергии, возникающими при прохождении постоянного тока.
Например, включим катушку с железным сердечником сначала в цепь постоянного ’юка, а затем в цепь переменного тока и установим в обоих случаях одинаковые силы тока (по амперметру). При постоянном токе в катушке будут потери энергии на нагрев обмотки. Потери мощности на нагрев можно вычислить, зная силу тока и омическое сопротивление обмотки:
р==г-в;
откуда
При включении в цепь переменного тока потери энергии увеличатся, так как, кроме потерь энергии на пагрев обмотки, будут потери энергии на перемагничивание (гистерезис) и вихревые токи.
220
Потери мощности в цепи переменного тока можно представить как произведение квадрата силы тока на активное сопротивление катушки г:
откуда
Так как при равных силах постоянного и переменного тока потери мощности при переменном токе оказались больше, то мы должны считать, что активное сопротивление катушки больше, чем ее омическое сопротивление. Во многих случаях, когда приемники энергии не имеют таких частей, как железный сердечник, активное и омическое сопротивления окалываются практически одинаковыми, например у ламп накаливания, реостатов, электронагревательных приборов.
Закон Ома. Па рис. 215 показана цепь переменного тока с активным сопротивлением, питаемая генератором синусоидального напряжения U.
Сила тока при каждом мгновенном значении напряжения равна:
Когда напряжение достигает амплитуды, сила тока также будет иметь амплитудное значение:
У приемника с ангинным сопроттп1.1нч111ом напряженно и сила тока одновременно принимают амплитудные значения и также одновременно проходят через пуль, т. е. совпадают по фазе. (рис. 216,а).
Сила тока через активное с о п р о т и
Рис. 216. Напряжение и ток в цени с активным сопротивлением
р я ж е н и ю, деленному и совпадает с напри-
11 не. 211'. Цепь с, активным сопротивлением •
в л с в и е равна пап п а сопротивление, ж е н и е м п о фаз е:
г и л
221
Эта формула выражает закон Ома для участка цепи с активным сопротивлением.
Если падение напряжения и силу тока изобразить в виде векторов, то векторы будут совпадать по направлению, так как у активного сопротивления напряжение и ток совпадают по фазе (рис. 216,6).
Мощность цепи с активным сопротивлением. В активном сопротивлении электрическая энергия целиком превращается в тепловую энергию. В цепи переменного тока величина папря-жения и тока непрерывно ме-.’t’F няется, а потому меняется и
мощность, которая равна в Л каждый момент времени про-
ит!т изведению мгновенных значе-
—------------нпй тока 11 напряжения.
Когда ток 11 напРя>кение
I равны нулю, мощность также
~u>t равна нулю; когда папряже-ине и ток имеют амплитуд-ныо значения, мощность также имеет наибольшее значе-Рис. 217. График мощности пени ц|1е. Хотя ток и напряжение с активным (’опротпвлеппем меняют направление, мощность в активном сопротивлении не меняет знака. Это понятно, так как тепловое действие тока не зависит от его направления.. Из графика на рис. 217 видно, что мощность цепи с активным сопротивлением пульсирует, изменяясь от нуля до наибольшего значения, равного произведению амплитудных значений тока и напряжения:
Р = I U наиб гп пг
За период переменного тоня мопцгость два раза имеет наибольшее значение н два рапа раина пулю. Изменения мощности в течение периода переменного тока приводят к изменениям тепла, выделяемого электрическим током. В лампах накаливания, служащих для воспроизведения звука, и в кинопроекционных дуговых лампах переменного тока это приводит к вредным изменениям светового потока с частотой 100 раз в секунду. Поэтому многие источники света, применяемые в кинотехнике, требуют питания постоянным током.
В обычных условиях изменения мощности не имеют значения и важно лишь знать среднюю величину мощности за период. Средняя мощность характеризует работу, совершаемую электрическим током, я называется активной мощность ю (Ра).
Величину средней мощности можно изобразить пунктиром (как показано на рис. 217).
222
В цепи с активным сопротивлением средняя, т. е, активная, мощность равна произведению действующих значений напряжения и силы тока. Она в два раза меньше наибольшего мгновенного значения мощности:
Pa=UI—-^-UmIm.
Обычно, когда говорят о мощности переменного тока, имеют в виду активную мощность.
Пример 1. Амплитуда напряжения на активном сопротивлении Uт—140 в, амплитуда тока /т=25 а. Определить наибольшее мгновенное значение мощности и среднюю мощность.
Решение.
P„auS=Um /,„=140-25 = 3500 вт.
Средняя мощность
Ра=-^ Um ет = 1,75 кет.
Пример 2. Действующее значение напряжения на активном сопротивлении /7=127 в и силы тока 7=15 а. Определить активную мощность.
Р е ш е и и е.
Pa—U 1—127-15 = 1905 em=l,9 кет.
Мощность, выделяемую в активном сопротивлении г, можно вычислить различными способами по известным U, I, г:
Pa=UP, Ра=12г, Р=^.
Пример 1. Напряжение /7=100 в, сопротивление г=5 ом. Найти активную мощность.
Решение.
п U2 1002
Р = — —-—- = 2000 вт=2 кет. а г а
Пример 2. Через сопротивление г=50 ом проходит переменный ток /=4 а. Найти активную мощность.
Р е ш е н и е.
Ра=/2Г=42-50=800 вт.
Пример 3. Напряжение на сопротивлении г/7Л=220 в, сила тока /=2 а. Вычислить активную мощность.
Решение.
Pa=Url = 220-2=460 вт.
223
§ 5. ИНДУКТИВНАЯ КАТУШКА В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Рис. 21Н, Цепь г ивдук-TiiiniiH тын
Э. д. с. самоиндукции. Рассмотрим поведение индуктивной катушки под действием переменного напряжения. Как мы знаем, прохождение тока через катушку всегда сопровождается образованием магнитного поля (рис. 218). Так как сила тока изменяется по закону синуса, то так же изменяется и магнитный поток. Графики, изображающие силу тока и магнитный поток, показаны на рис. 219.
При изменениях магнитного потока, пронизывающего катушку, в обмотке наводится электродвижущая сила самоиндукции. Величина электродвижущей силы самоиндукции зависит от индуктивности катушки и скорости изменения тока в обмотке. Чем быстрее изменяется ток, тем быстрее изменяется магнитный поток, сцепленный с витками, и тем больше э. д. с. самоиндукции. Согласно правилу Ленца э. д. с. самоиндукции имеет всегда такое шшрпвлшше, что препятствует изменению тока, протекающего по катушке.
Чтобы проследить скорость изме
нения тока, сделаем следующее: на синусоидальном графике (рис. 220) разделим период тока в катушке на одинаковые малые промежутки времени Дл Тогда приращения тока Дг могут служить мерой скорости изменения тока в различные моменты времени.
В промежуток времени от точки 1 до точки 2 ток изменяется быстрее/ чем в промежуток времени от точки 3 до точки н промежуток времени от точки 6’ до точки 7 ток почти не изменяется. Следовательно, д. с. самоиндукции постепенно уменьшается при переходе от момента 0 до момента 6. Так как ток в катушке увеличивается, то знак э. д. с. будет отрицателен, потому что она препятствует увеличению тока. Значит, величину э. д. с. eL следует откладывать на графике вниз. За вторую половину периода ток в катушке уменьшается и, чтобы препятствовать его уменьшению, э. д. с. самоиндукции становится положительной; поэтому величину э. д. с. самоиндукции следует на графике откладывать вверх.
Во вторую половину периода произойдет то же самое, по для отрицательного направления тока.
Если точно вычислить величину э. д. с. самоиндукции для разных моментов времени и построить график ее, то окажется, что э. д. с. ец изменяется по синусоидальному закону, но по фазе отстает от тока ва четверть периода, т. е. на угол 90°. Когда
224
ток проходит через нулевое значение, э. д. с. самоиндукции имеет амплитудное значение. Когда ток достигает амплитуды, о. д. с. самоиндукции равна пулю.
При прохождении тока по цепи напряжение источника в любой момент времени должно преодолевать э. д. с. самоиндукции. Значит, напряжение U, подведонпоо к катушке, должно
3-л четверть 4 s четверть
периода
1s четверил периода
В~я четверто
периода периода
---------Период--------
t
Рис. 220. Ток и э. д. о. с.им<>индукцип
быть равно по величине и должно иметь обратный знак по сравнению со знаком э. д. с. ед (рис. 221,а). Отсюда следует, что в. д. с. самоиндукции и напряжение по фазе противоположны, а ток отстает по фазе от напряжения на угол 90°.
Поскольку на преодоление э. д. с. самоиндукции должно ватрачиваться напряжение источника тока, можно говорить о том, что катушка оказывает сопротивление переменному току.
15 Электротехника 225
С о л р о т и л л о н и о, которое катушка оказывает переменному току за счет в о э п и-к а ю щ о й д. с. с а м о и н д у к ц и п, называет с я индуктивным сопротивлением.
Само название «индуктивное сопротивление» показывает, что оно учитывает величину э. д. с. самоиндукции, индуктированной в катушке, и ого нельзя смешивать с активным сопротивлением провода, из которого сделана обмотка.
Из двух катушек большее индуктивное сопротивление имеет та, в которой индуктируется большая э. д. с. самоиндукции при одинаковой силе тока. Например, если через две катушки
Гис. 221. Э. д. с. самоиндукции уравновешивает напряжение источника
проходит один и тот же ток, но э. д, с. самоиндукции в первой катушке в пять раз больше, чем во второй, то индуктивное сопротивление первой катушки в пять раз больше индуктивного сопротивления второй.
Индуктивное сопротивление обозначается xL.
Особенности поведении цепи при индуктивном сопротивлении можно наглядно нродстппить с помощью векторной диаграммы. На рис. 221,6 показаны векторы токп, о. д. е. самоиндукции (пунктиром) и напряжения. Ток отстает от напряжения но фазе па угол 90°; поэтому вектор тока сдвинут на угол 90° относительно вектора напряжения в сторону отставания (по часовой стрелке). Векторы э.д. с. Ег и напряжения U имеют противоположное направление.
Закон Ома для индуктивного сопротивления*. Мы установили, что э. д. с. самоиндукции уравновешивает напряжение, подведенное к катушке, и что э. д. с. зависит от индуктивности L и скорости изменения тока.
Между амплитудами напряжения и тока в индуктивном сопротивлении существует зависимость:
U —vsLl . __________ т т
* Условимся первоначально, что активное сопротивление обмотки катушки настолько мало, что им можно пренебречь.
226
Разделив обе части этого равенства на J/2—1/И, получим связь между действующими значениями напряжения и тока катушки самоиндукции:
U^mLl.
По отношение напряжения к сило тока есть не что иное, г/ т п
как сопротивление Хк = у-= шВ. Следовательно, индуктивное сопротивление катушки самоиндукции xL в омах равно произведению угловой частоты переменного тока на индуктивность катушки в генри:
xl =wL.
Так как угловая частота <и=2тг/, то можно записать
хь —wL—2-afL.
Пример. Определить индуктивное сопротивление катушки при частоте переменного тока / =50 гц. Индуктивность катушки L =0,5 гн.
Решение.
xl, =2тг /L=6,28-50-0,5 = 157 ом.
Закон Ома для индуктивного сопротивления можно выразить формулой
I " т и
М - пли /=—7.
Чтобы учесть, что ток отстает от напряжения па угол 90°, никои Ома сформулируем так: с н л а тока через индуктивное сопротивление равна падению напряжения, деленному па индук-т и и п о о сопротивление. Ток отстает по фазе от напряжения на угол 90°1
/=-^- и <р=90°. u>L т
Пример 1. Вычислить падение напряжения на индуктивном сопротивлении, если известно, > то £,=0,1 гн, переменный ток I=4 а, а частота тока /=50 гц.
Р е ш е н и е.
U=xL / = 2тг/£/=6,28.50.0,1.4=125,6
Пример 2. К зажимам катушки индуктивностью £,= - 0,318 гн подведено переменное напряжение U=127 е с. частотой 50 гц. Найти силу тока.
Решение.
_ U _ 127 „
* <oZ“ 6,28.50.0,318 ~ '
15* 227
Зависимость индуктивного сопротивлении от частоты. Особенностью индуктивного сопротивления является то, что оно прямо пропорционально частоте юна. Чем больше частота переменного тока, тем больше индуктивное сопротиилепио, и наоборот.
// р им е р. К катушке с индуктивностью £=0,2 гн подводится переменное напряжение U =110 в, причем частота напряжения меняется: а) /=50 гц, б) / = 100 гц, в) /=200 гц.
Необходимо определить, как изменяется индуктивное сопротивление и сила тока.
Р е ш е п и в. Сначала вычислим сопротивление при раз
ных частотах.
Индуктивное сопротивление при частоте /=50 гц ri=2rJL — =6,28-50-0,2=62,8олг, при частоте /=100 гц t.'l=(>,28. 1(Х)х х0,2=125,6 ом', при частоте /=200 гц а^=6,28-200-0,2 = =251,2 ом.
Таким образом, при увеличении частоты от 50 до 100 гц, т. е. в дна раза, индуктивное сопротивление увеличилось также в дна раза; при увеличении частоты в четыре раза (от 50 до 200 гц) индуктивное сопротиилепио увеличилось также
в четыре раза.
(’ила тока через индуктивное сопротивление При частоте / 50 гц. а^=(>2,8 ом, поэтому
и
XL
«;
при частоте /=100 гц яь=125,6 ом
0,875 а
12. •,<>
при частоте /--200 -251,2 ом
1 1о
/ = -1 Т-=0,4375 а.
При увеличении частоты приложенного напряжения ток через индуктивное сопротивление уменьшается. Зависимость индуктивного сопротивления от частоты показана на рис. 222 при £=0,2 гн.
Мощность цепи с индуктивным сопротивлением. Мощность цепи с индуктивным сопротивлением в каждый момент равна произведению мгновенных значений напряжения и силы тока. Так как напряжение и ток сдвинуты по фазе па угол 90°, то в первую четверть периода направления тока и напряжения совпадают (рис. 223), их произведение, т. о. мощность, имеет положительный знак. Это означает, что ток в цепи идет под действием напряжения генератора и анергия передается от
228
генератора it катушке, в которой она запасается в виде энергия магнитного поля. В конце первой четверти периода мощность равна нулю, так как мгновенное значение напряжения в этот момент равно нулю. Во вторую четверть периода ток и напряжение имеют разные знаки: напряжение, приложенное к катушке, изменило знак па обратный, а ток в цени сохраняет старое направление, так как его убыванию препятствует э. д. с. самоиндукции. Это равносильно тому, что ток в цепи идет по под действием напряжения генератора, а благодаря действию I. с. самоиндукции, т. е. энергия передается не от генератора
Гиг |1||дуктпю1<>(’шпротин- 1’пс, 223. Мощность цепи с ин-,||<ч1ио прямо in ду inn пи и,м сопротивлением
'НИ тото
к кп । у ж ке, а от катушки возвращав ген к генератору. Этому обратному направлению передачи энергии соответствует отри-нп । о,и к и ы й знак' мощности.
Но вторую воловину периода явления повторяются для отрицательного направления тока: сначала энергия запасается и индо энергии магнитного поля катушки, а затем возвращается источнику тока.
График мощности имеет синусоидальный вид, но период мощности в два раза меньше периода тока.
Таким образом, в индуктивном сопротивлении не происходит затраты электрической энергии, а имеется лишь поочередное накопление ее в виде энергии магнитного поля катушки и щги’м поз ирит этой энергии источнику тока. Так как при этом электрическая энергия не переходит в другие виды энергии (и тепло или механическую работу), то активная (средняя) мощность равна нулю.
В таких случаях мощность приемника называют реак-•I п и п о й мощностью. Реактивную мощность условно пудом обозначать Рр. Она измеряется не в ваттах, а в вольт-и м и ерах (ва).
229
Как мы видим, появление реактивной мощности вызвано наличием угла сдвига фаз между напряжением и током.
Реактивную мощность катушки вычисляют как произведение падения напряжения на индуктивном сопротивлении силу тока:
па
Pp—U! и ли Рр=I2xl.
Пример. К индуктивному сопротивлению т£=100 подведено переменное напряжение U =120 в. Определить активную мощность.
Реше н и е. Найдем силу тока 7=—. Отсюда d гл тт и и2 1202 4//
P-—UI—U —= - = -===144 ва.
р xL х1. ЮО
ом рс-
Последовательное и параллельное соединение индуктивных сопротивлений. На рис. 224 показано последовательное со
Рис. 224. Последовательное соединение индуктивных сопротивлений
Рис. 225. Параллельное соединение индуктивных сопротивлений
единение двух индуктивных сопротивлений. При последовательном соединении индуктивные сопротивления складываются:
+*/2-
Две последовательно соединенные катушки можно заменить одной эквивалентной катушкой, которая будет обладать индуктивностью, равной сумме индуктивностей обеих катушек:
L=Li‘4-L2.
Пример. Две индуктивные катушки соединены последовательно: Lx=0,5 гн\ L2=l гн. Частота тока /=50 гц. Найти индуктивное сопротивление эквивалентной катушки.
Решение. Индуктивность эквивалентной катушки
L=L14-L2=0,54-l/)=l,5 гн.
Индуктивное сопротивление эквивалентной катушки
Жд =2тг/Л=6,28.50.1,5=471 ом.
230
На рис. 225 показаны дно катушки, соединенные параллельно. Ток в неразветвлонпой пасти цепи равен сумме токов через каждую из катушек.
Значит, общее индуктивное сопротивление двух параллельно соединенных катупюк меньше, чем сопротивление каждой из катушек в отдельности. Общее индуктивное сопротивление при параллельном соединении двух катушек можно вычислить по известному правилу для параллельно соединенных сопротивлений:
XL,'XL. х — ——----
xl+xl,
Таким образом, общее индуктивное сопротивление цепи, состоящей из параллельно включенных индуктивностей, равно произведению индуктивных сопротивлений, деленному на их сумму. Параллельно соединенные катушки можно заменить эквивалентной катушкой с индуктивностью
г_ LiL,
Ц + L,’
т. е. индуктивность двух параллельно соединенных катушек равна произведению их индуктивностей, деленному на сумму индуктивностей.
Пример 1. Определить индуктивность эквивалентной катушки, если известно, что две катушки 1^=2 гн и L2=4 гн соединены параллельно.
Решение.
Lj-b-La 2+4
Пример 2, Найти реактивное сопротивление цепи, состоящей из двух параллельно соединенных катушек Lx = —В гн9 L2=12 гн при частоте 50 гц.
Решение.
2тс /2тс /JCj _
Хт А-Хт 2л /2тс / bj ~ Lt
=6,28-50-^й-=1256 ом.
Ы-12
ЗАДАЧИ ДЛЯ УПРАЖНЕНИЯ
1. Определить индуктивное сопротивление катушки, имеющей индуктивность 3 гн при частотах: 50 гц, 100 гц, 300 гц, 8000 гц.
Ответ'. 942 ом; 1884 ом; 5652 ом; 150 720 ом.
Вычислить падение напряжения на индуктивном сопротивлении при силе тока Ю.иа. Частота тока /=1000 гц, индуктивность катушки 1 гн.
<) т в е т: 62,8 в.
231
3. Ппйти силу тока через катушку с. индуктивностью г/»,
сели к пей подводится напряженно’ £=1 (И) « рпсшых частот: 100 cij, 2000 гц, ЬООО гц.
() in « e hi: 0,35 a; 0,0175 a; 0,007 a.
6. Во сколько раз изменится сила тока через индуктивное сопротивление, если величина напряжения постоянна, а частота: а) увеличится в 3 раза; б) уменьшится в 2 раза?
5. Две катушки самоиндукции соединены последовательно: 7,,-= 0,3 гн; 7,3=0,2 гн. Найти общее индуктивное сопротивление цепи, силу тока и падение напряжения на каждой катушке. К цепи подпедопо напряжение 77=120 в, частота /=100 гц.
Отве т: 37 =314 ом; 7 = 0,382 а; £1=72 в; 773 = 48 в.
6. Найти индуктивность и реактивное сопротивление цепи, состоящей из трех последовательно соединенных катушек: 1^=2 гн, L2—5 гн, L3=8 ен при частоте /=1000 гц.
Отве т: £=15 гн; xL =94 200 ом.
7. Найти силу тока до точки разветвления, если известно, что к двум катушкам 1^=4 гн, Ь2=6 ен, соединенным параллельно, подведено напряжение £=120 в, /=50 гц.
Ответ: 0,159 а.
8. Определить токи в катушках L± и £3 предыдущей задачи.
Ответ: 73=0,б636 а; 7^0,0954 а.
9. Определить сопротивление цепи, состоящей из двух параллельно соединенных катушек самоиндукции: /.,‘12 гн, L„— (> гн при частоте 1000 гц.
Ответ: 25 120
10. Дно катушки /,,--3 ен я 7,„= 12 гн соединены параллельно. Найти ток в катушке /,, и ток в перазветвленной части цепи, если известно, что ток через катушку L2 равен 3 а.
Ответ: J1=‘l2 а; 7=15 а.
§ 6. КОНДЕНСАТОР В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Основные явления. Рассмотрим цепь, в которой синусоидальное напряжение подпедопо к конденсатору (рис. 226). Конденсатор в Цепи переменного тока должен все время заряжаться и разряжаться, так как на-।-------- ----- пряжение па его обкладках изменяется
J с______ по величине и направлению. При этом
АЛ С""“ (Г Jl() йена к обкладкам конденсатора или xjy от его обкладок должны перемещаться
I заряды.
'------------ В первую четверть периода напря-
Рис. 226. Цепь с кон- жение на обкладках конденсатора уве-денсатором личивается сначала быстро, а затем
медленнее согласно графику синусов идалыюго напряжения, подведенного к конденсатору (рис. 227,я). Поэтому зарядный ток конденсатора в начале первой четверти периода должен быть большим. Так как к концу первой четверти периода напряжение на конденсаторе увеличивается все медленнее, то сила зарядного тока уменьшает^ ся; когда напряжение на конденсаторе достигает амплитуды, ток становится равным пулю.
232
Во вторую четверть периода напряжение па обкладках
конденсатора начинает уменьшаться, и конденсатор разряжается, причем направление перемощения зарядов, а значит, и направление тока и цепи меняется, Па графике ток во вторую четверть периода показан с отрицательным знаком. Из синусоидальной кривой напряжения видно, что сначала разряд
конденсатора происходит медленно, а затем все быстрее. Поэтому сила тока сначала невелика, а затем нарастает.
К концу второй четверти периода конденсатор разряжается до напряжения, равного нулю, а ток достигает амплитуды.
В третью четверть периода конденсатор заряжается доотрицательной амплитуды напряжения. Процесс происходит точно тик же, как
п в первую четверть периода, по с той разницей, что направ-
Рис. 227. Ток и напряжение цепи с конденсатором
ленно тока и знак напряжения па конденсаторе изменились.
Точно так же в четвертую четверть периода конденсатор, ранее зарядившийся до отрицательной амплитуды и шряже-пня, разряжается. При синусоидальном напряжении, как по-кпзыпают опыт и точные вычисления, ток через конденсатор тпкжо синусоидален.
Как видно из графика, ток в цепи и напряжение на конденсаторе сдвинуты по фазе на четверть периода, т. е. на угол 90°,
причем ток достигает амплитудного значения раньше, чем напряжение.
Следовательно, ток в цепи с конденсатором опережает напряжение по фазе н и угол 90°.
Нлинппе емкости на сдвиг по фазе между напряжением и током можно покапать векторной диаграммой (рис. 227,6). Так как ток опе-|11<жп<1Т падение напряжения по фазе па угол 90°, то вектор тока 1С должен oi.rn. повернут относительно вектора падения напряжения на конденсаторе Ue па угол 90° против вращения часовой стрелки.
Закон Ома для цепи с конденсатором. Сила переменного тока в цепи с конденсатором зависит от нескольких величин!
1) от подведенного напряжения: чем больше напряжение, том больше сила тока заряда и разряда конденсатора;
233
2) от емкости конденсатора: чем больше емкость конденсатора, том большее количество электричества перемещается в цепи п процессе заряда и разряда конденсатора, т. о. тем больше сила тока;
3) от частоты: чем выше частота, тем больше сила тока, необходимого для того, чтобы то же самое количество электричества успевало накопиться па обкладках конденсатора па меньший промежуток времени.
Поэтому сила тока в цепи с конденсатором прямо пропорциональна произведению величины напряжения, частоты и емкости конденсатора:
I=--^CU.
Произведение угловой частоты и емкости конденсатора, называется емкостной проводимостью конденсатора для переменного тока. Величина, обратная емкостной проводимости 1 1 с <оС с 2ixG называется о м к о с т н ы м с о п р о т и в лопнем конденсатора, или, иначе, р е а к т п в л ы м сопротивлением конденсатора.
При вычислении емкостного сопротивления необходимо частоту подставлять в герцах, а емкость в фарадах, тогда емкостное сопротивление получим в омах.
Закон Ома для цепи с конденсатором можно записать в следующем виде:
Сила тока в цепи с конденсатором равна напряжению, деленному па емкостное сопротивление, и опережает по фазе на пр я ж о и и с н а у г о л 90°:
/ = <^.90’.
м('
// р и мер 1. Вычислить емкостное сопротивление конденсатора емкостью в 1 мкф при частоте: а) /=50 гц, б) /= =1000 гц.
Решение. Одна микрофарада равна 10-6 фарады. Поэтому: а) при /=50 гц
i 1
ХС = 2^ = 6,28-50. 1О~в~3180 ом;
б) при / = 1000 гц
6,28.1000-10-» = 159 ом’
Пример 2. Вычислить силу тока в цепи с конденсатором емкостью 10 мкф, если подведепо напряжение U=127 в, частота /=50 гц.
? 3-1
Решение. Емкостное сопротивление конденсатора
1 1
Хс = =б;28750ГГОГкГ|>в31Ь ом'
Сила тока I ~ — = ~=0,4 а.
XQ О1О
Пример 3. Вычислить силу тока через конденсатор емкостью С = 10 мкф', U=127 в; /=1000 гц.
Решение.
/=2я/СС7=6,28.1000-10-10“в. 127=8 а.
Зависимость емкостного сопротивления конденсатора от j.
частоты. Из формулы хс=— видно, что емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте переменного тока. Если у индуктивной катушки индуктивное сопротивление с увеличением частоты увеличивается, то у конденсатора с увеличением частоты сопротивление уменьшается.
Зависимость сопротивления конденсатора от частоты можно показать на графике. Если вычислить сопротивление конденсатора емкостью 1 мкф при разных частотах, например 50, 100, 200 ?|| и т. д., то получим данные, указанные в табл. 8.
Таблица 8
Емкостное сопротпплснио конденсатора емкостью 1 мк/i при равных частотах
/ (герцы) 0 50 100 :.оо 400 600 1000 10 000
>(: (омы) СО 3184 1592 796 398 205 159 15,9
Па графике (рис. 228) вдоль горизонтальной оси отложена частота в герцах. Соответствующие ей величины емкостных сопротивлений изображаются длинами отрезков от горизонтальной оси. Плавная кривая, соединяющая полученные точки, показывает зависимость емкостного сопротивления от частоты.
Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1. Ток в конденсаторе был равен 2,5 а при частоте Д. Потом частота переменного тока увеличилась в четыре раза. Как изменился ток в конденсаторе, если напряжение в обоих случаях было одинаковое?
Решение.
При частоте /х: хс = I — 2,5 а; при
частоте /2 = 4Д:
С2
1 1
2n/tC ~ 2л-4/хС 4°
235
Тик как нппряжоппо в обоих случаях одинаковое, то U = /г жс =12хс , отсюда
^ = ^=4.2,5 = 10 а.
^> _:Г,п
Пример 2. При частоте 50 гц напряжение на конденсаторе U— 100 в. Какое напряжение будет на конденсаторе, если при той же силе тока частота увеличится в три раза?
Решение. Напряжение на конденсаторе
равно произведению силы тока на емкостное сопротивление: U^xcj.1-
ом
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0
Рис. 228. Сопротивление конденсатора обратно нропорци1ли)лы1о частоте
1‘пс. 229. Мощность цепи с конденсатором
Если частоту увеличить в три раза, то емкостное сопро-хс тивление уменьшится в три раза: хс^——
Поэтому
u2=xc -i=i-xc ./=1 и,=222.^33,3 в.
* С2 3 С1 3 1 3
Пример 3. Как изменится емкостное сопротивление, если увеличить частоту в 5 раз, а емкость конденсатора одновременно уменьшить в 5 раз?
Решение.
_ 1 . — 1 xcL - miCi; хся — WiCi •
236
'Гик как <л2 = Гко, и С„ = , 6’,, то
1 1 1
- »'>в<>4 . 1 ,, wiOi О
5"’i •r/f-i
Таким образом, емкостное сопротивление по изменилось.
Прим е р 4. Как изменится емкостное сопротивление в предыдущей задаче, если и емкость и частоту увеличить в 5 раз?
Решена е.
— —— ; == (оп --— <) о)., Сл—503.
С1 о>1С’1 ’ С‘ ш.2Са 12 1’ 2 1
Поэтому
1 1 _ 1 __ 1
ш2С. 5q>!-5Ci 2o<o1C’i 25^0
Мощность цепи с конденсатором. Как мы знаем, в цепи с конденсатором имеется сдвиг по фазе между напряжением и током на угол 90°. Следовательно, как и для индуктивного сопротивления, мощность цепи с конденсатором является реактивной мощностью, т. е. меняет свой знак. График мощности можно построить точно так же, как мы поступали раньше. Он показан на рис. 229.
В цели с конденсатором превращения электрической энергии в тепловую по происходит. Когда конденсатор заряжается (первая четверть периода), энергия от источника тока передается к конденсатору; мощность имеет положительный знак.
Когда напряжение на конденсаторе уменьшается, происходит разряд конденсатора (вторая четверть периода) и вся запасенная им энергия возвращается источнику. Мощность имеет отрицательный знак, так как это соответствует изменению направления потока энергии. В среднем за период мощность конденсатора равна нулю. Реактивная мощность конденсатора равна произведению действующих значений напряжения и тока цепи с емкостным сопротивлением:
Реактивная мощность конденсатора измеряется в вольт-амперах (еа).
И р и м е ]) 1. Определить реактивную мощность конденсатора, если к нему подведено напряжение U=127 в, ток в цепи 7-3 а.
Решение.
Pp = Ul = l21^=^i ва.
Пример 2. Определить реактивную мощность конденсатора емкостью 10 мкф, если к нему подведено напряжение U =200 в с частотой 50 гц.
Реше и и е.
Pp^Ul^U ~2"fCUz~(\,28-50.10- КГ».20()«=
~2тё(С~
=125,6 ва.
Последовательное и параллельное соединение емкостных сопротивлений. Конденсаторы в цепи переменного тока могут быть соединены последовательно и параллельно. При этом результирующие емкостные сопротивления следует находить, заменив несколько параллельно или последовательно соединенных конденсаторов одним конденсатором эквивалентной емкости. Если конденсаторы соединены последовательно, то результирующее емкостное сопротивление равно сумме емкостных сопротивлений (рис. 230).
Рис. 230. Последовательное соединение конденсаторов
Рис. 231. Параллельное соединение конденсаторов '
Два последовательно соединенных конденсатора можно заменить одним эквивалентным конденсатором, емкость которого вычисляется по формуле
г___
G-н;, •
Прим е р. Два конденсатора 0\=20 мкф и С2=30 мкф соединены последовательно. Найти емкостное сопротивление всей цепи при частоте 50 гц и силу тока, если напряжение 17=220 в.
Решение. Чтобы найти емкостное сопротивление всей цепи, сначала вычислим общую емкость последовательно соединенных конденсаторов:
„ Cl Ct 20-30 , 9 .
С=с?ГсГ=WM=12 мк#>
ЖС= "2^/0 = 6,28-50.12-10-«=265 °М’
» U 220 р. оо 1 = —=-пдг=0,оЗ а.
В последовательной цепи падение напряжения больше на том конденсаторе, емкость которого меньше, так как конде-н-238
сатир с меньшей емкостью имеет большее емкостное сопротивление.
При п а р а л л о л ь и ом соединении двух кон денс а т <> р о и о б щ о с ом к о с твое с о к р о-
тивленис р а в н о п р о и з и о д о п и ю емко с т-
н ы х сов р о т п п л опий к а ж д о г о из конде н-
с а т о р о в, д елейному на их сумм у (рис. 231):
Хг, Яг хс —__1 .
Тс1+*С2
Например, если С1 = 10 мкф, С2=20 мкф и частота о> = =314 I/сек., то
=—77-.п дл г = 318 ом;
С1 0>С1 314-10-10 8 ’
1 1
Хс =--= ></ ОП <П-В~=159 ОМ;
иа о>С2 314-20-10 ь
ХС1 ХС2 хС1+хСа
318-159
318+ 159 ~
106 ом.
Оба соединенных параллельно конденсатора можно заменить одним конденсатором. Емкость эквивалентного конденсатора при параллельном соединении равна сумме емкостей обоих конденсаторов, т. е.
С' = С'|-|-Сг=10-)-20 = 30 мкф.
Емкостное сопротивление эквивалентного конденсатора
2’с=т;<г = 314-30.i(F»'=:10b ом-
Зак как к обоим конденсаторам подведено одинаковое напряжение, то сила тока будет больше в той ветви, в которой находится конденсатор с большей емкостью и имеющий поэтому меньшее сопротивление.
Пример. Определить силу тока в конденсаторах Сг= = 10 мкф и С’2=5 мкф, если они соединены параллельно и к цепи подведено напряжение U =127 в с частотой 50 гц.
Решение.
/1=2п/С1С7=6,28-50-10-10“®. 127 =0,4 а;
/2=6,28.50-5-10-М27 = 0,2 а.
ЗАДАЧИ ДЛЯ УПРАЖНЕНИЙ
1. Определить емкостное сопротивление конденсатора С=10 мкф при частотах 10 гц, 200 гц, 1000 гц, 5000 гц.
Ответ: 1590 ом; 79,5 ом; 15,9 ом; 3,18 ом.
2. Найти силу тока в конденсаторе емкостью С=5 мкф при напряжении на конденсаторе 77=100 в и частотах 100 гц, 500 гц, 2000 гц.
Ответ: 0,314 а; 1,57 а; 6,28 а.
239
Л. Для определения емкости конденсатор был яключеп в цепь леро-мепиого ток» с. частотой 50 гц, причем вольтметр покипи» напряжен ио на конденсаторе (/«=110 в, а амперметр покапал силу тока п пени 3,4(5 а. Канона емкость конденсатора?
О т и е т: С=100 мкф.
4. Определить силу тока в цепи, состоящей из двух шм'лодоввтель-по соединенных конденсаторов ^ = 6 мкф, С2=18 мкф. К цепи приложено напряжение 600 в с частотой 50 гц,.
Ответ: 7=0,85 а.
5. Найти эквивалентную емкость последовательно соединенных конденсаторов С1=(),5 мкф, С2=2 мкф и общее напряжение на конденсаторах при силе тока 7=0,2 а и частоте тока 1000 гц.
Ответ: С— 0,4 мкф-, 77=79,5 в.
6. Найти силу тока в общем проводе цепи, состоящей из двух параллельно соединенных конденсаторов Сх=0,25 мкф, С2=0,5 мкф, если известно, что сила тока 7, в ветви с конденсатором Сг равна 0,01 а.
Ответ: 0,03 а.
7. Определить емкостное сопротивление цени, состоящей из параллельно соединенных конденсаторов ^=1 мкф, Сг—2 мкф при частоте 500 гц.
Ответ: хс =106 ом.
ПОПТГОЛТ.ПТЛЕ ПОГ Г РОС ГЛ К ГЛАНЕ А
1. Какая разница между переменным п постоянным током?
2, Нарисуйте график спнуеопдальвого тока.
3. Что называется периодом переменного тока?
4. Что называется частотой переменного тока?
5, Какая связь между периодом и частотой?
6. Какая частота является стандартной для переменного тока, применяемого в промышленности?
7. Как найти угловую частоту переменного тока, зная период?
8. Что называется мгновенным значением переменного тока?
9. Что такое амплитуда переменного тока?
10, Нарисуйте графики синусоидальных токов, сдвинутых по фазе на угол 60°, и объясните, что такое угол сдвига по фазе.
11, Изобразите две э. д. с., сдвинутые по фазе на углы 60°, 120° и 240°.
12, Что называется девствующим шипением переменного тока?
13. Кик вычислить действу 1ощео значение переменного тока по его амплитудному ипачеппю?
14. Какое сопротивление переменному току называется активным?
15. Всегда ли омическое и активное сопротивления совпадают?
16. Напишите закон Ома для цепи с активным сопротивлением и изобразите силу тока и напряжение с помощью синусоидальных графиков.
17. Как определить активное сопротивление, зная потери мощности на тепло и силу тока в цепи?
18. Что называется активной мощностью?
19. Как вычислить индуктивное сопротивление катушки?
20. Как зависит индуктивное сопротивление от частоты?
21. Напишите закон Ома для цепи с индуктивным сопротивлением, нарисуйте графики тока и напряжения цепи.
22. Что такое реактивная мощность?
23. В чем состоит разница между активной и реактивной мощностью?
24. Как вычислить эквивалентную индуктивность двух катушек, соединенных последовательно?
25. Как определить эквивалентную индуктивность двух катушек, соединенных параллельно?
240
211. Как распределяются токи черев катушки самоиндукции, соединенные параллельно?
27. В чем состоит разлица между поведением конденсатора в цели постоянного и переменного тока?
28. Напишите закон Ома для цепи переменного тока с конденсатором.
29. Что называется емкостным сопротивлением конденсатора?
30. Нарисуйто графики напряжения и тока и цепи с конденсатором.
31. Как зависит емкостное сопротивление от частоты и от емкости конденсатора?
32. Как вычислить силу тока в цепи с конденсатором?
33. Какая величина называется реактивной мощностью конденсатора?
34. Как определить результирующее сопротивление цепи, состоящей из двух конденсаторов, соединенных последовательно?
35. Как определить результирующее сопротивление цепи, состоящей из двух конденсаторов, соединенных параллельно?
36. Как распределяются токи в ветвях при параллельном соединении конденсаторов?
16
Электротехника
Глава XT
СЛОЖНЫЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
$ 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
До сих пор мы рассматривали простые цепи переменного тока, в которых имелось только одно сопротивление: активное, индуктивное или емкостное. Обычно в цепи переменного тока одновременно имеются как активное, так и реактивное сопротивления. Такие цепи называются сложными цепями переменного тока. При изучении сложных цепей переменного тока необходимо учитывать, что активное, индуктивное и емкостное сопротивления оказывают различное влияние на сдвиг по фазе между напряжением и током. Как мы убедились в предыдущей главе, напряжение на зажимах активного сопротивления по фазе всегда совпадает с током. Напряжение па зажимах индуктивного сопротивления всегда опережает ток по фазе па угол 90°. Напряжение на емкостном сопротивлении отстает от тока на угол 90°.
§ 2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ АКТИВНОГО И ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ.
КОЭФИЦИЕНТ мощности
Последовательное соединение индуктивного и активного сопротивлений. Па рис. 232а показана цепь переменного тока, состоящая из последовательно соединенных индуктивного и активного сопротивлений. К цени подведено напряжение U. Через катушку и активное сопротивление проходит одинаковый ток I. Если ток изобразить на графике, как показано пунктиром на рис. 2326, то синусоида, изображающая падение напряжения на активном сопротивлении иг, будет совпадать по фазе с током. Напряжение на индуктивном сопротивлении также можно изобразить синусоидой, но она должна быть смещена в сторону опережения тока на угол 90°. Напряжение пд проходит амплитудное значение тогда, когда ток проходит через нуль. Полное напряжение, приложенное к цепи, изображено жирной линией. Как видно из рисунка, ток i в цепи отстает по фазе от напряжения и на угол ср, меньший 90°.
Полное напряжение состоит из двух составляющих — напряжения на активном сопротивлении Ur—ir и падения напряже
242
ния на индуктивном, т. е. реактивном сопротивлении Ux =irL, которые между собой сдвинуты но фазе на угол 90°.
Если падения напряжения на активном и реактивном сопротивлениях изобразить, как катеты прямоугольного треугольника, то полное напряжение будет соответствовать гипотенузе этого треугольника, называемого треугольником напряжений (рис. 233,а).
Рис. 232а. Последовательное соединение индуктивного и активного сопротивлений
Рис. 2326. Ток и падения напряжения в цепи г—L
а 5
Рис. 233. Треугольник напряжений а и треугольник сопротивлений б цепи г—L
Пользуясь треугольником напряжений, величину полного напряжения можно вычислить по теореме Пифагора!
u^yu^ul.
Нам часто придется встречаться с подобной формулой, и поэтому необходимо твердо запомнить следующее правило: во всех случаях, когда напряжение или ток имеет две составляющие — активную и реактивную, сдвинутые между собой по фазе на угол 90°, суммарное действующее значение равно корню квадратному из суммы квадратов действующих значений составляющих.
Если стороны треугольника напряжений разделить на величину тока в цепи, то получим так называемый т р е-
16* 243
угольник с о п р о т и п л on и ii (рис. 233,6), катоты которого и определенном масштабе равны актипному и реактивному сонротиплепиям, а гипотенуза равна полному сонротпилению цепи, которое сокращенно обозначается букпон z.
Следовательно, полное сопротиилепио цепи, состоящей из последовательно в к л ю ч е п-ных активного (г) и индуктивного (wL) сопротивлений, равно корню кв а др а т-ному из суммы квадратов этих сопротивлений:
z — )/г24-ы2/А
Поэтому закон Ома в данном случае можно записать в таком виде:
т и , и
1=--- ИЛИ /=.... ...... ,
Z Рг2+ш2£2
т. е. сила тока равна напряжению, деленному на полное сопротивление цепи.
Отобразить явления в цепи можно с помощью векторной диаграммы. Векторную диаграмму для сложной цепи переменного тока следует строить, начав с величины, общей для всех элементов цепи. В нашем случае общей величиной является сила тока. Отложим вектор действующего значения силы тока 1 в произвольном направлении, как показано на рис. 234. Падение напряжения на активном сопротивлении равно по 'г. Вектор, изображающий Ur, следует отложить в том же направлении, что и вектор силы тока, так как они совпадают по фазе (на рисунке вектор напряжения Uг показан для наглядности рядом с вектором J).
Падение напряжения на индуктивном сопротивлении равно Ul=u>L1. Так как падение напряжения на индуктивном сопротивлении опережает ток по фазе на угол 90°, то вектор U/ следует отложить перпендикулярно вектору тока / в сторону опережения (на рисунке начало вектора U [ выбрано в точке а, так как индуктивное и активное сопротивления соединены последовательно). Чтобы найти вектор общего напряжении //.следует геометрически сложить векторы UL и Иг. Дли этого па начала вектора V г (точка О) следует провести прямую линию в конец вектора UL (точка б).
Полученный вектор Об представляет собой напряжение на зажимах цепи U, так как является геометрической суммой Uг и UL- Угол <р между направлением вектора U и вектора I будет равен углу сдвига по фазе между общим напряжением и силой тока в цепи. Векторная диаграмма наглядно отображает состояние цепи, так как показывает величину и сдвиг по фазе между отдельными падениями напряжения. Между
падениями напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях угол сдвига равен 90°. Треугольник Оаб прямоугольный, поэтому можно записать
U2=UL-[-U^ пли [72=72а>2Л2+/2г2 = /2 (a)2L24-r2),
Гис. 234. Напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях сдвинуты по фазе на угол 90°
откуда
У>2+Ш2£а
244
Угол сдвига по фазе между напряжением U и током / также можно определить из треугольника даб. Как известно ив тригонометрии, косинус угла <р вычисляется как отношение прилежащего катета иг к гипотенузе U:
Г/г cos ср.
Заменив Ur через Тг и U через Iz, получим
СО8®=— или cos ср =--- г .
Z Т |/r2+u)2L«
Угол сдвига по фазе между полным напряжением и током в такой цепи тем больше, чем больше индуктивное сопротивление по сравнению с активным.
Коэфиииент мощности. Рассмотрим мощность цепи, состоящей из активного и реактивного сопротивлений (см. рис. 232а). Преобразование электрической энергии в тепловую происходит только в активном сопротивлении. Поэтому, активная мощность цепи
Ра—Гг или Pa=UrI.
Кроме того, в цепи имеется реактивная мощность, которую можно вычислить как произведение квадрата силы тока на реактивное сопротивление: .
Рр—1г^Ь или Pp=ULI.
Наличие реактивной мощности, как уже говорилось в главе X, показывает, что часть электрической энергии попеременно то запасается в виде энергии магнитного поля катушки самоиндукции, то возвращается к источнику. Таким образом, полная мощность цепи нсремошнио тока, называемая к а ж у-щ е й с я мощностью (Рк\ в общем случае имеет две составляющие — активную мощность и реактивную мощность, причем потребителем для совершения полезной работы используется только активная составляющая мощности. Если стороны треугольника сопротивлений умножить на квадрат тока, то получим подобный треугольник, один из катетов которого в определенном масштабе равен активной мощности, а другой — реактивной мощности. Кажущаяся мощность соответствует гипотенузе треугольника мощностей и, следовательно, ее можно вычислить по формуле
Кажущуюся мощность можно определить путем измерения полного напряжения и тока, для чего следует умножить показания вольтметра на показания амперметра:
PK=U-I.
Активная мощность меньше, чем кажущаяся. Отношение активной мощности цепи к кажущейся мощности называется
245
р коэфициентом м о щ н о с т и. Он район и пока-зыппет, какую долю кажущейся мощности составляет активная мощность.
Коэфициент мощности может быть различным в зависимости от характера сопротивлений, включенных в цепь.
В случае последовательно соединенных активного и индуктивного сопротивлений коэфициент мощности будет тем больше, чем больше активное сои роти влспис по сравнению с индуктивным. Если в цепи имеется только активное сопротивление, то реактивная мощность равна нулю, а кажущаяся мощность равна активной, т. е. коэфициент мощности равен единице. При этом ток и напряжение совпадают по фазе.
Если в цепи есть и активное и индуктивное сопротивления, то кажущаяся мощность больше, чем активная, и между напряжением и током есть сдвиг по фазе на некоторый угол ср. Если в цели включено только индуктивное сопротивление, то активная мощность равна нулю, а кажущаяся мощность равна реактивной. При этом угол сдвига по фазе между напряжением и током ср=90° и коэфициент мощности равен нулю.
Из этих примеров видно, что коэфициент мощности зависит от угла сдвига ио фазе ф между напряжением и током в цепи. Поэтому коэфициен т мощности еще называют косинусом угла ср. Косинус, угла ср обозначается cosep. Зависимость коэфициепта мощности cos <р от угла сдвига по фазе между нанряжением и током такая:
Угол ср в градусах 0 30 45 60 90
COS © 1 0,866 0 ,707 °*,5 0
Отсюда видно, что коэфициент мощности тем меньше, чем больше сдвиг по фазе между напряжением и током.
Коэфициент мощности для цени, показанной на рис. 232а, можно вычислить по следующей формуле:
Зная cos ср, можно вычислить активную мощность цепи по формуле Pa=PKcoscp или Pa—UI cosep.
Пример. К генератору переменного тока с номинальной мощностью 11 ква и напряжением 220 в подключен приемник, имеющий только активное сопротивление г—4,4. ом. Коэфициент мощности приемника cos ср=1 (так как его реактивное сопротивление равно пулю). Тогда сила тока в цепи
. U 220
1—— = — = 50 а.
г 4,4
248
Мощность, передаваемая приемнику, Р=72г=5О2-4,4 = =11 000 ет=11 кет.
Теперь предположим, что к этому же генератору подключен приемник, имеющий полное сопротивление z=4,4 ом, по состоящий из активного и индуктивного сопротивлений.
Пусть коэфициент мощности приемника cos <р=-С=О,5, т. е. активное сопротивление приемника составляет 50% полного сопротивления.
Сила тока в цепи, как и прежде:
. V 220 г„
/ =— = 7-7 = 50 а.
z 4,4
Кажущаяся мощность
Рк—UI = 220 • 50=11 000 ва=11 ква (киловольтампер), однако активная мощность
Ра=Рк cos ср = 11 000-0,5=5500 вт = 5,5 кет.
В этом случае, как и в первом, ток генератора равен 50 а, но генератор отдает только половину номинальной мощности па совершение полезной работы.
Если бы мы захотели, чтобы генератор отдавал активную мощность Р„=11 кит при сов ср =0,5, то кажущаяся мощность должна была бы быть
Рк — = ----=22 ква.
к соя ср 0,3
Так как напряжение генератора U =220 в, то сила тока в цепи должна равняться
, Рк 22000 ,лп
а>
т. е. быть в два раза больше номинальной. Сила тока 100 а может вызвать перегрев генератора за счет увеличения потерь мощности на его внутреннем сопротивлении, и поэтому такой режим работы генератора недопустим.
Из рассмотренного примера видно, что коэфициент мощности имеет большое значение и, чтобы генератор переменного тока полностью был использован по мощности, необходимо добиваться высокого коэфициента мощности приемников.
Пример. Определить, какую полезную мощность можно получить от генератора при коэфициентах мощности приемника сов <р=0,4; совср=0,8; соз<р=1,0. Номинальный ток генератора равен 200 а при напряжении £7=110 в.
Решение. Допустимая кажущаяся мощность генератора
РК=£7/ = 11О«2ОО=22ООО ва.,
247
При е<»нср—0,4 активная мощность /’„=£//соя ср—7\ соя= t=22 OO()-O/i=8,8 кет.
При costp—0,8 Ра—22 ООО *0,8 =17,6 кет.
При соэср = 1,0 Ра=22 ООО* 1,0=22 кет.
Параллельное соединение активного и индуктивного сопротивлении. На рис. 235 показано параллельное соединение
z-H I jo I I Рис. 235. Параллельное соеди-
И L К I Тс, Г Н 11Г пение индуктивного и актив-
v-L/ (o' Ез' ного 'сопротивлений
индуктивного и активного сопротивлений. Сила тока через активное сопротивление по величине
7Г=-^-
и совпадает с напряжением но фазе. Сила тока через индуктивное сопротивление
и отстает от напряжения по фазе на угол 90°. Значит, токи через активное и индуктивное сопротивления имеют между собой сдвиг по фазе на угол 90°.
Ток I в неразветвленном участке цепи равен сумме токов через активное и индуктивное сопротивления, сдвинутых между собой по фазе на угол 90°, т. е. вычисляется по формуле
7^/ТТЛ.
Чем больший ток протекает через индуктивное сопротивле-пи'.' по сравнению с током, протекающим через активное сопротивление, тем больше ток в общем проводе отстает по фазе от напряжения.
Полное сопротивление цепи при параллельном соединении активного и индуктивного сопротивлений можно вычислить по формуле
и гшЬ
Z=-y =---. -Г- .
I u>2L2
§ «. ЕМКОСТНОЕ И АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В ЦЕЦИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Последовательное соединение г п С. На рис. 236 показано последовательное соединение активного и емкостного сопра-тивлений.
248
В такой цепи падении напряжения па активном сопротивлении равно по закону Ома UГ ~1г и совпадает но фазе с током.
Падение напряжения па емкостном сопротивлении и от
стает по фазе от тока на угол 90°.
На рис. 237 показаны синусоидальные графики тока в цепи (I), напряжения на активном сопротивлении (иг), па емкостном сопротивлении (ис) и полного напряжения (и).
Рис. 236. Последовательное соединение конденсатора и активного сопротивления
Рис. 237. Ток и падения напряжения в цепи г—С
Особенностью цени является то, что ток опережает п о фазе полное напряжение. Угол ср, показывающий этот сдвиг, меньше 90°, так как, кроме емкостного сопротивления, имеется активное сопротивление.
Так же как для цепи с последовательно соединенными активным и индуктивным сопротивлениями, для данной цепи можно построить треугольник напряжений, катеты которого равны напряжениям на активном и емкостном сопротивлениях, а полное напряжение соответствует гипотенузе и вычисляется по формуле
и=\/ и*+и%.
Полное сопротивление цени
7/ р и м е р. Найти полное сопротивление цепи, состоящей из R =80 ом и С =50 мкф, соединенных последовательно, при частоте 50 гц.
Решение.
2 = ]/г5 4-а;с =]/'/• + ( 2^/С ) = |/8°2 + Q,28• 50• 50.10-»^ =
= 102 ом.
249
Закон О м а для цени с емкостным и активным сопротивлениями, соедипоппыми последовательно, выражается формулой
и
Таким образом, цепь с, активным и емкостным сопротивлениями отличается от цепи с, индуктивным и активным сопротивлениями только тем, что благодаря действию емкости ток опережает напряжение по фазе, тогда как присутствие индуктивности вызывает отставание тока по фазе.
Так как при последовательном соединении г и С между напряжением и током имеется сдвиг по фазе, то коэфициент мощности цепи меньше единицы. Следовательно, активная мощность меньше кажущейся мощности во всех случаях, когда имеется сдвиг по фазе между напряжением и током. При этом безразлично, появился ли сдвиг по фазе благодаря емкостному или благодаря индуктивному сопротивлению.
Как и в предыдущем случае, коэфициент мощности представляет собой отношение активной мощности к кажущейся
COSCp = y'!-
* к
и может быть вычислен как отношение активного сопротивления к полному сопротивлению:
г г
COS CD = — ИЛИ COS ср =- -
1/ Г2Н--—
У + <1)2 С*
Пример. Определить силу тока, коэфициент мощности, активную и кажущуюся мощности цепи с емкостным сопротивлением .тс =100 ом и активным сопротивлением г=100 ом, соединенными последовательно.
К цепи подведено напряжение U =-220 в.
Решение.
1) по закону Ома
, U V 220 220 . „
z ]/>+z2 10002+ ЮО2 141,4
2) cos ср =— = —-г. - = -...-100 -=0,707;
z т/аЩ| j/1002+Ю02
3) Pu—UI cos ср=220.1,55*0,707=241 вт\
4) кажущаяся мощность РЛ=С/7 = 220Л,55=341 ва.
Построим векторную диаграмму напряжений и тока в цепи с активным и емкостным сопротивлениями. Сначала отложим вектор тока I 250
(рис. 238). Падение напряжения на активном сопротивлении совпадает по фазе с током, поэтому вектор U г отложим вдоль вектора тока. Падение напряжения на емкостном соп|>отивленяя отстает по фазе от тока на угол 90°. Поэтому вектор U^l —следует повернуть на угол ш Q
Рис. 238. Напряжения на конденсаторе и активном сопротивлении сдвинуты по фазе на угол 90°
90° по вращению часовой стрелки относительно вектора 1. Начало вектора Uс совместим с концом вектора Ur, так как г и С соединены последовательно. Полное напряжение и найдем как геометрическую сумму векторов Uqh Ur, т. е. проведем отрезок из начала вектора Vr до конца вектора Uc. В полученном треугольнике напряжений угол у показывает сдвиг по фазе между полным напряжением и током. Как видно, в данном случае ток опережает напряжение.
Косинус угла также может быть определен из треугольника напряжений:
Ur
008? = -^ =
Параллельное соединение г н С. При параллельном соединении емкостного и активного сопротивлений (рис. 239) ток, протекающий через активное сопротивление,
г®+—1—
п совпадает по фазе с напряжением, а ток, протекающий через емкостное сопротивление,
, и и
с ~ 1
и>С
и опережает по фазе напряжение на угол 90°.
Ток I в общем проводе опережает по фазе напряжение на угол, мопыпий 90°. Величину тока можно вычислить как корень каадратный из суммы квадратов 1 г и 1С:
Полное сопротивление цепи при параллельном соединении г и С вычисляется по формуле
251
//риме />. К цопи, состоящий из лпрпллольно пключоп-пых г-з-ВО ом II д:с=-ч =100 ом, подпсдеио напряженно U =200 в. Определить токи 1 г, 1<:, / и полное еонротинлоние цепи.
Решение. Ток, протекающий через активное сопротив-, 11 203 „ г
ленио /.=—=—=2,5 а.
Рис. 239. Параллельное, соединение конденсатора и активного сопротивления
Ток, протекающий через емкостное сопротивление, 1с~
Ток, протекающий в =1/2752+2®- 3,2 а.
Полное сонротиплен не или, иначе, г
z-~ — —-----. ---
Р1_|_Г2Ш2С2 У 1,64
общем проводе, 7=1/ Z~-|- 7<j =
Р 200 г цепи z f - - --у---Ь2,5 ом,
80
задачи: для упражнении
1, В цепь переменного тока последовательно включены реостат с сопротивлением г, =6 ом и катушка самоиндукции с активным сопротивлением гг—2 ом и индуктивным сонротипленяем -г/ = 6 ом. Вычислить полное сопротивление цепи.
О т в е т: z~ 10 н.п.
2. Найти силу тока в цопи, состоящей из последовательно соединенных активного сопротивления r—fj ом п индуктивного сопротивления х,=8 ом. Вольтметр, измеряющий полное папряжепис, показывает 200 в. Вычислить также коэфициент мощности цепи (cos ср).
Ответ: 7=20 a; cos ср =0,6.
3. Имеется генератор с напряжением (7=120 в и номинальным током 7=10 а. Какую активную мощность может развивать генератор, если коэфициент мощности приемника cos ср=0,8.
Ответ: вт.
Л. Вычислить активную мощность, расходуемую в цепи с последовательно соединенными xL=Q ом и г=12 ом, если к ней подведено напряжение 77—120 в.
Ответ: Ра—1&8 вт.
5. Найти силу тока в общем проводе цепи, которая состоит из параллельно соединенных индуктивного сопротивления ®z=30 ом и активного сопротивления г — 40 ом. К цени подведено напряжение 17=240 в.
Ответ: 7=10 а.
252
fl. Вычйслить кажущуюся и активную мощности и коэфицпопт мощности цепи задачи № 5.
Ответ: Рк=2,4 кеч; 7>„>-,1,44 книг, соя if=(),(i.
7. В цепь переменного тока с, частотой /=5(1 ец включена емкость С’=31,8 мкф последовательно с. активным сопротивлением / = 100 ом. Вольтметр показывает ппиряжопио сети /7=120 в, Вычислить полное сопротивление, силу тока п цени и падения напряжения па емкостном и активном сопротивлениях.
О in в е т: 2=141,4 ом; 1=0,85 a; Ur=85 в; /7^=85 а.
8. Объяснить, почему сумма напряжений Ur и Чс предыдущей задачи больше напряжения сети.
9. Вычислить емкость конденсатора, соединенного последовательно с активным сопротивлением г= 120 ом, если при частоте сети /=50 гц и напряжении /7=120 в ток цепи /=0,8 а.
О т в е т: С = 35,4 мкф.
10. Вольтметром измерили падение напряжения на активном сопротивлении Ur= 80 в и на последовательно с ним включенном конденсаторе U< =80 в. Вычислить полное напряжение, подведенное крепи, и сопротивления г, хс и z, если по амперметру сила тока 1= 5 а.
Ответ: /7=100 в; 2=20 ом; г=16 ом; хс=12 ом.
11. К цепи переменного тока, состоящей из последовательно включенных конденсатора и активного сопротивления, подведено напряжение /7=130 в с частотой /= 50 гц. С помощью амперметра измерили силу тока 7=2,5 а и с помощью ваттметра — активную мощность Ра=300 вт. Определить активное (г) и емкостное (хс) сопротивления, коэфициент мощности и падения напряжения на г и хс.
О тве т: г=48 ом; хс=20 ом; cos ср=0,925; /7г=120 в; /7с=50 в.
12. Найти силу тока в иеразветвленной части цепи, состоящей из параллельно нключеппых с=30 ом и жс=40 ом, если к цепи подведено напряжение /7=120 в. Вычислить активную мощность и полное сопротивление цепи.
Ответ: 7 = 5 /’„ 480 вт; ~. 21 ом.
§ 4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ЕМКОСТНОГО, ИНДУКТИВНОГО И АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ
Па рис. 240 показана цепь переменного тока с последовательно включенными активным, индуктивным и емкостным
сопротивлениями.
Рис. 240. Последовательное соединение активного, индуктивного и емкостного сопротивлений
В такой цепи падения напряжения на емкостном и индуктивном сопротивлениях имеют сдвиг по фазе относительно друг друга на половину периода, т. е. на угол 180°, так как напряжение на емкостном сопротивлении по фазе отстает от тока на
253
угол 90®, а падение напряжения на индуктивном сопротивлении но фазе опережает ток па угол (К)'1. Н цени могут быть три случая: индуктивное сопротивление больше емкостного; емкостное сопротивление больше индуктивного; индуктивное и емкостное сопротивления равны друг другу.
Преобладание индуктивного сопротивления. Индуктивное сопротивление больше емкостного:
г 1
ж/, >жг, т. е.
поэтому падение напряжения па индуктивном сопротивлении * больше, чем па омкостном:
uL>uc.
Так как напряжения на индуктивном и на емкостном сопротивлениях по фазе взаимно противоположны, они частично компенсируют (уравновешивают) друг друга.
Действительно, из графика на рис. 241 видно, что при сдвиге по фазе между и ис на 180° (на полпериода) мгновенные значения напряжений па емкости и па индуктивности в любой момент имеют разные знаки.
Поэтому напряжение на обоях реактивных сопротивлениях равно разности напряжений на индуктивном и емкостном сопротивлениях
и по фазе опережает силу тока на угол 90°.
Полное напряжение, подведенное к цепи, можно найти как сумму напряжений на активном сопротивлении U г и на обоих реактивных сопротивлениях U х, сдвинутых по фазе по отношению к Uг на угол 90°. Поэтому полное напряжение вычислим как корень квадратный из суммы квадратов Uг и U х'.
u=Vtr*.\-ul
Результирующее реактивное сопротивление цепи равно разности индуктивного и емкостного сопротивлений. Разность получается потому, что напряжения на индуктивном и на емкостном сопротивлениях по фазе взаимно противоположны:
x=xl, — Же или x=(ot>L--•
Полное сопротивление цепи переменному току
Закон Ома для цепи с последовательным соединением конденсатора, индуктивной катушки и активного сопротивления выражается формулой
, U т и
/=— или / =----- .
254
В рассмотренном случае индуктивное сопротивление больше емкостного, вследствие чего ток в цепи отстает по фазе от полного напряжения. Поэтому говорят, что в цепи преобладает индуктивная реакция.
Косинус угла сдвига по фазе между полным напряжением и током вычисляется по общему правилу для последовательной цепи как отношение активного сопротивления к полному
уравновешивается напряжением на конденсаторе
Активная мощность цени меньше кажущейся мощности, так как потери мощности па тепло имеются только в активном сопротивлении:
Ра=РкС(УА ср ИЛИ Pn~Ul COS
// ример 1. Вычислить полное сопротивление цепи, которая с.остоит из последовательно соединенных активного спиротиплоиия /=20 ом, индуктивного сопротивления xl = —30 ом и емкостного сопротивления хс=15 ом,
Р е ш е ни е.
j/r2+(o>L—^у=]/202+(30 — 15)2=|/б25=25 ом.
Вели обкладки конденсатора замкнуть накоротко, то емко-(тноо сопротивление —=0. Тогда полное сопротивление цепи у вод itch: z=}/r2+(u>L—^у=р/20г+(30—0)2=/130б == — 3(1 ом..
Пример 2. Вычислить силу тока, коэфициент мощности, активную и кажущуюся мощность цепи, состоящей из после-допптельно включенных г=9 ом, шЬ=25 ом, ^=17 ом, К цепи подведено напряжение U =120 в.
255
Р в ш е н и е. По закону Ома
120
V 9*+(25—17)'J
120 ”1.1
10 а.
Коэфициент мощности цепи
г 9 —
coscp = -?- =—=0,75.
Кажущаяся мощность PK=UI—120~ 10=1200 ва.
Активная мощность Pa=UIco?, ср=1200-0,75=900 вт.
Пример 3. Найти силу тока и cos ср для предыдущего примера при условии, что зажимы катушки замкнуты накоротко, wL—Q.
Решение.
120 120 й
.. = = ===6,25 а.
У92+(0—17)2 19,2
Ток в цепи уменьшился, а сопротивление цепи увеличилось:
cos <р=-^- = ^-=0,468,
Преобладание емкостного сопротивления. Если емкостное сопротивление больше индуктивного, т. о. ~2>e>L, то падение напряжения на емкостном сопротивлении больше, чем на индуктивном. Падение напряжения на обоих реактивных сопротивлениях и„=цс—их направлено в сторону отставания от тока на угол 90°.
Влияние емкости сказывается сильнее, чем влияние индуктивности, и ток в цепи о 11 о р о ж а о т но фазе полное напряжение. В таких случаях говорят, что в цепи преобладает емкостная реакция.
В случае преобладания емкостной реакции формула закона Ома остается такой же, как и раньше:
Член в скобках под квадратным корнем будет иметь отрицательный знак, по от этого формула не меняется, так как квадрат отрицательной величины есть величина положительная!
(u>L—---Л =f -у? —• со 1Л . X. «и / J
25ft
Пример 1. Определить сопротивление цепи, в которой iiiHiio’ioiibi последовательно г —(10 ом, ом, ,zc=140 ом.
Решение. В цепи преобладает емкостна» реакция, так как емкостное сопротипленпе больше индуктивного. Полное сопротивление цепи
Z"'“ |/ r'2+(wL -- — Ха )2 =
=05О«+(6О- 140)2=}/10 000 = 100 ом.
Пример 2. Определить силу тока и напряжение на емкостном, индуктивном и активном сопротивлениях, если к цепи примера 1 подведено напряжение U =200 в.
Решение. Сила тока в цепи
, U _200 „ Z “ЮО-z а’
напряжение на емкостном сопротивлении
Uc = I.±=Ixc =2-140=280 в;
напряжение на индуктивном сопротивлении
Uh -~IwL = Ixh =2-60=120 в;
общее напряжение на реактивных сопротивлениях
Ux=-Uc Ui.---2VM 120 ИВО в\ напряжение на активном сопротивлении
Гг=/г=2-60=120 в.
Построим векторную диаграмму для случая, когда индуктивное сопротивление больше емкостного;
(’.начала отложим вектор тока в цепи, так как ток через все сопротивления идет одинаковый (рис. 242,а).
Падение напряжения па активном сопротивлении по закону Ома для активного сопротивления Uг- Iг и совпадает < током по фазе. Поэтому вектор напряжения на активном сопротивлении следует направить вдоль вектора тока.
Падение напряжения па индуктивном сопротивлении Ul=Iu,L и опережает но фазе ток на угол 90°. Поэтому вектор UL следует отложить, повернув его на угол 90° в сторону опережения тока, т. е. против вращения часовой стрелки.
Так как катушка самоиндукции соединена последовательно с активным сопротивлением, начало вектора UL совместим с концом вектора Ur (точка а).
Падение напряжения на емкостном сопротивлении Uq=I-—- и отстает по фазе от тока на угол 90°. Поэтому вектор напряжения Uc следует 17 Электротехника 257
иопорнуть относительно поктора тока па угол 00’ п сторону отставании, т. о. по пращспию часовой стрелки.
Поскольку емкостное и индуктивное сопротпилопин включены посло-донптольно, начало вектора Uc поместим в точку и, являющуюся концом вектора Uf.
Из векторной диаграммы видно, что падопио напряжении па индуктивном сопротивлении частично компенсируется падением иипрнжопия на емкостном сопротивлении.
Гис. 242. Векторные диаграммы для цепи r-L-C
Полное напряжении н.юбразптен и виде вектора, проведенного из точки О до точки б, причем треугольник Опб —прямоугольный, с катетами 1/г и Иг и гипотенузой U.
Ток в цепи но фане отстает от полного напряжения на угол между векторами U и 1. Если бы емкости в цепи не было, то сдвиг по фазе между U и I был бы больше.
В случае преобладания емкостного сопротивления векторная диаграмма будет выглядеть так, как показано на рис. 242,6. Так как при 1 - г г
— >ы£ напряжение на емкостном сопротивлении больше, чем на индуктивном, результирующее падение напряжения Ux—Uc—UL имеет то же направление, что и вектор 7/ц.
Из векторной диаграммы видно, что ток в цепи теперь опережает по фазе полное напряжение, т. о. влияние емкости сказывается сильнее, чем влияние индуктивно! гн.
До сих пор мы рассматривали поведение цепи, считая, что частота тока остается постоянной. Часто бывает необходимо знать сопротивление цепи для токов различной частоты. Проследим на примере, как изменяется сопротивление цепи с последовательным соединением г=141 ом; £=0,318 гн; С — =31,8 мкф при изменениях частоты. Для этого вычислим полное сопротивление цепи при частотах 5 гц, 25 гц, 50 гц, 100 гц, 500 гц.
1. При частоте 5 гц:
xL =2vfL=2-3,14-5-0,318 = 10 ом;
Хс==2^С = 2-3,14-5-31,8-10"»=1000 ом;
258
полное сопротивление цепи
z=l/r2+(xL — ж(7)2=/1412-Р(1() Л1Ю0)2=}/1 000 000-= = 1000 ом.
. При частоте / =25 гц
xL = 2h/L=2-3,14-25-0,318 = 50 ом;
3;<; = 2^7С=: 2-3,14-25.31,8-10-в = 2°° 0М’
полное сопротивление цепи
z I гЧ (-О. - ^)г=Г'1412+(50-200)г=1/42 500=206 ом.
3. При час готе /=50 гц
жь =2т:/£=2.3,14-50-0,318 = 100 ом;
" 2^/6’ 2• 3,14• 50• 31,8• 10-»= 1 °° °М'
1111,11100 I I >11 р(11 и ИЛОНili‘ Цени
х*-Гг24-(ж/. .Т(,)2= JZI412-|( 100 100)'<- У14Т2 = 141 ом.
/>. При частоте / = 100 гц
г/. -2тг/£=2.3,14-100-0,318=200 ом;
1 — 1 -ГО •
2-3,14.100.31,8-10-» ~JU 0М’
полное сопротивление цепи
|/;г+(жь—жс)2=1/1412+(200- 50)2=]/42 500=206 ом.
5. При частоте /=500 гц
xL =2тг/£=2.3,14-500-0,318 = 1000 ом;
— 1 1 10 •
2-fC^~ 2.3,14.500.31,8-iO-» 0М'
17* 259
полное сопротивлении цепи
2| /•«-]_(,/;L — j (,)- = J | /| 1 (-| ()()() — 1 ())*-»
= И Гооб -=1000 ом.
Результаты вычислений поместим в таблицу:
Частота тока / (ei{) . 5 25 50 100 500
Индуктивное сопротивление xL (ом} . 10 50 100 200 1000
Емкостное сопротивление XQ (ом} . . 1000 200 100 50 10
Полное сопротивление цепи z (ом} . 1 1000 206 141 206 1000
Из этого примера и таблицы можно сделать следующие выводы:
1. При увеличении частоты индуктивное и емкостное сопротивления изменяются во взаимно противоположных направлениях: индуктивное сопротивление непрерывно увеличивается с увеличением частоты, а емкостное сопротивление уменьшается.
2. Полное сопротивление цепи до определенной частоты уменьшается, а при дальнейшем увеличении частоты вновь увеличивается.
3. Полное сопротивление цеив становится наименьшим при частоте, когда индуктивное и емкостное сопротивления равны друг другу. Поскольку результирующее реактивное сопротивление цепи равно разности емкостного и индуктивного сопротивлений, получается, что цепь ведет себя так, как если бы в ней находилось только одно активное сопротивление.
§ 5. РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИИ
Условие резонанса. Когда емкостное и индуктивное сопротивления равны друг другу (рис. 243), падения напряжения на них компенсируют друг друга, а результирующее реактивное сопротивление цепи равно нулю:
--ж6,=0.
260
Полное напряжение, подведенное к пони, равно падению напряжения на активном сопротивлении.
Такое состояние, когда в последовательной цепи падения напряжения на индуктивном и на емкостном сопротивлениях равны по величине и поэтому компенсируют друг друга, называется резонансом напряжения,
Рис. 243. Напряжения на конденсаторе и катушке при резонансе напряжений полностью уравновешивают друг друга
Резонанс напряжений наступает в последовательной цепи при условии, что емкостное и индуктивное сопротивления равны друг другу: *
т 1
х, — хп пли (»Л = —.
v o>G
Частота, при которой наступает резонанс, называется частотой резонанс а. Обозначим частоту резонанса
11 угловую частоту при резонансе шрез. Так как
т 1 о) £,= - р ^резС
ю Ч _ 1
Цои (ому "-'",1с-
'I’UH как /= , ' 2л ’
1П / = рез 2т. Г/Г
4iii('ii.i получить частоту резонанса в герцах, следует велп-чп1ц он lyiciявности подставлять в генри, а величину емкости в фа | bi та \.
261
'Пример 1. Найти частоту резонанса для цепи, в которой включены конденсатор емкостью С=8 мкф и катушка с индуктивностью L=0,5 гн.
Решение.
f . —---=- =---------1 -=79,6 гц.
,рез 2-.VLC 2-3,14J/0,5.8-Ю-о г
Пример 2. Определить величину индуктивности катушки, которую следует включить последовательно с конденсатором емкостью С=4,25 мкф, чтобы получить резонанс при частоте /=50 гц.
Р е ш е н и е.
ШРез:=£С: Ь = (2л/)2С— 4-3,142-502.4,25.10-0 ,й гН'
Получить резонанс напряжений в цепи можно следующими способами:
1) изменением индуктивности L. Изменять индуктивность можно, например, меняя число витков катушки пли вдвигая железный сердечник внутрь соленоида;
2) изменением емкости конденсатора С. Для этой целя в радиотехнике применяют конденсаторы переменной емкости, у которых имеется система неподвижных я подвижных пластин (см. главу VI);
3) изменением частоты источника тока.
(В табл, на стр. 260, поясняющей зависимость полного сопротивления цепи от частоты, резонанс напряжений получился при частоте 50 гц.)
Характерные особенности резонанса 'Напряжений. При соблюдении условия резонанса результирующее реактивное сопротивление последовательной цепи равно нулю. Полное сопротивление пени равно активной составляющей:
%рез
Следовательно, при частоте, резонанса сопротивление цепи становится наименьшим, а сила тока в цепи становится наибольшей (при неизменном Напряжении на зажимах) и равна
/ =Х /"О Г
Изменение полного сопротивления цепи и силы тока при изменении частоты можно изобразить графически, как покапано на рис. 244.
График, изображающий зависимость тока в цепи от частоты, называется р е зола вспои криво й. Резонансная кри-262
НИН становится заостренной, и ток резко увеличивается, особенно М тех с-лучаях, когда активное сопротивление цепи мало по сравнению с реактивными сопротивлениями.
На рис. 245 показаны две резонансные кривые, получаю-HintM и при одинаковых U, L и С, но при разных активных сопротивлениях г.
Рис. 245. Резонансный ток больше при меньшем активном сопротивлении
Кривая тока 1г соответствует активному сопротивлению цени т-J. Кривая тока /2 соответствует случаю, когда активное сопротивление г2 стало в три раза меньше, чем гР При этом ток стал в три раза больше.
// /I и м в />. Вычислить силу тока в момент резонанса в цепи, к которой подведено напряжение £/'=110 в. Активное сопро-типление цепи изменяется так, что в первом случае г1=50 ом, а во втором случае г2=2 ом. Остальные сопротивления цепи не меняются.
Р е ш е и и е. В первом случае
во втором случае
110
= 55 а.
и
Коэфициент мощности цепи равен единице:
при резонансе напряжении
CO8 = -— zpej
263
4
При резонансе мощность источника тока передается только активному сопротивлению. В конденсаторе и катушке самоиндукции происходит поочередное запасание энергии: сначала в катушке . самоиндукции, затем в конденсаторе, затем снова в катушке и т. д.
Энергия запасается в виде энергии электрического поля заряженного конденсатора, затем переходит в энергию магнитного поля катушки и обратно.
Так как сила тока в момент резонанса наибольшая, то падение напряжения па индуктивном или емкостном сопротивлении может быть больше, чем напряжение источника тока. Напряжение источника в момент резонанса равно падению напряжения на активном сопротивлении
u=ur=ipe7.
Падение напряжения на емкостном или на индуктивном сопротивлении:
U с I pe3'Xj. — I/1Г1' з с,-
Если в цепи индуктивное сопротивление больше, чем активное сопротивление, то падение напряжения Ul больше, чем и=иг.
Следовательно, в момент резонанса напряжений на индуктивности и на емкости может быть перенапряжение. Перенапряжение становится тем больше, чем меньше активное сопротивление цепи по сравнению с индуктивным или емкостным.
П р и м в р. Определить напряжение па индуктивном и на емкостном сопротивлениях в момент резонанса. К цепи подведено напряжение U— 100 в, активное сопротивление цепи г—10 ом, реактивные сопротивления цепи при резонансе хьр„=хСрез =100 ом.
Р в ш в и и в. Сначала определим силу тока в момент резонанса:
Напряжения па индуктивном и емкостном сопротивлениях
UL=Uc=xL /„„ = 100-10 = 1000 в.
рсз PCJ
Следовательно, напряжение па каждом из реактивных сопротивлений в 10 раз больше, чем подведенное напряжение.
Резонансные явления широко используются в радиотехнике, дли того чтобы из нескольких переменных токов различной частоты, поступающих в радиоприемник с приемной антенны, выделит!» ток определенной частоты.
264
| в. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ АКТИВНОГО, ИНДУКТИВНОГО И ЕМКОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ
1'п< । moi рим ноль, которая состоит из активного, индуктив-||он> и емкостного сопротивлений, включенных параллельно (рю У111), Дли простоты предположим, что активное сопротивление провода катушки настолько мало, что его можно считать ранным пулю.
II параллельной цепи происходит разветвление токов. Напряжение, приложенное к индуктивности, емкости и активному сопротивлению, одно и то же.
Рис Д'|Г1. Нпраллельпоо I <11<Ц1П11’)1)|0 IIICTIIиного, BIHlyUTIIIIIIO) О И I'MICOCT-
IIIII II < 0|||1ОТ1|Н.1Н'ПНЙ
Ток через активное
сопротивление по величине равен
ii пи фан» соипадпот с напряжением.
'Гои черна индуктивное сопротивление по величине равен
И но физе отстает от nanpiimi'iinii ин уп>л 90°.
'Гоп и иогии с. емкостным l oiiporninioniieM по величине равен
f ВО фазе, опережает напряжение на угол 90°.
Токи через емкость и индуктивность имеют сдвиг по фазе Относительно друг друга на угол 180° (половина периода), Т. и. и любой момент времени имеют различные знаки.
Позтому результирующий реактивный ток /х равен разности токов через индуктивность и емкость:
Если индуктивное сопротивление меньше емкостного, то I/ больше 1С- Следовательно, ток 1Х отстает по фазе от напряжения на угол 90°.
Ток в общем проводе / также отстает по фазе от напряжения, по па угол, меньший 90°.
Ток I можно вычислить, как
I=V i*+i2x - i//T|7r“z;/
265
Если емкостное сопротивление меньше индуктивного, то ток 1с больше II, и реактивный ток 1Х опережает по фазе напряжение па 90°. При этом ток в общем проводе / также имеет емкостный характер (он вычисляется по той же формуле). Таким образом, токи в ветвях индуктивности и емкости частично уравновешивают друг друга.
Возможность уменьшения реактивного тока цепи путем включения емкостного сопротивления параллельно индуктивному широко используется в технике для увеличения коэфп-циента мощности различных потребителей энергии.
Рассмотрим поведение параллельной цепи г — L — С па примерах.
Пример 1. Определить ток в общем проводе п токи в отдельных ветвях параллельной цепи, к которой подведено напряжение [7=120 в. Активное сопротивление г=60 ом, xl — = 120 ом, Же=480 ом.
Решение.
7 = / — /е)2=1/224-(1-0,25)2=1/4+0,56=2,14 а.
Следовательно, полное сопротивление цепи
U 120 г„ Z=Z==2j4 = ',G 0М-
Так как /д больше, чем 11:, то в цепи преобладает индуктивная реакции, и ток / отстает но фазе от напряжения.
7/ р и м в р 2. Определить, как изменится сила тока в общем проводе, если исключить емкость. Первоначально цепь состояла из параллельно соединенных г=50 ом, wL—ЗО ом, ^=40 ом.
I? цепи подведено напряжение 77=120 в.
Решение. Сначала определим ток в общем проводе при включенной емкости:
, U 120 о .
г — 50 —2,4 а,
. и 120 .
L ~ wL~~ 30 —* й’
___V _ 120
1 — 40
=3 а.
шС
266
Ток в общем провода
l=V l*+(lL -/J2=/2,4*4-(4-3)*^F5,76-H=2,6ffl.
Полное сопротивление цепи
z=-
и 120
-Г = ТГ7? = 4о,2 ом
I 2,о
Теперь найдем ток в общем проводе после отключения емкости. Так как /с=0, то
/=P//r2 + /2 = F/2,42+42=^21,76=4,67 а.
Полное сопротивление цепи уменьшилось, так как
z=-r=7-iJ==25,7 ом.
I 4,0/
Особенности цепи с параллельным соединением г, L и С можно отобразить с, помощью векторной диаграммы, которая показана на рис..247,а, дли случаи <«£ < , т. е. когда индуктивный ток больше, чем емкостный.
Сначала отложим ректор напряжения U. Вектор тока через активное сопротивлении /, совпадает с вектором U по направлению; вектор тока череп емкость 1г опережает напряжение па угол 90°, а вектор тока через нндуктпнпость 1/ отстает от наприжения па угол 90°.
.Ласко пидоть, что тони I/ и по направлению противоположны и иоатому реактивный ток /,»/, —/<; иаобршштсп вектором, совпадающим Но ц а 1111 а ил и1 н 11 и > с вектором lt. Вектор токи / и общем проводе можно
aiC
t .
— <a>L a/C
U
a * ' 6
I'iic. 247. Векторные диаграммы для параллельной цепи г—I.—С
1ШЙ1К пап геометрическую сумму векторов 1Г и Jх. Угол а показывает, <но юн / а общем проводе отстает по фазе от напряжения,
Когда емкостное сопротивление меньше индуктивного, ток /сбудет больше тока 7/ (рис. 247,6). Поэтому результирующий реактивный юн 7, теперь опережает напряжение по фазе на угол 90°, и ток в общем проводе также опережает напряжение, но на угол меньший 90°.
При отключении индуктивности ток //=0; ток в общем проводе увеличится п будет изображаться вектором Г (показан пунктиром).
267
§ 7. РЕЗОНАНС ТОКОВ
Состояние, когда токи, проходящие через индуктивное и емкостное сопротивления, равны и компенсируют друг друга, называется резонансом токов в параллельной цепи.
Условие резонанса токов состоит в том, что индуктивное и емкостное сопротивления, соединенные параллельно, равны друг другу:
Это условие совпадает с условием, при котором наступает резонанс напряжений.
Ток в общем проводе при резонансе токов по величине равен току, проходящему через активное сопротивление, и по фазе совпадает с напряжением, подведенным к цепи (рис. 248).
Частота, при которой наступает разонанс токов, называется частотой резонанса.
Так как
то
1 / - 1
>' , 7.С И Jpe3 2xVLC’
Для получения резонанса токов можно изменять величину емкости, величину индуктивности или частоту переменного тока.
Рассмотрим поведение параллельной цепи, если к ней подвести переменное напряженно с постоянной амплитудой и меняющейся частотой.
Если частота меньше частоты резонанса, то индуктивное сопротивление мши.те сопротивления емкости, так как с уменьшением частоты индуктивное сопротивление уменьшается, а емкостное сопротивление увеличивается. Следовательно, сила тока, проходящего через индуктивное сопротивление, больше силы тока, проходящего через емкостное сопротивление. Ток в общем проводе
При постепенном увеличении частоты емкостное сопротивление уменьшается, а индуктивное сопротивление увеличивается. Поэтому ток 1С увеличивается, а //. уменьшается и, следовательно, уменьшается разность этих токов —1С, так как они будут становиться близкими по величине. При этом ток в общем проводе уменьшается, а полное сопротивление цепи увеличивается.
268
При частоте резонанса IL—1С и их разность равна нулю, ледовательно, тон в общем проводе уменьшится и будет равен
При дальнейшем увеличении частоты сопротивление емко-< И1 1 laiier меньше сопротивления катушки. Поэтому ток емко-с iiiiiii) сопротивления будет больше токд индуктивного сопро
ItoMIK'HClipyioT друг други
тивления, и разность/с—^z.ne будет равна нулю. Ввиду этого ток в общем проводе вновь начнет увеличиваться. Следовательно, полное • сопротивление цепи вновь начнет уменьшаться.
Рис. 249. Резонансные кривые
Изменения сопротивления цени и токи представлены кривыми (рис. 249), которые показывают, что при частоте ре а о и а пса ток, проходящий в общем проводе, становится наименьшим, а полное с о и р о т и в л о и и е цепи наибольшим. При резонансе токи, проходящие в реактивных сопротивлениях, могут быть больше тока, идущего от источника.
Для этого нужно, чтобы каждое из реактивных сопротивлении было меньше активного сопротивления.
Ток в общем проводе
'Гон. проходящий через индуктивное сопротивление,
I и
рез ч>резЪ
и по величине равен току, проходящему через емкостное сопро-। пиление.
Если г больше, чем wpe3 L, то lipe3 больше, чем 1г=1рез-
И ример. Найти токи, проходящие в общем проводе и через индуктивное сопротивление в параллельной цепи г=90 ом,
269
wL~~-^—AO ом, сели к цепи при резонансе подведено напряженно U 120 в.
1> е ш в н и е. Ток в общем проводе
I -1 _ и _120_1 чч
1рез~ Jr~ г — 90 —1,33 а.
Ток, проходящий через индуктивное сопротивление,
, и 120 о
2/, ==—, ~:'77Т~’° а*
&L 40
§ 8. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР
Параллельное соединение катушки самоиндукции и конденсатора. При рассмотрении параллельного соединения активного сопротивления с индуктивным и емкостным сопротивлениями мы считали, что катушка самоиндукции не имеет активного сопротивления, т. е. условно принимали ее активное сопротивление равным нулю. Па самом деле активное сопротивление катушки не равно пулю.
Величину :>того сопротивления следует учитывать, когда мы рассматриваем поведение цени, состоящей из конденсатора и катушки, соединенных параллельно (рис. 250).
В такой цени токи емкостного и индуктивного сопротивлений никогда не будут точно противоположны по фазе, как мы считали до сих пор. Действительно, ток, проходящий через конденсатор, опережает по фазе напряжение м угол 90°. Однако ток, проходящий через катушку, отстает по фазе от напряжения на угол, меньший 90°, благодаря тому, что, кроме индуктивного сопротивления wL, катушка обладает активным сопротивлением п. Это и показывает, что угол сдвига по фазе между 1С и /д будет меньше 180°.
Ток в перазветнленной части цепи / может опережать по фазе напряжение или отставать от пего в зависимости от того, в какой из параллельных ветвей сила тока больше. Например, если ток, проходящий через индуктивное сопротивление, будет больше тока, проходящего через емкостное сопротивление, то в неразветвленной части цепи ток будет иметь индуктивный характер, т. е. будет отставать по фазе от напряжения. Если же емкостное сопротивление сделать меньше индуктивного сопротивления, то будет преобладать ток, проходящий через емкостное сопротивление, и ток в общем проводе станет опережать напряжение по фазе. При определенных величинах сопротивлений , o>L, г и <» можно добиться, чтобы не было сдвига по фазе между током в общем проводе и напряжением. Иначе говоря, цепь будет вести себя так, как будто в ней нет реактивных сопротивлений.
Как и ранее в рассмотренных случаях, сопротивление такой цепи при изменении частоты окажется в момент резонанса наибольшим, а сила тока в неразвотвлонпой части цепи — наименьшей .
Полное сопротивление цени, показанной на рис. 250, при резонансе можно найти по формуле
_ L rL С ‘
Ток в общем проводе при резонансе будет том меньше, чем меньше активное сопротивление катушки по сравнению с индуктивным. Действительно, если активное сопротивление катушки мало, то угол сдвига по фазе между токами индуктивного и емкостного сопротивлений будет близок к 180° и их геометрическая сумма (ток /) будет весьма мала по величине.
Колебательный контур. Если бы активное сопротивление катушки г, было равно пулю, то при резонансе токи 1С и IL взаимно компеп-спр<н1плпс1.бы полностью. Это значит,
что ток и поразш'тплспной части цепи стал бы равен нулю. При отключении источника в замкнутом контуре, образованном!, и С, ток продолжал бы проходить неограниченное время. На самом дело при отключении от источника ток в контуре L, С будет
Рис. 250. Параллельной соединение конденсатора и катушки
проходить лишь некоторый промежуток времени, причем для каждого нового периода его амплитуда будет уменьшаться, нак покапано па рис. 251. Этот процесс называется затуханием переменного т о к а.
Зв।ухание тока происходит тем быстрее, чем больше активное сопротивление катушки.
Протекание переменного тока в контуре L, С в течение некоторого промежутка времени после отключения от источника можно объяснить следующим образом: пусть контур отключился в тот момент, когда напряжение на зажимах конденсатора имеет амплитудное значение (рис. 252). В это время ток,
271
проходящий пороз емкостпос сопротивление, равен пулю, так как ток емкостного сопротивления опережает напряженно на угол 90°. Ток, проходящий через индуктивное сопротивление, такжо равен нулю, так как ои отстает от напряжения на угол 90° (если пренебречь влиянием активного сопротивления катушки).
Так как конденсатор замкнут на катушку самоиндукции, то через катушку самоиндукции проходит ток разряда конденсатора. Ток, идущий через катушку, вызывает образование магнитного потока катушки. К моменту, когда напряжение на конденсаторе уменьшится до пуля, ток в цепи и магнитное поло катушки будут иметь амплитудное значение. При этом
вся энергия, которой обладал заряженный конденсатор, перейдет в энергию магнитного поля катушки. Так как источников, поддерживающих ток, в цепи ЬиС нет, то сила тока и магнитное поле катушки во вторую четверть периода начинают уменьшаться.
Однако при изменении магнитного потока в катушке возникает э. д. с. самоиндукции. Под действием э. д. с. самоиндукции конденсатор, включенный параллельно катушке, вновь налипает заряжаться до отрицательной амплитуды напряжения, затем вновь начинается разряд конденсатора и т. д.
Амплитуда напряжения, до которой заряжается конденсатор, иостепенпо уменьшается для каждого нового периода, т. е. процесс становится колебательным и затухающим. Причина затухания колебаний заключается в том, что в цепи всегда присутствует активное сопротивление катушки самоиндукции гь и соединительных проводов. В активных сопротивлениях часть энергии расходуется на тепло. Благодаря этому энергия, которая запасается электрическим полем конденсатора при его заряде, в каждый следующий полупериод уменьшается. Поэтому уменьшается и напряжение, до которого заряжается конденсатор (напомним, что энергия, запасенная заряженным конденсатором, зависит от его емкости и напряжения, до которого он заряжается). Точно так же в каждый следующий полуперпод уменьшается амплитуда магнитного потока, а следовательно, п запас энергии магнитного поля катушки самоиндукции.
272
Рассмотренная цепь называется электрическим колебательным контуром.
В качестве примера механической колебательной системы можно привести процесс колебаний свободного маятника (рис. 253). Если груз маятника отклонить от положения равновесия, т. е. переместить в точку Л, а затем отпустить, то маятник будет совершать колебания около положения равновесия О, пока не остановится. В точке А груз имеет наибольший запас потенциальной энергии и при движении к положению равновесия
ого потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию,
т. е. в энергию движения, точно так же как энергия заряжен-
ного конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. Когда маятник проходит через положение равновесия, его скорость и кинетическая энергия наибольшие, точно так же как в момент разряда конденсатора до напряжения, равного нулю, сила тока в цепи имеет амплитудное значение. Колебания свободного маятника постепенно затухают, так как
при движении маятника происходит тре- рис. 253. Свободные пие о воздух. колебания маятника
Для того чтобы электрические коле- постепенно затухают
банил в контуре, образованном катушкой
самоиндукции п конденсатором, не затухали, необходимо, чтобы потери энергии и актинием сопротивлении "катушки
компенсировались поступлением энергии от источника элек-
трического тока.
Для приближенного определения частоты колебательного контура следует пользоваться формулой
2т: VLC '
II р и м е р. Определить собственную частоту колебательного контура £=4 гн, С—1 мкф.
Реше и и е.
/=—= -------------- ---- г 11Ю" -:7!) G гц..
2г. VLC 2-3,14 V4-1-10 « 13,5Н '
ЗАДАЧИ ДЛЯ УПРАЖНЕНИЯ
I Цепь переменного тока при частоте /=50 гц имеет полное сопро-UIII. icinie з-=10 ом и состоит из последовательно соединенных активного । оиротивления т=6 ом, индуктивного сопротивления Т£=16 ом и кондан-। агора емкостью С. Определить емкостное сопротивление и, величину емкости конденсатора, если известно, что в цепи преобладает индуктивная реакция.
Ответ: зсс=8 о.м; 0=398 мкф.
18 Электротехника 273
2. К цепи переменного тока подведено напряжение U—105 в с частотой /=5() 1щ. В цени последовательно соединены: г=22 ом, £=0,04 .ш. и (1=60 м,кф. Определить силу тока, cos ®, активную мощность и падение напряжения на емкости и индуктивности.
О тве т: 7=2,28 a; cos s=0,48; Pe=114 em; 77<;=121 «; 77^=28,6 в.
3. К цепи подведено напряжение 77=120 в, /=50 гц. В цепи последовательно включены катушка самоиндукции с индуктивностью £=0,0318 гн и активным сопротивлением г= 12 ом и конденсатор. Емкость конденсатора подобрана так, что в цели установился резонанс напряжений. Определить ток в цепи, активную мощность цепи и емкость конденсатора.
Ответ-. 7=10 а; £„=1200 вт-, С=318 мкф.
4. Пайти напряжения на емкостном и на индуктивном сопротивлениях при резонансе напряжений, если известно, что к цепи подведено напряжение 77=100 в, /=200 гц, С=1 мкф, с=500 ом. Определить также индуктивность, при которой наступил резонанс.
Ответ-. Vс~Ч/=159 в; £=0,632 гн.
5. Вычислить силу тока в цепи с последовательно включенными хс=2 ом, ;-=3 о.и, ж/=6 ом, если подведенное напряжение 77=30 в.
Определить, но сколько раз следует увеличить емкостное сопротивление, чтобы в цепи наступил резонанс напряжений, и вычислить силу тока при резонансе.
Отве т: до резонанса 7 = 6 а; при резонансе /,,„=10 а.
6. К параллельно соедпвеиным г 120 ом, х/ -120 ом, .т:с=480 ом подведено напряженно// 240 я. Определить ток в подводящем проводе и полное сопротивление пени.
Ответ-. 7 = 2,5 «; r. - ’.Xi ом.
7. Цепь состоит из параллельно соединенных с=60' ом, xL=2Q ом, о:с=80 ом. Но сколько раз нужно изменить частоту, чтобы в цепи наступил резонанс токов?
Ответ-, частоту следует увеличить в два раза.
8. Рассчитать силу тока в подводящем проводе в предыдущем примере, если к цепи приложено напряжение 77=120 в, для двух случаев: при частоте, когда Я/=20 ом и жс=80 ом, и при частоте резонанса.
О т в е т: до резонанса 7=4,92 а; при резонансе 7=2 а.
9. Определить частоту собственных колебаний контура, состоящего из параллельно соединенных £=0,4 гн и 77=40 мкф.
Ответ- приблизительно 40 гц.
КО7/77’0.7Л//7.771 770777'067./ К ГЛАВЕ XI
1. Напишите закон Ома для цепи, состоящей из последовательно соединенных индуктивного и активного сопротивлений.
2. Что называется коэфициентом мощности?
3. Как вычислить активную мощность, зная кажущуюся мощность и коэфициент мощности?
4. Почему стремятся получить коэфициент мощности, близкий к единице?
5. Как вычислить коэфициент мощности при последовательном соединении г и £?
6. Напишите закон Ома для цепи, состоящей из последовательно соединенных емкостного и активного сопротивлений.
7. Как вычислить коэфициент мощности при последовательном соединении г и С?
8. Какая разница в сдвиге по фазе между напряжением и током в цепях с последовательным соединением: 1) г и £; 2) г и С?
9. Напишите закон Ома для цепи с последовательным соединением г, L, и С.
10. Объясните, почему в последовательной цепи г, А и С результирующее реактивное сопротивление, равно разности индуктивного и емкостного сопротивлений.
И. В чем заключается явление резонанса напряжений?
12. Как- вычислить частоту, при которой наступает резонанс?
13. Какой сдвиг по фазе, между полным напряжением и током будет при резонансе? Чему равен коэфициент мощности ври резонансе?
Vi. Как изменяется сила тока и полное сопротивление цепи с последовательным соединением г, L и С при уменьшении и увеличении частоты по отношению к частоте резонанса?
15. Может ли напряжение на емкости и на индуктивности при резонансе напряжений быть больше напряжения источника тока?
16. Какой сдвиг по фазе имеется между токами через активное сопротивление, индуктивность и емкость при параллельном соединении г, L u С?
17. Как вычислить силу тока в подводящем проводе при параллельном соединении г, L и С?
18. В чем состоит явление резонанса токов?
19. Как изменяется ток в общем проводе и полное сопротивление цепи с параллельным соединением г, L и С при увеличении и уменьшении частоты по сравнению с частотой резонанса?
20. Какие процессы происходят в колебательном контуре? Почему происходит затухание тока?
18!
Глав a XT Г
ТРЕХФАЗНЫЙ ТОК
§ 1. ПОЛУЧЕНИЕ ТРЕХФАЗН0Г0 ТОКА
До сих пор мы рассматривали однофазный переменный ток. В настоящее время для передачи электрической энергии используется трехфазный ток, изобретенный в 1891г. русским инженером М. О. Доливо-Добровольским. Передача энергии трехфазного тока экономичнее. Аппаратура, питаемая трехфазным током, экономичнее и проще аппаратуры однофазного и постоянного токов.
Трех ф а з и ы м током называется система из трех однофазных токов одинаковой частоты, сдвинутых по фазе на одну треть периода друг относительно друга и протекающих по трем проводам.
Для получения трехфазиого тока необходим трехфазный генератор, создающий три э. д. с., сдвинутые по фазе на угол 120° (одну треть периода). Простейший генератор трехфазного тока можно выполнить следующим образом: представим себе
кольцеобразный сердечник из стали, на котором расположены три обмотки, u?!, w2 и w3, сдвинутые одна относительно другой по окружности сердечника на угол 120° (рис. 254,а). Сердечник с расположенными на нем обмотками называется статором генератора.
27 6
Рис. 255. График трехфазпых э. д. с.
Внутри статора может вращаться электромагнит, по обмотке которого проходит постоянный ток. Эта часть генератора называется ротором, или и и д у к т о р о м.
Обмотка ротора иначе называется обмоткой возбужден п я. Ток, проходящий по обмотке возбуждения, намагничивает сердечник индуктора, образуя северный и южный полюсы (2V и S').
С помощью какого-либо двигателя ротор приводится во вращение с угловой скоростью о>.
При вращении ротора созданное им магнитное поле пересекает обмотки статора. В обмотках при этом индуктируется электродвижущая сила, величина которой зависит от скорости, с которой магнитные силовые линии ротора пересекают, обмотки статора, и от величины потока ротора.
Полюсы ротора поочередно проходят под обмотками статора. Поэтому амплитудные значения э. д. с. каждой из обмоток (йУх, wa и шя) наступают не одновременно.
Конструкцию полюсов индуктора и обмотки статора выполняют так, чтобы в каждой из обмоток статора возникала синусоидальная э. д. с. Синусоиды э. д. с. обмоток wlt w2 и w3 на графике получаются сдвинутыми па угол 120° (рис. 254,6).
Действительно, пусть в момент ротор расположен так, как показано на рис. 254,а. Следовательно, в момент /, э. д. с. с; имеет амплитудное значение Emi (рис. 254,6).
Амплитуда э. д. с.е2 наступит тогда, когда ротор повернется ив угол 120°. Поэтому па графике амплитуда э. д. с. во второй обмотке Emt показана в тот момент, когда ротор повернулся на угол 120°, т. е. через одну треть периода.
Точно так же положительная амплитуда э. д. с. третьей обмотки Ещ3 наступит, когда ротор повернется еще на угол 120°, т. е. относительно момента на угол 240°. На графике ампли-г 2
туда э. д. с. Етз показана спустя у периода, т. е. со сдвигом ио фазе относительно амплитуды Emi на угол 240°.
Синусоиды э. д. с. вц е2, е3 можно показать, совместив их на одном графике (рис. 255).
На рис. 254,а показано, что каждая из обмоток генератора соединена двумя проводами с соответствующим приемником энергии. Всего для передачи энергии трем приемникам при таком включении требуется 6 проводов. Отдельные обмотки генератора и приемники электрически друг с другом не связаны— это несвязанная трехфазная система.
277
Обычно применяются связанные т р е х фазные систем ы, в которых обмотки генератора электрически соединяются друг с другом. Отдельные обмотки трехфазного генератора называются фазами обмотки генератора.
§ 2. СОЕДИНЕНИЕ ОБМОТОК ТРЕХФАЗПОГО ГЕНЕРАТОРА ЗВЕЗДОЙ
Существуют два способа соединения обмоток трехфазного генератора — соединение звездой и соединение треугольником (обмотки генератора схематически показывают в виде зигзагообразной линии). На рис. 256 показана несвязанная трохфазиая система, в которой от конца и начала каждой из обмоток генератора идут два провода к приемнику. Обычно три
Рис. 256. Несвязанная трехфазная система
провода, которые идут, например, к концам обмоток пене-ратора К, объединяют в один общий провод, образуя связанную трехфазную систему. Для передачи энергии трем приемникам в такой системе требуется четыре провода вместо шести, необходимых в несвязанной системе.
Сокращение расхода проводов увеличивает экономичность устройства липин передачи энергии.
При соединении обмоток генератора ввоз д ой концы обмоток соединяются друг с другом в общую точку (рис. 257); можно также соединить в общую точку начала обмоток, а концы их соединить с приемниками.
Три провода, идущие от обмоток генератора к приемникам 1, II и III, называются линейными проводами. Напряжение между любыми двумя линейными проводами называется линейным напряжением 11л.
Общая точка, в которую соединяются концы трех обмоток генератора, называется пулевой точкой. Провод, соединяющий нулевую точку генератора с нулевой точкой приемников, называется нулевым проводом.
Напряжение между любым из линейных проводов и нулевым проводом называется фазным напряжением^,
278
Фазное напряжение равно напряжению обмотки соответствующей фазы генератора. При нормальных условиях все лппбйные напряжения равны друг другу. Точно так же все фазные напряжения равны друг другу.
Фазные напряжения, которые равны э. д. с. соответствующих обмоток генератора, сдвинуты друг относительно друга на углы 120°. Поэтому их можно показать на векторной диаграмме тремя векторами, которые равны по величине и повернуты относительно друг друга па угол 120° (рис. 258). Точки схемы рис. 257и соответствующие им точки на векторной диаграмме рис. 258 обозначены одинаковыми буквами (О,А, В, С).
Например, напряжение первой фазы генератора, т. е. напряжение между точками О и Л на рис. 257, изображено на векторной диаграмме рис. 258 |ижтором О А.
Иснользуи векторную диаграмму фазных напряжений, легко вычислить линенпоп напряжение. Например, линейное напряжение между проводами / п II рацио пап рл щец ню между точками Л и В,
Рис. 259. Фазные и линейные напряжения
1’нс. 258. Векторная диаграмма фазных напряжений при соединении звездой
По паи ряжение между точками Л и В по векторной диаграмме (рис. 259) можно изобразить вектором, проведенным из точки В в точку А.
Напряжение между точками В а С можно изобразить вектором, г поди ноющим точки С и В, и соответственно напряжение между точками <' а А — вектором АС.
Треугольник АОВ на рис. 259 равнобедренный с углом при вершине 1 '?<• . Нели из точки О опустить перпендикуляр на вектор АВ, то получим 1очку II. Точка Н находится посредине вектора АВ.
279
Ин прямоугольного треугольника ОЛИ можно найти отрезок ЛИ.
АН = 0А-с,us 00°.
1 . I 3
Так как АНОА~Нф, a cos 30°=—^—, то
^ил=иф— или Uл= Г31^=1,Т.\иф.
Таким образом, при соединении звездой линейное напряжение в 1/3=1,73 раза больше фазного.
Приемники энергии можно включать или на фазное, или на линейное напряжение. Но для этого нужно прежде всего знать, насколько линейное напряжение отличается от фазного. В случае соединения звездой между фазным и линейным напряжениями имеется следующее соотношение:
Vд— рз иф или ил = 1,73 Uф.
При соединении звездой линейное напряжен ио в 1,73 раза больше фазного папряже-н и я. Это относится к любому из трех линейных и фазных напряжений при соединении обмоток генератора звездой и наличии нулевого провода.
Рассмотрим теперь силу тока п линейном проводе ив обмотке генератора, соединенной с этим проводом. Ток в линейном проводе называется линейным током Iл. Ток в обмотке генератора называется фазным током 1ф.
Так как линейный провод соединен последовательно с обмоткой генератора (например, точка А рис. 257), то становится ясным, что в них идет один и тот же ток.
Следовательно, при с о е д и и о и п и звездой линейный ток равен фазному току:
Н р и. м с р. Вычислить линейное напряжение и линейный ток, если фазное напряженно генератора, соединенного звездой, £/ф=127 в и фазный ток обмотки генератора /ф=10 а.
Решение. При соединении звездой 1/л—]/3 11ф, поэтому Uл=/3^ 127 = 1,73 • 127 = 220 в.
Линейный ток при соединении звездой равен фазному току. Поэтому
1л=1ф—10а.
§ 3. СОЕДИНЕНИЕ ОБМОТОК ГЕНЕРАТОРА ТРЕУГОЛЬНИКОМ
Соединение треугольником. Соединение треугольником осуществляется следующим образом. Конец обмотки первой фазы генератора присоединяется к началу обмотки второй фазы (рис. 260), конец обмотки второй фазы соединяется с началом
280
. м. и 1,11 третьей фазы и коней обмотки третьей фазы соединяется . началом обмотки первой фазы. Линейные провода присо-, । и и и и >тся к точкам соединения обмоток А, В и С. Обмотки ।, iii'pn ropa образуют замкнутый! контур, по пока к генератору ini подь: почены приемники, ток в обмотках генератора не проходи i Можно доказать, что сумма э. д. с., действующих в зам-1,п\ юм контуре, образованном обмотками генератора, равна IIVIIO.
Рис. 260. Соединение треугольником’
Для этого нарисуем синусоидальные графики трех э. д. с., равных по амплитуде и сдвинутых по фазе на угол 120° (рис. 261).
В момент tj э. д. с. ег равна нулю. Мгновенное значение э. Д. с. са по величине равно мгновенному значению ея и обратно ему
Рис. 261. Сумма трех равных синусоидальных э. д. с., сдвинутых по фазе на 120°, равна нулю
по знаку. Поэтому в момент tr сумма е1+е2-|-е3=0. В любой другой момент суммае14-й2Н-е3=(). Например, в момент г2 а. д. с. ех имеет положительное амплитудное значение (Ет), в в, д. с. е2 и е3 имеют одинаковые отрицательные мгновенные 111П1Ч1Ч1Ш1, по величине равные половине амплитуды (—^Ет) • Поэтому сумма
Таким образом, три синусоидальные величины (,> д. г. или токов), равные по амплитуде и сдвину
281
ты о по фазе на угол 120’, обладают том с помет в ом, что их сумма в любой момент равна п у л ю. <)то и позволяет соединить обмотки 1'опоратора треугольником. Следует помнить, что необходимо правильно соединить начала и концы обмоток. Если у одной из фаз переменить местами начало и конец, например у обмотки второй фазы (рис. 262), то соединение треугольником выполнить нельзя, так как мопеду точками 1 и 2 будет двойное фазное напряжение и их соединение между собой равносильно короткому замыканию.
Линейные и фазные величины. Возвратимся к рис. 260. Напряжение между двумя линейными проводами равно напря-
Рис. 262. Прп неправильном треугольнике напряжение между точками 1 и 2 не равно нулю
жепию соответствующев обмотки генератора: следовательно, при соединении треугольником линейное напряжение рай но фазному напряжению:
При подсоединении к генератору приемников энергии, как показано на рис. 263, требуется всего лишь три провода. Ток 1Л,
Рис. 2G3. Линейные н фазные токи
идущий по линейному проводу, в точке разветвления (например, в точке Л) складывается из токов двух фаз. Если нагрузка на каждую из фаз генератора одинакова, то фазные токи, про- , текающие по обмоткам генератора, одинаковы по амплитуде, а по фазе сдвинуты на угол 120°.
Условимся принимать за положительное направление тока, каждой фазы его направление от начала обмотки к концу.
Покажем направление этих токов в линейных проводах. Как видно, по линейному проводу I проходят токи 1ф)1 и 1Фз во взаимно противоположных направлениях, в проводе II— токи 1фз и 1Ф* и т. д. Следовательно, в каждом
282
чиненном проводе ток равен разности Ф а з н ы х то к о в.
Гак как фазные токи сдвинуты но физе на угол 120°, т. е. "и.чыпе чем на 90°, то их разность оказывается по величине дольше, чем каждый из токов, в 1,73 раза.
Кри соединении 'треугольником и одина-новых токах "фаз обмотки генератора линейный ток в 1,73 раза больше фазного тока:
Л=1-73^.
Пример 1. Обмотки генератора соединены треугольником. Фазное напряжение генератора £7^=127 в; токи в обмотках генератора 7^=10 а. Определить линейное напряжение н линейный ток.
Решение. При соединении треугольником линейное напряжение равно фазному. Поэтому
^=^=127 в.
Линейный ток равен фазному току, умноженному на ]/3:
7^=1,73-10=17,3 а.
И рнмер 2. Найти ток фаз генератора, если известно, что линейные loKii равны 22 а, обмотки генератора соединены троугольви КОМ.
/' е ш е и и е.
|| 4. ВКЛЮЧЕНИЕ ПРИЕМНИКОВ В СЕТЬ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
В предыдущем параграфе мы видели, что передачу энергии трехфазного тока к приемникам можно осуществлять, пользуясь тремя или четырьмя проводами.
В связи с этим различают две системы передачи энергии •I рехфазного тока: 1) трехлроводпая система, когда приемники соединяются с генератором при помощи трех проводов; 2) четырех проводная система, когда приемники соединяются с генератором при помощи трех линейных проводов и нулевого провода.
'Грехпроводная система может быть выполнена присоединении обмоток генератора как треугольником, так и звездой.
Для осуществления четырехпроводной системы обязательно требуется соединение обмоток источника тока звездой । выводом от нулевой точки.
Четырехпроводная система. При четырехпроводной системе приемники могут быть присоединены к фазному или линей
283
ному напряжению. На рис. 2СИ показана четырехпроводпап (истома, в которой линейное напряженно /7Л=22() с, а фазное напряжение
ГТ и, 220 ,
" 1773 = 1Z7e-
Первая группа приемников (а) соединена звездой. Па зажимы каждого из приемников первой группы подводится фазное напряжение. Так приемники включаются тогда, когда каждый
Рис. 264. Включение приемников на линейное и' фазное напряжения:
а _ приемники, соединенные звездой; б—приемники, соединенные треугольником
из них предназначен для работы при напряжении, равном фазному напряжению. Например, если лампы накаливания рассчитаны на напряжение 127 «, то их следует включать между пулевым и линейным проводами.
Приемники второй группы (б) соединены треугольником, причем к каждому вз приемников подводится линейное напряжение. Например, если лампы накаливания рассчитаны на напряжение 220 в, то в рассматриваемом случае их следует включать треугольником.
При подключении приемников всегда следует стремиться к тому, чтобы токи фаз генератора были одинаковы или, как говорят обычно, нагрузки на фазы должны распределяться равномерно. Одни виды приемников создают равномерную, другие—неравномерную нагрузку фаз. Равномерную нагрузку фаз создают трехфазные приемники, например трехфазные двигатели. Осветительные лампы создают обычно неравномерную нагрузку фаз, так как они включаются и выключаются независимо друг от друга, и поэтому мощность одновременно включенных ламп в различных фазах бывает неодинаковой. Нагрузка на фазы считается равномерной тогда, когда величины
284
...шостей и коэфициенты мощностей приемников всех трех 'I । одинаковы (рис. 265,а).
При равномерной нагрузке фаз и соединении приемников зв&здой необходимость ।: пулевом проводе отпадает, так как ток и нулевом проводе равен нулю. Чтобы убедиться н этом, следует нарисовать синусоидальные графики фазных iokob, равных по величине и сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол 120°, и сложить мгновенные значения, так как «ок в нулевом проводе равен сумме фазных токов (рис. 265,6). I Сак мы знаем, сумма трех синусоидальных величин, сдвинутых
Рис. 265. При равной нагрузке ток в пулевом проводе равен нулю
по фазе па угол 120° относительно друг друга и одинаковых по амплитуде, раина нулю. Если нагрузка на фазы неравномерна, ток в нулевом проводе по ранен пулю, в чем можно убедиться, если проделать сложение трех синусоидальных величин, сдвинутых на углы 120 ' по фазе, по по одинаковых по амплитуде.
При неравномерной нагрузке фаз и соединении приемников звездой в нулевом проводе проходит ток. Поэтому четырехпроводная система всегда применяется при питании ламп накаливания, । издающих неравномерную нагрузку фаз. Обычно неравномерность нагрузки фаз не очень велика, поэтому ток в нулевом проводе меньше линейного тока. Это позволяет выбирать сечение нулевого провода меньше сечения линейных проводов.
При включении приемников треугольником к чотырохпро-нодной сети неравномерность нагрузки фаз но оказывает влиянии пн величину напряжения приемников. Каждый из приемников включен на линейное напряжение, которое остается постоянным по амплитуде, независимо от величины нагрузки других фаз.
В нулевой провод не ставятся предохранители, так как при расплавлении предохранителя провод оказывается разорванным, и это может создать ненормальность работы потреби-ic.ueii.
285
’Iтобы убедиться и атом, рассмотрим пример. На рис. 26G покапана четырехпроподпая система, и нулевом проводе которой стоял плавкий предохранитель между точками 1 и 2, расплавившийся при аварии приемника zv подключенного к первой фазе.
До аварии на всех приемниках было фазное напряжение £7^=127 в. Поело аварии, когда нулевой провод оказался разорванным и нагрузка первой фазы была отключена, приемники z2 и z3 оказались последовательно соединенными и к ним приложено напряжение U—220 в. Если мощности приемников
z2n z3 одинаковы, то к ним будут приложены одинаковые напряжения. Поэтому па каждый из них приходится половина линейного напряжения:
и,=и3=^~=Шв.
Следовательно, режим этих приемников изменился, напряжение на них стало меньше номинального.
Если бы в пулевом проводе не было предохранителя, он не оказался бы разомкнутым, нулевая точка приемников О была бы соединена с пулевой точкой генератора и напряжение на приемниках z2 и z3 осталось бы равным 127 в.
Однако могут быть и более тяжелые последствия обрыва пулевого провода. Например, пусть сопротивления приемников z2 и z3 неодинаковы: z3=3z2. После обрыва нулевого провода и отключения приемника zt линейное напряжение Uл — =220 в оказалось приложенным к z2 и z3 — через них идет одинаковый ток I.
Падение напряжения на приемнике z2:
U 7z2.
Падепио напряжения на приемнике z3:
£73=/z3=/•3z2=3772.
Таким образом, напряжение U3 в три раза больше напряжения U2.
286
Tait J сак
и.2+ия^и2+‘ли.^и^
то
а (Л А-220-165 в.
i 4 ’ а 4 4
К приемнику z3 окапалось приложенным напряжение 165 в вместо номинального 127 в, что может привести к аварии приемника г.л: к перегоранию питой ламп накаливания и т. д.
Рис. 267. Замыкание одной из фаз на землю
Иногда нулевой провод трехфазной системы заземляют, для того чтобы потенциал любой точки системы относительно земли не был больше фазного напряжения генератора. Если, например, нулевой провод системы (рис. 267) заземлить, то напряжения линейных проводов отпосителыго земли не будут превышать 220 в.
Если же при незаземленной нулевой точке произойдет короткое замыкание одной из фаз на землю, то напряжение нулевой точки будет равно фазному напряжению обмотки 3 генератора.
Провода линий I и II по отношению к земле окажутся под напряжением 6^=380 в, что увеличит опасность прикосновения к ним.
Трехпроводная система. Рассмотрим трехпроводную систему, показанную на рис. 268. Обмотки генератора при этом могут быть соединены треугольником или звездой без вывода нулевого провода. Приемники включаются треугольником, если они рассчитаны на линейное напряжение; так, например, включаются лампы накаливания. Звездой могут быть включены только трехфазные приемники с равномерной нагрузкой фаз.
Если трехфазный двигатель имеет обмотки, рассчитанные на работу при напряжении в |/3 раз меньше линейного напряжения, то обмотки такого двигателя можно соединить звездой.
287
Па каждой из обмоток треагфыиого двигателя будет фазное напряжение, которое при соединении звездой в )/3 раз меньше- линейного.
Пример!. Определить схему соединения обмоток трех-фазпого двигателя при подключении к соти с линейным напряжением 380 в. Каждая из обмоток двигателя рассчитана па напряжение 220 с.
а 6
Гис. 268. 'Грехпроводная система: а — о'шофазшле приемники; б—трехфазный приемник, создающий равномерную нагрузку
Решение. Напряжение, на которое рассчитана обмотка двигателя (220 в), в ]/‘3 раз меньше линейного напряжения, 380
так как 220=-^=- Поэтому обмотки двигателя следует соединить звездой.
Н р и м е р 2. Обмотки двигателя рассчитаны на напряжение 220 в. Как следует включить двигатель, если он должен работать от сети, имеющей линейное напряжение 220 е?
Р е ги е н и с. Так как рабочее напряжение обмотки двигателя равно линейному напряжению, то двигатель следует подключить, соединив его обмотки треугольником (рис. 269).
Соединение звездой неодинаковых однофазных приемников, рассчитанных на напряжение в ]/3 раз меньше линейного напряжения питающей их трехпроводной системы, недопустимо.
Так как в трехпроводной системе нет нулевого провода, то при соединении приемников звездой напряжение на них будет неодинаковым. Па тех приемниках, сопротивление которых велико, напряжение будет больше номинального, а на приемниках с малым сопротивлением напряжение будет меньше номинального
288
17 ример. Три лампы накаливания мощностью Pt = 100 ст, 7'3=40 вт, =300 вт рассчитаны па напряженно 127 в каждая. Можно ли, соединив их звездой, подключить к трехпроводной системе с линейным Напряжением Ut—22Q о?
Решение. Так как лампы имеют разную мощность, то их сопротивления неодинаковы, и подключить их к сети, соединив звездой, нельзя (при таком включении па лампе мощностью 40 вт будет напряжение больше 127 в, и она перегорит). Соединить лампы треугольником и подключить к сети также нельзя, так как тогда на каждой лампе . будет напряжение 220 в вместо номиналь- ~~— |
пых 127 в. гг° в_____________
Для присоединения приемников к трех- J
фазной сети необходимо придерживаться -----1-------------
следующих правил: А А А
1) приемники, имеющие номинальное т Т Т
напряжение, равное линейному напряже- А
нию сети, соединяются треугольником. 2Г /2 При этом их можно подключать как ^7
к трехпроводной, так и к четырехпро- 5^ водной системе; "AaWW*
2) приемники, имеющие номинальное Рис. 269. Соединение напряжение в j/З раз меньшее линейного трехфазного прием-напряжения, соединяются звездой. Сооди- г * нение приемников звездой при подключении к трехпроводной системе допускается лишь при условии равномерной нагрузки фаз. Такими являются трехфазпые приемники, например трехфазные двигатели;
3) приемники, соединенные звездой, с неравномерной нагрузкой фаз можно подключать только к чотырехпроводвой системе (с нулевым проводом). При этом нулевая точка приемников обязательно соединяется с нулевым проводом. Такими приемниками являются лампы накаливания (осветительная нагрузка) и различные бытовые нагревательные приборы;
4) в нулевой провод не ставятся плавкие предохранители. Нулевой провод иногда заземляется для того, чтобы при коротком замыкании одного из приемников на землю напряжение на других приемниках не повышалось относительно земли;
•г>) линейные провода обязательно защищают плавкими предохранителями.
§ 5. МОЩНОСТЬ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
Активная мощность. Мощность, потребляемая нагрузкой) включенной в сеть трехФазного тока, равна сумме мощностей i n дельных фаз. Активная мощность каждой фазы равна произведению фазного напряжения, фазного тока и коэфициента мощности приемника этой фазы.
|!) Электротехника
289
Если нагрузка фаз неравномерная, то мощности фаз неодинаковы и их следует вычислять каждую отдельно:
мощность первой фазы Р1ф—U^I^ cos <рх;
мощность второй фазы P^=U^I^ cos<p2;
мощность третьей фазы Рзф~и3ф13ф cos <р3.
Суммарная мощность всех трех фаз:
Р~ Р1фЛ- Р^ф + Р^ф =
=и1ф11ф cos <рх4-и2ф12ф cos cos ср3.
Пример!, Приемники включены звездой. Линейное напряжение четырехпроводной сети U,=220 в. Сопротивления приемников и коэфициенты мощности приемников: Zj=10 ом, coscp1=0,8; z2=15 ом, cos<f>2=0,9; z3=12 ом, costp3=0,6. Определить полную мощность.
Решение. Определим токи каждого из приемников.
Так как нулевой провод есть, то все фазные напряжения равны друг другу:
t/„=-^ = gi = 127«. .
Ток нерпой фазы
I —U# — -27 —12 7 и Zj — 10 ~а'
Активная мощность первой фазы
Р-1ф=иcos cpj = 127 • 12,7-0,8 = 1290 вт.
Ток второй фазы , Чф 127 „ 1чф^~г\ "Т.Т = 8>47 а'
Активная мощность второй фазы
Ргф=иф12ф cos <ра=127-8,47-0,9=970 вт.
Ток третьей фазы
^=^ = ТГ = 10’6а-
Активная мощность третьей фазы
Рзф=иф1зфcos?з=127-10,0-0,6=810 вт.
Мощность всех трех фаз
^^+^+/^=12904-970+810=3070 <?т=3,07 кет.
290
Пример 2. Приемники соединены треугольником. Линейное напряжение Йл=220 в; z1—20 ом, cos ^=0,8; z.{=22 ом, coscp2 = l,0; z3 = 12,7 ом\ coscp3 = 0,9. Найти мощность всех Трех фаз.
Р е ш е н и е . При соединении треугольником U 1ф=и 2ф = зф=и л-
Ток первой фазы
_^_220_и Z1 20 ~~ а‘
Мощность первой фазы
Р-1Ф~и<Ь Лфcos91—220-И -0,8 = 1936 вт.
Ток второй фазы
I —————Юа za " 22 ~и а‘
Мощность второй фазы
Р2ф=Пф12ф cos сра=220-10-1,0=2200 вт.
Ток третьей фазы
Мощность третьей фазы
Р,ф-иф1.лф сон ?3 = 220-17,3 -0,9=3120 вт.
Мощность трех фаз
Р=Р1^+Р^+Р3е6= 1936-1-2201).|-3120 7356 ат.
Если нагрузка равномерна, т. е. z1=z. = z!,=z и сон <р, -в =cos <p2=cos <p3=cos ср, то по величине токи всех фаз одинаковы, т. е. / 1(й=72ф—1 зф=1ф, фазные напряжения также одинаковы. Следовательно, мощности отдельных фаз равны друг другу:
Р1Ф — Р%ф ~Рзф~ Рф—Uф!ф cos 9 •
Поэтому мощность трехфазной системы при равномерной нагрузке фаз следует вычислять, как утроенную величину мощности одной фазы:
P=3P^=3t/(/,Z^coscp.
При равномерной нагрузке фаз мощность т р е-х фазной системы равна утроенному произведению фазного напряжения п а фазный ток и на коэфициент м о щ ноет и.
Фазные значения напряжения и тока нри равномерной нагрузке можно выразить через линейное напряжение и ток.
19*
291
При соединении приемников звездой
ил=Узи.ф- 1лг.-1ф.
Подставляя в формулу мощности вместо ого значение U
Uи вместо 1сб линейный ток IАУ получим
V 3
^=3^/0 cos ср=з Р^ЛСО8СР’ т. е.
Р=у’3ил 1Д cosep.
При соединении приемников треугольником
ил=иф- 1д--=]/31ф.
Поэтому, заменяя фазные токи и напряжения через линейные значения, получим
Р=3£Л -1-cos ср, УЗ
т. е.
Р I :'’0\/л COSCp.
Мощность трехфазного тока при соединении треугольником или звездой выражается формулой
P = l/'3C/J^coscp,
Мощность трехфазного тока при равномерной нагрузке фаз в ]/3 раз больше произведения ли цепного напряжения на линейный ток и на коэфициент мощности.
//ример 1. Фазное напряженно сети равно 127 в. Определить мощность трех приемников с одинаковыми коэфициен-тами мощности cos гр 0,7 и coitpoi пилениями z = 10 ом, соединенных звездой.
Решена е. Нагрузка фаз равномерная, поэтому
P=‘3Uф!ф cosy —3[7ф^ cos ср= 3 ^7- -0,7 = 3400 em=3,4 кет.
Пример 2. Линейное напряжение сети равно 220 в; линейные токи оказались во всех трех фазах одинаковыми: 7Л=15 а. Определить мощность всех приемников, если известно, что к сети присоединены только лампы накаливания.
Решен и е. Так как лампы накаливания являются активной нагрузкой, то cos ср=1. Мощность, потребляемую всеми лампами, можем вычислить по формуле
Р—УЗ Uд1д cos if—уЗ-220-15-1 = 5730 em=5,73 кет.
292
ПримерЗ. Определить коэфициент мощности приемников, равномерно нагружающих трохфазную сеть с линейным напряжением Uл=380 в.
Известно, что активная мощное1!!., потребляемая от сети, /’=6 кет, а линейный ток I =12 а.
Решение. Из формулы Р= j/3 Uл1 л сов <р находим;
Кажущаяся мощность. Кажущаяся мощность трехфазного тока при равномерной нагрузке фаз может быть вычислена по формулам
Рк=ЪРКф=Жф1ф.
Если известны линейный ток и линейное напряжение, то pk=V^uj^
Эта формула верна как при соединении приемников треугольником, так и при соединении звездой при условии, что нагрузка фаз равномерная. Поэтому в цепи трехфазного тока, как и н цепи однофазного тока,
Ра=3РЛф '<»» ? ₽ ™ф 1ф ('<’8 <р =У3 UЛ1Л cos
Пример 1. Определить активную мощность, если из-нестно, что сеть нагружена равномерно, приемники соединены звездой и коэфициент мощности сов ср =0,7.
Кажущаяся мощность каждого приемника равна Ркф = *.-1000 ей.
Р е. ш е и и е.
Ра—ЗРкф cos <р=3-1000-0,7=2100 в?п=2,1 кет.
П р и м е р 2. Определить наибольшую мощность, кото-11\ ю можно получить от трохфазпого генератора, если известно, в и. его фазная обмотка можот быть нагружена током Гф=25аи напряжение Пф=127 в.
/’ с in е и и с. Наибольшая кажущаяся мощность гено-рак>ра
/’,^3/7^=3.127.25 = 9550 еЯ=9,55 ква.
Наибольшую активную мощность от генератора можно ни зучить при cos <р=1:
Ра = Рк cos <р = 9,55 • 1 = 9,55 кет.
2(13
.7ЛДЛ7/Г ДЛЯ УПРАЖНЕНИЙ
1. Обмотки трохфазпого генератора соединены звездой. Определить фазное напряжение, если линейное напряженно 17л=220 в.
О т « е. т: 127 в.
2. Определить, какое будет линейное напряжение, если генератор, соединенный звездой, соединить треугольником. До пересоодипеппя линейное напряжение равно 380 в.
Ответ'. 220 в.
3. Определить ток обмотки фазы равномерно нагруженного генератора, соединенного треугольником, если линейный ток 7Л=65 а.
О т в е т: 37,5 а.
4. Определить сопротивление одного приемника, если три одинаковых приемника, соединенных звездой, подключены к сети 380 в и линейный ток ранен 22 а.
Ответ: 10 ом.
5. Три одинаковых приемника (z=15 ом) соединены звездой. Ток приемника 1$ =8 а. Найти линейное напряжение и линейный ток.
Ответ: Uл =208 в, I л =8 а.
6. Три одинаковых приемника соединены треугольником. Ток приемника 1ф =12 а, сопротивление z=10,6om. Найти линейное напряжение и линейный ток.
Ответ: 77л=127 в, 7., =20,8 а.
7. Найти суммарную мощность трёх приемников, соединенных звездой. Сопротивление одного приемника z=14 о.м; cos у =0,75; линейное напряжение Uл =- = 380 в.
Ответ: 7,7 i.ein.
8. Трсхфазиап систем,ч нагружена равномерно и соединена треугольником. Ваттметр, включенный для измерения мощности одной фазы, показывает 18 книг Найти cos <р, если известно, что линейное напряжение ил =220 в и линейный ток 1Л =51,9 а.
О т в е т: 0,91.
9. К четырехпроводной сети трехфазного тока с линейным напряжением Uд =220 в требуется подключить пять ламп накаливания мощностью по 300 вт, 5 ламп мощностью по 200 вт и 10 ламп мощностью по 40 вт. Номинальное напряжение всех ламп 127 в. Составить схему включения ламп, добившись по возможности равномерной нагрузки фаз.
10. К сети, указанной в предыдущем примере, требуется подключить 3 лампы мощностью по 500 вт и 6 ламп мощностью по 150 вт. Составить схему включения ламп, добившись равномерной нагрузки фаз, и рассчитать фазную силу тока, геля номинальное напряжение ламп 220 в.
О т <i е in: I 3,63 и.
11. .Нампы накаливания были соединены звездой к сети 380 в, сеть была нагружена равномерно. Определить напряжение на оставшихся включенными лампах, если нулевой провод и один из линейных проводов оказались разомкнутыми.
12. Обмотки фаз трехфазного двигателя кинопроектора СК П-26 рассчитаны на напряжение 220 в. Определить схему включения обмоток двигателя, если его нужно подключить к сети: а) с линейным напряжением 220 о; б) с линейным напряжением 380 в.
§ 6. РАСЧЕТ ПРОВОДОВ ОДНОФАЗНЫХ И ТРЕХФАЗНЫХ ЛИНИЙ
Расчет проводов для передачи энергии переменного тока производится по допустимому нагреву и допустимой потере напряжения. Для определения сечения провода из условий пагрева следует пользоваться табл. 2 допустимых нагрузок па провода, приведенной в главе IV.
294
Расчет проподоп линии переменного топа по допустимой потере па-прижонип отличается от расчета проподоп при постоянном токе.
При переменном токе необходимо учитывать влияние сдвига ио фазе между напряжением и током приемников. Можно считать, что провода, расположенные внутри зданий, обладают только активным сопротивлением, которое практически равно омическому сопротивлению. Если длина проводов 1м, сечение б'.м.и2 и удельное сопротивление р, то
Однофазная линия. Па рис. 270 показан генератор переменного тока, линия и приемник энергии сопротивлением Z ом.
Пусть с помощью вольтметров V1 и V„ измерено напряжение в начале линии U1 и в конце линии U2.
За счет падения напряжения в линии U2 меньше, чем U1,
Рис. 270. Однофазная линия
Арифметическая р а з н о с т ь и а п р я ж е и и я в начале л н и и и п и конце линии н а з ьгв а е т с я и о т е-р е й и а и р я ж с и и и и л и и п и:
Af/^Г/,
Потеря напряжении в липни но равна пндеппю напряжения па сопротивлении линии, если имеется сдвиг но фане между напряжением и током, т. е. cos <f приемника пе равен единице. Поэтому при определении сечения провода должен быть учтен коэфициент мощности приемника.
Если известны допустимая потеря напряжения в линии A Udon, длина линии I, сила тока I и коэфициент мощности приемника cos р, то сечение провода находится по формуле
2Zpi cosep
Если допустимая потеря напряжения в линии задана в процентах А Г/% и известно номинальное напряжение линии U, то, подставляя значение A U% в предыдущую формулу, найдем, что
200 ZpZ cos <р
ДГ7%-Г7 ‘
{I р и м е р. Требуется выбрать провод однофазной линии с номинальным напряжением 220 в, мощность нагрузки Р—6 кет, коэфициент мощности cos if =0,7, длина линии НО м, допустимая потеря напряжения и линии 5%; р=0,0175 (для медных проводов).
Решение. Сначала определим ток нагрузки. Так как Р— UI cos ср, то
Р 6000
и cos <р — 220-0,“•
295
Требуемое сечопие провода найдем по формуле 200/p/coscp 200.39-0,0175.110.0,7 „ ,, Л=-м7%.7Г-^--------------------5-.220—=9’6 мм-
По таблице стандартных сечений проводов выбираем провод сечением 10 леи2 с допустимым током 60 а.
Трехфазная линия. При расчете проводов трехфазиых линий обычно считают, что нагрузка равномерная, и сечение трех линейных проводов берут одинаковое.
Сечение провода по допустимой потере линейного напряжение A Uл вычисляется по формуле
КЗ 1лр1 COS ср
ьил
Этой формулой следует пользоваться и в тех случаях, когда приемники соединены треугольником.
Если потеря напряжения задана в процентах А ил% и известно номинальное линейное напряжение, то сечение провода может быть найдено но формуле:
5= 11^^.100.
&ил%-ил
Пример. Требуется выбрать провода для устройства трехфазной линии напряжением 220 в длиной 100 м. Известны линейный ток 1Л =20 а и коэфициент мощности приемника cos 7 = 0,8. Допустимая потеря напряжения в линии 4%, р— 0,0175.
п ГЗ/лр/cos <р-100 1,73-20.0,0175-100-0,8-100 __ .
—д<%-^—“-------------------4Т220---------=5’5 мм •
По таблице стандартных сечений находим ближайшее сечение провода 5=6 .мл*2, допускающего нагрузку током 35 а.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ XII
1. Дайте определение трехфазного тока.
2. Расскажите, как устроен и работает генератор трехфазного тока.
3. Нарисуйте синусоидальные графики трехфазного тока.
4. Как выполняется соединенно звездой?
5. Какой провод называете)! пулевым?
6. Как вычислить линейное напряженно и линейный ток, зная фазные величины иапрнжопин и тока при соединении звездой и равномерной нагрузке фаз?
7. Как выполняется соединение треугольником?
8. Как вычислить линейные токи и напряжения, зная фазные величины при равномерной нагрузке и соединении треугольником?
9. Почему при неравномерной нагрузке фаз и соединении приемников звездой необходим нулевой провод?
10. Какая система трехфазного тока называется четырехпроводной и трехпроводной?
11. Как вычислить мощность трехфазной системы при неравномерной нагрузке фаз?
12. Как вычислить мощность трехфаэной системы при равномерной нагрузке фаз, зная величину фазного напряжения и фазного тока?
13. Как вычислить мощность трехфазнэй^ системы по линейному напряжению и линейному току при равномерной нагрузке фаз?
14. Что случится, если при соединении обмоток трехфазиого генератора треугольником неправильно присоединить начало и конец одной из обмоток?
296
Глава XIГ Г ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ 1. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
В цепях переменного тока для измерения напряжения и силы тока пользуются приборами электромагнитной пли электродинамической системы. Приборы тепловой системы применяются редко. Приборы магнитоэлектрической системы, как уже говорилось, для измерении в цепях переменного тока непригодны.
В цепях переменного тока измерительные приборы всегда показывают действующее значение напряжения или силы тока.
Основные правила при пользовании амперметрами и вольтметрами переменного тока такие же, как и при измерениях в цепях постоянного тока (см. главу IX). Амперметр включается лослодопнтольло в цепь, а вольтметр — параллельно к тем точкам, между которыми требуется измерить напряжение.
Для расширения пределов измерения амперметров переменного тока шунтами не пользуются. Амперметры электромагнитной системы могут быть изготовлены для измерения токов 100 а и больше. В киноустановках обычно приходится измерять переменный ток меньше 100 а. В тех случаях, когда все же требуется расширить пределы измерения амперметра, пользуются измерительными трансформаторами тока (рис. 271). Трансформатор представляет собой замкнутый железный сердечник, на котором намотаны две изолированные друг от друга обмотки: первичная и вторичная w2. Обмотки имеют разные количества витков.
Если по первичной обмотке проходит переменный ток, то и сердечнике возникает переменный магнитный поток, который пронизывает витки вторичной обмотки и индуктирует в них алоктродвижущую силу.
Если к вторичной обмотке подключить приемник, то через пего пойдет переменный ток. Трансформатор обладает тем свойством, что токи в первичной и вторичной обмотках обратно пропорциональны числам витков обмоток» •
11 _ ®2
Z, '
207
Включение амперметра через трансформатор тока показано на рис. 272. Первичная обмотка трансформатора тока имеет меньше витков и включается последовательно в цепь измеряемого тока. Вторичная обмотка включается па амперметр.
Сила тока через амперметр /2 меньше, чем сила измеряемого тока 1\, во столько раз, во сколько число витков первичной обмотки меньше числа витков вторичной обмотки:
/2=/^.
2 1 w2
Если, например, ю2=100 витков, a w1=5 витков, то
/ — / .——А /
2 с 100 20
Если амперметр рассчитан па ток 5 а, то сила измеряемого тока может быть равна: 71=20 72=20-5=100 а.
Рис. 271. Измерительный трансформатор тока и его схема
Обычпо числа витков подбирают так, чтобы ток во вторичной обмотке был не больше 5 а, т. е. к трансформатору тока подключается амперметр со шкалой 5а. Включение трансформатора тока позволяет безопасно измерять силу тока в сети высокого напряжения. Так как вторичная обмотка изолирована от первичной и обязаюльпо заземляется, случайное прикосновение к амперметру не опасно.
При пользовании трансформатором тока нужно следить за тем, чтобы вторичная обмотка была замкнута на амперметр или накоротко. При размыкании вторичной обмотки в ней возникает большое напряжение. Это происходит потому, что при размыкании вторичной обмотки сильно возрастает магнитный поток. Вместе с этим сильно увеличивается э. д. с. вторичной обмотки трансформатора, что опасно для жизни обслуживающею персонала. При замкнутой вторичной обмотке магнитный по!ок мал, гак как ток вторичной обмотки по правилу Ленца оказывает размагничивающее действие на сердечник.
2Й8
Для расширения пределов измерения напряжения применяют измерительные трансформаторы н а п р я ж с н и я. С помощью трансформатора можно понизить напряжение, подводимое к вольтметру.
Для этого первичная обмотка трансформатора напряжения выполняется с большим числом витков и подключается вместо волы метра параллельно к точкам, между которыми необходимо измерить напряжение.
Вторичная обмотка трансформатора напряжения имеет меньшее число витков, и к ней присоединяется вольтметр (рис. 273).
Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора во столько же раз меньше напряжения на зажимах первичной
1’пс, 272. Включоипо амперметра < трансформатором топа
Рис. 273. Включение вольтметра с трансформатором напряжения
обмотки, во сколько раз число пигкоп вторичной обмотки меньше числа витков первичной обмопси:
U i а>1"
Если, например, необходимо измерить напряжение сети иу =1000 в вольтметром, рассчитанным на напряжение t72= =100 в, то следует взять трансформатор с числом витков первичной обмотки в у^=10 раз большим числа витков вторичной обмотки: например, Wj =5000 витков, сО2=500 витков.
Таким образом, при пользовании трансформатором напряга, жепия пределы измерения увеличиваются в раз.
Благодаря понижению напряжения и хорошей изоляции вторичной обмотки от первичной применение трансформатора предохраняет обслуживающий персонал от поражения током высокого напряжения. Один из концов вторичной обмотки трансформатора напряжения заземляется, чтобы случайное прикосновение к вольтметру не было опасным для жизни.
299
g 2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ИНДУКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Для измерения мощности и главным образом энергии переменного тока используются ваттметры и счетчики электрической энергии индукционной системы.
Внутри индукционного счетчика (рис. 274) укреплены два электромагнита 1 и 2. В пространство между полюсами магнитов входит плоскость легкого алюминиевого диска 5, укреп-- лонного на оси 4. Ось диска с помощью червячной передачи 6 передает вращение счетчику числа оборотов 7. Диск проходит
также между полюсами постоянного магнита 3, который служит для создания тормозящего момента.
Обмотка электромагнита 1 выполняется из толстого провода с небольшим числом витков. Эта обмотка включается в цепь последовательно с приемником. Обмотка электромагнита 2 выполняется тонким проводом и имеет большое число витков. Она включается параллельно приемнику. Таким образом, через одну из обмоток счетчика проходит приложено напряжение,
ток приемника, а к зажимам другой
подведенное к приемнику.
Каждый из электромагнитов создает переменный магнитный поток, пронизывающий алюминиевый диск. При этом в диске возникают вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитными потоками электромагнитов. Благодаря специальному расположению электромагнитов это взаимодействие получается таким, что диск приходит во вращение. Сила, вращающая диск, пропорциональна мощности переменного тока. Поэтому и вращающий момент пропорционален мощности:
P=UI cos ср.
При движении алюминиевого диска между полюсами постоянного магнита в диске возникают дополнительные вихревые токи. Взаимодействие этих токов с постоянным магнитом согласно правилу Ленца тормозит вращение диска. Чем быстрее вращается диск, тем больше сила его торможения.
300
Скорость вращения диска становится постоянной тогда, когда момент вращающей силы уравновешивается тормозящим моментом, при этом скорость вращения диска индукционного счетчика оказывается прямо пропорциональной мощности приемника.
Счетный механизм с помощью червячной передачи измеряет число оборотов диска, т. е. величину, пропорциональную произведению мощности на время. Поэтому число оборотов диска прямо пропорционально электрической энергии, израсходованной приемником.
Зная число оборотов, сделанных диском за определенный промежуток времени, можно судить о количестве израсходованной приемником энергии за то же время. Показания счетчика на циферблате указывают расход энергии в гектоватт-часах или киловатт-часах.
Рис. 275. Включение ваттметра и счетчика
Индукционные ваттметры принципиально устроены так же, но в них взамон счетчика оборотов на оси прибора укреплена стрелка, а противодействующая сила создается спиральными пружинами, ('трелка прибора отклоняется на угол, по величине которого может быть найдена мощность приемника. Приборы индукционной системы допускают значительные перегрузки, механически прочны и надежны.
Точность индукционных приборов сравнительно невелика — 2—3 % (некоторое влияние на точность их показаний оказывают изменения температуры окружающей среды и изменения частоты сети).
Схема включения обмоток ваттметра, и счетчика показана на рис. 275. Обмотка тока показана толстой зигзагообразной линией, а обмотка напряжения — тонкой зигзагообразной линией. Один зажим обмотки тока и один зажим обмотки напряжения помечаются звездочками. Зажимы соединяются можду собой проводником и называются генераторными зажимами. Это название показывает, что генераторные зажимы должны быть включены со стороны источника тока (а два другие подключаются со стороны приемника). На зажимах прибора также ставятся значки I—у токовой обмотки и V—у обмотки напряжения.
Если генераторвгые зажимы включены не со стороны источника тока, то стрелка ваттметра будет отклоняться в обратную сторону.
Для измерения энергии трехфазного тока применяются
301
двухэлементные и трехэлементпыо счетчики. Двухэлементный счетчик состоит из двух одинаковых однофазных счетчиков, расположенных в общем кожухе. Диски обоих счетчиков укреплены на одной оси (рис. 276). Иногда два счетчика имеют один
Рис. 276. Двухэлементный счетчик
Гис. 277. Двухэлементный счетчик с общим диском
общий алюминиевый диск (рис. 277). Обычно счетчики измеряют активную энергию. Для измерения реактивной энергии применяют специальные индукционные счетчики реактивной энергии.
§ 3. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Измерение мощности однофазного тока. Для измерения мощности переменного тока применяются индукционные или электродинамические ваттметры.
Как мы знаем, обмотка тока этих приборов включается в цепь последовательно, а обмотка напряжения — параллельно (рис. 275 и 278). Стрелка ваттметра показывает активную мощность цепи в ваттах.
Обычно ваттметры рассчитаны на непосредственное измерение мощности до 500 или до 750 вт. Для расширения пределов измерения применяют трансформаторы тока и напряжения (рис. 279). Вторичная обмотка трансформатора тока включается на токовую обмотку ваттметра, а вторичная обмотка трансформатора напряжения — па обмотку напряжения ваттметра.
Если за счет трансформатора тока пределы измерения тока расширяются в раз, а за счет трансформатора напряжения 302
пределы измерения напряжения расширяются в К2 раз, то измеряемая мощность равна показанию ваттметра, умноженному на произведение
P~KXK2PW.
Пример. Ваттметр, включенный для измерения мощности через измерительные трансформаторы тока и напряже-
От источника питании Л приемники
Рис. 278. Включение ваттметра
6,6 к!
Рис. 279. Включение ваттметра через трансформаторы тока и напряжения
нпн, показывает мощность Pw=450 ет. Определить действи-i ильную величину измеряемой мощности, если трансформатор пша расширяет пределы измерения в 10 раз, а трансформатор ни пряжения — в 2 раза.
Р е ш е ни е. Действительная мощность:
P^KjK^w^lQ-2-450 = 9000 етп = 9 кет.
303
Измерение энергии однофазного тока. Для измерения энергии однофазного тока применяют однофазные индукционные счетчики энергии, рассмотренные в предыдущем параграфе. Схема включения обмоток счетчика точно такая же, как и схема
включения ваттметра.
Циферблат счетчика, как указывалось, градуируется в киловатт-часах или гектоватт-часах (напомним, что один гекто-
СЧЕТЧИК ОДНОФАЗНОГО ТОКА
КИЛОВАТТ-ЧАСОВ
50 Hz 127 V 10 А
1 КИЛОВАТТ-ЧАС ЗПОО ОБОРОТОВ ДИСКА 5Й ТИП В 10 N 287077
1’не. 280. Циферблат счетчика
ныпее. Например, если в начале 493,27 квт-ч, а в конце недели
*
Рпс. 281. Измерение мощности при равномерной нагрузке фаз
ватт-час равен 0,1 киловатт-часа). Циферблат имеет несколько окошек, в которых видны цифры, нанесенные на боковых поверхностях барабанов счетчика числа оборотов (рис. 280).
Две последние цифры (справа) указывают сотые доли киловатт-часа. Обычно эта часть циферблата покрыта темной краской. Три первые цифры указывают киловатт-часы. Например, циферблат, изображенный на рис. 280, показывает израсходован-
ную электроэнергию 571,34 квт-ч. Для того чтобы узнать, какое количество энергии израсходовано за определенный промежуток времени, необходимо записать показание счетчика в начале и в конце этого промежутка времени и затем вычесть из большего показания м недели счетчик показывал 571,34 квт-ч, то израсходованная за неделю энергия равна разности этих двух показаний:
II' 571,31 -4 93,2 7 -• 78,07 кат ч.
Измерение мощности и энергии трехфияпого тока. Измерение мощности и энергии в цепях трехфазного тока производится различными методами в зависимости от особенностей
цепи.
1’> четырехпроводной системе (с нулевым проводом) при равномерной нагрузке фаз можно обойтись одним ваттметром или счетчиком. Схема включения показана на рис. 281, откуда видно, что токовая обмотка включается последовательно в один из линейных проводов, а обмотка напряжения включается между линейным и пулевым проводами. Прибор измеряет мощность или энергию одной из фаз. Так как при равномерной
304
нагрузке мощности всех фаз равны друг другу, то полная мощность цепи трехфазного тока равна утроенному показанию ваттметра:
Р = .
Однако равномерная нагрузка бывает редко. При неравномерной нагрузке фаз необходимо включить три прибора, каждый
Рис. 282. Измерение мощности при неравномерной нагрузке фаз
из которых измеряет мощность (или энергию) только одной фазы (рис. 282). Полная мощность трехфазной цепи равна сумме показаний ваттметров, измеряющих мощности первой, второй и третьей фазы:
Как видно из рисунка, ваттметры подключаются так, что обмотка напряжения каждого из них одним концом присоединяется к нулевому проводу, а другим — к соответствующему линейному проводу.
Для измерения энергии в таких случаях часто применяются । рехфазные счетчики—двухэлементные (см. рис. 276, 277) втрех-проводной системе и трехэлементные в четырехпроводной in-теме.
Трехэлементный счетчик состоит из трех однофазных счетчиков, собранных в одном корпусе. Все три диска । четчика имеют одну общую ось (рис. 283). Трехфазный счетчик включается в цепь по схеме рис. 282 и показывает суммарную энергию, израсходованную в трохфазпой цепи.
В трехпроводной системе измерение мощности можно производить одним ваттметром при условии равномер-н и с т и нагрузки фаз. Схема его включения показана на риг. 284.
Ваттметр измеряет мощность одной фазы, поэтому мощ-IKUи. всей трехфазной цепи равна утроенному показанию niiioro ваттметра:
P = 3PW.
711
Электротехника
305
"’г 9 ^2 "
1 lf Ut ° 13 ° о U3<'
Рис. 283. Схема трехэлементного счетчика
Если нагрузка па трохпроводную систему неравномерна, пользуются схемой двух ваттметров, приведенной на рис. 285.
Обмотки тока ваттметров включаются последовательно в два линейных провода. Обмотки напряжения каждого из ваттметров соединяются одним концом с генераторным зажимом обмотки тока, а другим — с оставшимся свободным линейным проводом (т. с. па линейное напряжение).
Полная мощность трехфазной цепи равна сумм'о показаний первого и второго ваттметров:
P^ + Pf
Эту схему нельзя применять для измерения мощности в системе с нулевым проводом при неравномерной нагрузке фаз.
Для измерения энергия итрохпронодпой системе включают двухэлементный индукционный счетчик по схеме двух ваттметров.
П р и м е р 1. Два ваттметра, включенные по схеме рис. 285, показывают мощность РХ=75О вт, Р2=300 вт. Найти полную мощность трехфазной цепи.
Рис. 285. Метод двух ваттметров
Рис. 284. Измерение мощности при равномерной нагрузке, соединенной треугольником
Решение. Мощность трехфазной цепи равна сумме показаний ваттметров!
Р=Pj Д-Да== 7504-300 = 1050 вт.
П р и м е р 2. Показания ваттметров, включенных по схеме рис. 282, равны: Pt=380 вт, Р2=6О0 вт, Р3=470 вт. Вычислить всю мощность трехфазной цепи.
Решение.
Р=Р14-Ра4-Р3 = 3804-6004-470 = 1450 вт-= 1,45 кет.
306
в 4. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФИЦПЕНТА МОЩНОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЙ
Измерение коэфицпента мощности. Коэфициент мощности цепи переменного тока равен отношению активной мощности к кажущейся мощности:
Ра
СОЗ? = -Д .
1 к
Активную мощность можно измерить, как мы знаем, с помощью ваттметра. Кажущаяся мощность равна произведению напряжения на силу тока:
Напряжение можно измерить с помощью вольтметра, а силу тока — с помощью амперметра. Тогда, пользуясь показаниями амперметра, вольтметра и ваттметра, можно вычислить коэфициент мощности:
Ра
C0S(?= цТ
Поэтому для измерения коэфицпента мощности какого-либо приемника пользуются схемой, показанной на рис. 286.
П р и м е р. Требуется определить коэфициент мощности приемника анергии. В распоряжении имеются: амперметр, вольтметр и ваттметр.
Р е ш е it и е. Дли определения коэфицпента мощности приемника включим в цепь переменного тока приборы по схеме рис.. 286., Вольтметр при этом показал напряжение U~ 125 в, амперметр—силу тока Z=8a, а ваттметр — мощность Ра=
<80(5 вт. Тогда
Измерение сопротивлений методом амперметра, вольтметра и ваттметра. Пользуясь амперметром, вольтметром и ваттметром, можно измерить также полное, активное и реактивное । <'противление приемника. Например, приемник состоит из in. ।явного и реактивного сопротивлений, соединенных после-jiiшательно, как показано на рис. 286. Величина сопротивления приемника неизвестна. Пользуясь показаниями приборов, МОЖНО ВЫЧИСЛИТЬ Г И X.
I. Чтобы узнать полное сопротивление цепи, достаточно лип и. показания амперметра и вольтметра и тогда
U z— z .
В предыдущем примере вольтметр измерил напряжение Г'.'| и, а амперметр — силу тока 8 а.
20*
307
Следовательно, полное сопротивление цепи
U 1 2о л г i''1
z = --- = ~^-= 15,6 ом.
I о
2. Активное сопротивление можно вычислить, зная активную мощность и силу тока. Значит, достаточно воспользоваться показаниями ваттметра и амперметра. Так как то
Ра /2 •
В предыдущем примере ваттметр измерил мощность Ра=> = 800 вт, поэтому
800 ,
Г = -дГ== 12,0 ОМ.
3. Реактивное сопротивление цепи найдем из формулы Z = j/r2 + X2,
откуда
.т-З/z2 г2 5,6'-’—12,5'-’ !),4 ом.
Рассмотрим другой пример: пусть приемник состоит из активного п реактивного сопротивлений, включенных параллельно, как показано на рис. 287. И в этом случае с помощью амперметра, вольтметра и ваттметра можно определить соиро-
Гис. 286. Определение коэфицп-еита мощности
Рис. 287. Определение сопротивлений методом вольтметра, амперметра и ваттметра
тивления z, г и х, измерив напряжение, силу тока и активную мощность. Предположим, что измерены 7=5 а; 77=120 в и Ра=360 вт.
1. Полное сопротивление цепи найдем по показаниям вольтметра и амперметра:
U 120 z—-y = — =24 ом.
• 2. Активное сопротивление определим, зная показания вольтметра и ваттметра.
308
Так как потери на нагревание имеются только в активном ' ^противлении, то для этой цепи
Р О г ’
Пи::ТОму
Z72
Г = —
1 а
1^ = 40
360
ом.
... , Z7 120 о
I <>к через активное сопротивление 1г =—=-^=о й-
3. Реактивное сопротивление можно вычислить по следующим формулам: так как токи 1Г и 1Х имеют сдвиг по фазе отно-< птельно друг друга на 90°, то
Р=1г + 12Х,
откуда
Iх=Vi2 - / = /б2 - З2 = /16 = 4 а.
Так как ток через реактивное сопротивление Хс равен
/ , х^с
120
— ? —30 ом.
Из приведенных примеров видно, что с. помощью ваттметра, амперметра и вольтметра можно путем измерений п вычислений найти полное, активное и реактивное сопротивления как при последовательном, так и при параллельном соединении г И Хс .
Если в схеме рис. 287 вместо конденсатора будет включена катушка самоиндукции, то можно произвести точно такие же пычисления, однако результаты расчета дадут приближенное значение г и х, так как катушка самоиндукции обладает не юлько реактивным, но и активным сопротивлениями.
Измерение сопротивлений методом вольтметра и амперметра. Как мы видели, для вычисления полного сопротивления цепи переменного тока достаточно измерить подведенное к ней напря-.|.<шие и силу тока. В тех случаях, когда цепь состоит из отельных сопротивлений и к точке соединения их имеется доступ, можно определить также отдельно активное и реактивноо противления, пользуясь только амперметром и вольтметром.
Пусть цепь состоит из последовательно соединенных активного и индуктивного сопротивлений. Тогда составим схему и ьмерений, показанную на рис. 288,
309
С помощью переключателя 77 поставим вольтметр V2 в положение 1 п измерим падение напряжения на индуктивном сопротивлении U х. Затем, поставив V2 11 положенно 2, измерим ; падение напряжения на активном сопротивлении Ur. Ампер- , метр измерит силу тока в цепи, вольтметр —полное папря-
жение U.
Пусть, например, было измерено: U—120 в; 7=4 а; Vг= ' =80 'в; С7ж=90 в.
Тогда полное сопротивление цепи вычислим по формуле: -
U 120 ОГ1 :
z — —r— — = 30 ом.
1 • I
Активное сопротивление по закону Ома для участка цепи ' 1’г 80 ол '
г = —/-=— = 20 ом. ;
/ о
Реактивное сопротивление катушки самоиндукции, считая» что ее активным сопротивлением можно пренебречь,
Z7r 90 с <
х, =-/=—=22,5 ом.
Способ измерений пе изменится, если вместо катушки (рпс. 288) будет включен конденсатор.
Если цепь будет составлена из двух сопротивлений, соединенных параллельно, то следует применить схему, показанную , ла рис. 289. В схеме можно измерив им поочередно токи
J'lii.. 288, Определенно сопротивлений методом амперметра п вольтметра
обойтись и одним амперметром, 7, 7, и
Гис. 289. Определение сопротпв- ; лоний разветвленной цепи j
Воспользовавшись показаниями приборов, определим ве-ч личины сопротивлений z, г и xl. j
Пусть, например, 77=220 в, 7=5 а, 7z=3 а, 1г—4 а. Тогда: полное сопротивление пепи
U 220 , ,
Z=—-=14 ОМ-
I О
Активное сопротивление 7 220 сс
/•=-—=— =55 ом.
310
Индуктивное сопротивление
и 220 „..г.
х, =-=—==-— =. /з,о ом.
1 г .3
Методом амперметра и вольтметра можно пользоваться также тогда, когда в цепи включено три и больше сопротивлений, как, например, показано на рис. 290.
Рис. 290. Определение сопротивлений в последовательной цепи
Если было измерено: £7=120 в, U/.=48 в, Uc=№l в, Ur = = 72 в, /=2,4 а, то сопротивления можно вычислить, как и раньше:
Г/ 120 г„
Z = - ,-=.Т-7 = Ь0 ОМ.
/ 2,4
>'г /,н •>/»
/ ”2,V 20 "
Z/r 144 ....
xr =—г = —-^=00 ом.
и J 2,4
Ur 72 9Л
r=—j-=g-^ = 30 ом.
Проверим правильность вычислений по формуле
2 = |/г24-(а;д — хс )2 = j/3024-(20—60)2 =
= |/302+402=j/2500 = 50 ом.
§ 5. ЧАСТОТОМЕР
Для измерения частоты промышленной сети переменного •I’«а обычно пользуются частотомерами вибрационной системы. N e тройство вибрационного частотомера, предназначенного для измерения частот от 45 до 55 гц, показано на рис. 291. Электромагнит М, обмотка которого подключается к сети переменного тока, расположен над железной пластинкой А, называемой опорем. Якорь прикреплен к железному бруску К. Послед
311
ним установлен на пружинах (рессорах) F, привернутых к корпусу прибора. На бруске К укреплен ряд тонких пружинистых пластинок Z, концы которых загпуты иод прямым углом и окрашены белой краской.
Когда по обмотке .электромагнита М протекает переменный ток, то якорь А притягивается электромагнитом два раза за один
Рис. 291. Устройство частотомера
период переменного тока, так как сила притяжения электромагнита бывает наибольшей, когда ток достигает амплитуды; направление тока при этом не имеет значения. Поэтому брусок К вместе с якорем колеблется с частотой в два раза большей, чем частота переменного тока. Вместе с бруском К колеблются и укрепленные на нем стальные пластинки Z.
«8 69 50 51
Рис. 293. Включение частотомера
Риг. 292. Illhii.in BnvioToMepa:
ч — I>0 С: — 7b i’ll
Вибрационный частотомер основан на явлении механического резонанса собственной частоты колебаний какой-либо упругой пластинки Z, жестко укрепле’нной одним концом, с частотой вынужденных колебаний бруска К.
При частотах вынужденных колебаний, отличающихся от частоты собственных колебаний пластинки, амплитуда колебаний свободного конца ее почти незаметна на глаз. При совпадении частот вынужденных и собственных колебаний амплитуда отклонения свободного конца пластинки сильно возрастает и конец пластинки представляется высоким прямоугольником (рис. 292), Пластинки частотомера (см. рис, 291) подобраны
312
так, чтобы собственная частота первой пластинки была 90 гц, собственная частота второй пластинки—91 гц и т. д. При частоте переменного тока 50 гц отсчет по шкале частотомера представится, как на рис. 292,а; при частоте 49,75 гц колебаться будут сразу две пластинки, как показано на рис. 292,6.
Включение частотомера в сеть переменного тока показано па рис. 293.
Частотомеры обычно изготовляются в виде щитовых или переносных приборов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ XIII
1. Какими приборами производится измерение напряжения и силы тока в цепях переменного тока? Нарисуйте схему их включения.
2. Для каких целой применяют измерительные трансформаторы тока?
3. Для чего применяют измерительные трансформаторы напряжения?
4. Как узнать величину измеряемого напряжения, зная показания вольтметра и числа витков обмоток измерительного трансформатора напряжения?
5. Как определить величину тока при помощи амперметра и трансформатора тока?
6. Расскажите принцип действия индукционного счетчика электрической энергии.
7. Нарисуйте схему включения обмоток ваттметра и счетчика энергии при измерениях в цепи однофазного тока.
8. Как вычислить иирисходонппвую энергию по показаниям счетчика?
9. Как производится намерение мощности и энергии трехфазного тока при равномерной нпгруэке физ?
10. Как измеряется мощность н трехнроподпой системе при неравномерной нагрузке фаз?
И. Как измеряется мощность в четырехнроводной системе (с нулевым проводом) при неравномерной нагрузке фаз?
12. Нарисуйте схему включения приборов, по показаниям которых можно вычислить коэфициент мощности.
13. Как вычислить активное, реактивное и полное сопротивления, пользуясь показаниями амперметра, вольтметра и ваттметра?
14. Как измеряются сопротивления методом вольтметра и амперметра при последовательном и параллельном соединении сопротивлении?
15. Каким прибором измеряют частоту переменного тока?
16. Как устроен частотомер?
Тлива XI Г
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
§ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ
Электрические лампы накаливания в настоящее время являются наиболее распространенным источником спета. Они просты в обслуживании, надежны, безопасны в работе и достаточно экономичны. Лампу накаливания в 1873 г. изобрел русский ученый А. Н. Лодыгин. Над изобретением электрической лампы работал и другой русский ученый, П. Н. Яблочков. Поэтому электрическое освещение в первые годы его применения называлось «русский свет».
Устройство ламп накаливания. В первых лампах накаливания материалом нити служил уголь, который при нагревании током быстро испарялся, и поэтому лампы были недолговечны.
В настоящее время для изготовления нити лампы накаливания применяется тугоплавкий металл вольфрам, который плавится при температуре около 3400°С и обладает большой механической прочностью. Устройство лампы накаливания с вольфрамовой нитью показано на рис. 294.
Нить накала помещена внутри стеклянной колбы и поддерживается с помощью металлических (из молибдена) крючков, укрепленных па стеклянной стойко. Токоподводящие проводники, соединенные с питые накала, подводятся один к метилличоскому цоколи» с. ppai.Goii, п другой — к контакту.
Цоколь и pin; peii.i нет сп к колбе с. помощью мастики. Под действием тока вольфрамовая пить нагревается до температуры примерно 22(Ю"С, и глаз воспринимает часть энергии излучения нити в виде спета.
Нить лампы не может находиться в воздухе при такой высокой температуре, так как вольфрам в воздухе быстро окисляется, и нить разрушается. Поэтому воздух из стеклянного баллона откачивается. Нить лампы накаливания выполняется обычно в виде простой или двойной спирали (рис. 295). Как показали опыты, нить в виде спирали меньше охлаждается, п поэтому лампа дает больше света.
В процессе работы лампы вольфрамовая нить постепенно испаряется. Частички испарившегося вольфрама осаждаются в виде темного налета па стенках колбы, и от этого прозрачность колбы несколько уменьшается.
314
Испарение вольфрама приводит к постепенному уменьшению толщины нити. В том мосте, где толщина нити особенно сильно уменьшается, опа расплавляется, т. е. «перегорает». Чем медленнее испаряется вольфрам, тем больше срок службы лампы.
Опытами установлено, что скорость испарения вольфрама можно уменьшить, если заполнить колбу смесью азота и аргона. Эти газы по отношению к раскаленному вольфраму инертны, т. е. не вступают с ним в химические реакции.
Рис. 294. Устройство лампы накаливания:
1 — колба; 2 — нить накала; .5 — поддерживающие крючки; 1—стеклянная стойка; 6 — токопроводящие проводники; 6—цоколь с резьбой; 1 — контакт; S — мастика; 9— изоляционная', масса; 10 — отросток для откачки воздуха
Поэтому в настоящее» время изготовляют два типа ламп: 1) п у с т о т и ы е (воздух из колбы откачивается) мощностью 15, 25 и 40 вт при напряжении 127 в п мощностью 25, 40 и 60 вт при напряжении 220 в;
Гис. 295. Нить лампы накаливания
2) газополны в (после откачки воздуха внутрь колбы HiiojiHi'cn азотно-аргоновая смесь) мощностью 60 вт и больше.
Технические характеристики ламп накаливания. Важнейшими техническими характеристиками ламп накаливания иилнютсн световая отдача и срок службы.
Отношении светового потока, излучаемого лампой, в люменах * к электрической мощности лампы в ваттах называется i и е т о в о й отдачей лампы накаливания^ Следова-
* Люмен (сокращенно лм) — единица светового потока.
315
тел i.no, световая отдача показывает, какой енотовой поток приходите» па один ватт электрической мощности (измеряется в лм/вт).
Световая отдача лампы накаливания и других источников света тем больше, чем выше температура светящегося тела.
Например, при температуре нити 2200° лампа накаливания имеет световую отдачу около 12 лм/вт, а при температуре 2500° — около 20 лм/вт.
При увеличении температуры нити резко уменьшается срок службы ламп накаливания. Осветительные лампы накаливания рассчитываются так, чтобы они работали 1000 час.
Пустотные лампы имеют температуру около 2100° и световую отдачу примерно 9 лм/вт. Газополныс лампы мощностью 100 вт и более имеют меньшую скорость испарения вольфрама. Это позволяет при том же сроке службы увеличить рабочую температуру до 2300° и повысить светоотдачу до 12—14 лм/вт.
Кроме световой отдачи и срока службы, лампы накаливания характеризуются мощностью и рабочим напряжением.
Лампы для электрического освещения изготовляются на стандартные напряжения 110 в, 127 и и 220 в мощностью от 15 до 1000 вт.
В табл. 9 приведены основные данные осветительных ламп, рассчитанных па срок службы 1000 час. при номинальных условиях работы.
Таблица 9
Основные данные осветительных ламп накаливания
Напряжение (в вольтах) Мощность (в ваттах) Световая отдача (в люменах на ватт) Световой поток (в люменах)
15 8,2 124
25 9 225
40 9,5 380
00 10,7 645
110—127 100 12,7 1275
150 14,5 2175
200 15,2 3050
300 16,2 4875
500 17,4 8725
25 7,6 191
40 8,4 336
60 9,0 540
100 10,0 1000
150 11,4 1710
200 12,5 2510
300 13,6 4100
500 15,1 7560
316
Рис. 296. Цоколь с нормальной резьбой и патрон типа Е-27
За 1000 час. работы световой поток ламп уменьшается на 20% вследствие почернения стенок колбы и от других причин.
Кроме осветительных ламп, промышленностью выпускаются специальные лампы различной мощности и напряжения.
Для прожекторов изготовляют мощные лампы на 1000, 1500, 2000 и 5000 вт при напряжении 110 и 220 в. Для освещения в автомобилях применяют лампы с напряжением 6—8 в и 10-13 в.
В кинотехнике используются разнообразные по мощности и номинальному напряжению лампы. (3 ними мы познакомимся в следующем параграфе.
Влияниеизмененийнапряжения па работу ламп накаливания. Изменение напряжения, подведенного к лампе накаливания, вызывает
изменения температуры нити лампы. Повышение напряжения приводит к увеличению температуры нити. При этом увеличиваются световая отдача лампы, мощность и световой поток. По с повышением температуры увеличивается скорость испарении вольфрама, и это вызывает резкое сокращение срока службы лампы. Вели, иипример, напряжение относительно
Рис. 297. Патрон типа Е-33
-/ Контакты
Рис. 298. Цоколь лампы и патрон типа «Сван»
номинального увеличивается на 1%, то световой поток лампы увеличивается на 3,5%, световая отдача увеличивается на 1,8%, но зато срок службы лампы уменьшается на 13%. Если напряжение увеличивается на 5%, то срок службы уменьшается на 45%, т. е. почти в два раза. Отсюда следует, что нельзя допускать повышения напряжения по отношению к поминальному.
Уменьшение напряжения на 1% вызывает уменьшение светового потока на 3,5% и световой отдачи на 1,8%, а срок службы увеличивается на 13%.
Но уменьшение светового потока невыгодно, и поэтому нс следует понижать напряжение, подводимое к лампе.
317
Поэтому основное правило эксплуатации ламп состоит и том, что следует поддерживать поминальное дли данной лампы напряжение.
Осветительная арматура. Лампы накаливания присоединяют к электрической сети с помощью специальных патронов. Осветительные лампы мощностью до 300 вт имеют цоколь с нормальной резьбой. Такой цоколь и патрон к нему показаны на рис. 296. Лампы мощностью более 300 вт имеют больший размер цоколя (рис. 297). Лампы, работающие в условиях
Рис. 299. Светильники:
а — наружного освещения, защищенные металлической сетной; б — настенные (бра); о — подвесные (люцегта, шар); г—потолочные (плафон)
тряски (например, освещение транспорта), имеют специальный цоколь и нитрон типи «(Hinn» (рис. 298). Малые лампы имеют уменьшенный диаметр цоколи. Чтобы получить хорошее распределение света ламп, примени to г специальную арматуру. Лампа с. осветительной арматурой называется светильни-к о м. Светильники разделяются на:
1) открытые, в которых внешняя среда не отделена от лампы;
2) з а щ и щ е н н ы е, в которых лампа отделена от внешней среды стеклянным колпаком;
3) герметические, применяемые в сырых и пыльных помещениях;
4) взрывобезопасные, применяемые в шахтах, аккумуляторных и других местах, где электрическая искра может вызвать взрыв.
Различные типы светильников, применяемых в кинотеатрах, показаны на рпс. 299.
318
§ 2. ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В КИНОАППАРАТУРЕ
Для передвижных кинопроекторов и для воспроизведения звука применяют специальные электрические лампы — кинолампы.
Особенностью большинства киноламп является повышенная рабочая температура, необходимая для получения высокой световой отдачи. Световая отдача киноламп достигает 20—25 лм/вт. Благодаря повышенной температуре срок службы киноламп не превышает обычно 50 час. Лампы, используемые для кинопроекции, имеют мощность от 300 до 750 вт. Проекционные лампы имеют светящееся тело прямоугольной формы, близкой к форме кадрового окна, для лучшего использования светового потока. Пить накала этих ламп выполняют или в виде нескольких спиралей, расположенных в одной плоскости («моноплан»), или из восьми спиралей, расположенных в двух плоскостях («биплан»); спирали второго ряда расположены против промежутков между спиралями первого ряда. Поэтому получается сплошное светящееся тело прямоугольной формы. Еще более выгодной является нить низковольтной кинопроекционной лампы на 30 в 400 вт, выполненная в виде сплющенной спирали из толстой проволоки. Эта лампа разработана советскими инженерами В. В. Петровым и В. Ф. Со-устиным.
Внешний вид кинопроекционных ламп показан на рис. 300, 301, 302.
Кинопроекционные лампы питаются переменным током.
Про с в вливающие лам и ы, используемые для воспроизведения звука, имеют мощность от 3 до 50 вт.
Просвечивающие лампы должны давать строго постоянный световой поток, так как пульсации светового потока при звуковоспроизведении прослушиваются как гудение, что снижает качество звучания. Поэтому в большинстве случаев просвечивающие лампы питаются постоянным током от выпрямительных устройств.
Питание просвечивающих ламп переменным током возможно лишь при условии, если лампа имеет настолько толстую нить, что благодаря тепловой инерции температура ее практически совершенно не меняется, посмотри па периодические изменения мощности переменного тока с частотой 100 гц. Например, и кинопроекторе К-25 просвечивающая лампа рассчитана на 5 в 7 а, т. е. имеет толстую нить. Поэтому при питании ее переменным током пульсации светового потока настолько малы, что не ухудшают качество звуковоспроизведения. Допустимо 1акже питание просвечивающих ламн переменным током высокой частоты, так как при этом нить также не успевает охлаждаться. Например, в кинопроекторе 16-ЗП просвечивающая
319
лампа питается от специального генератора переменным током с частотой около 60 000
Внешний вид ламп просвечивания показан па рис. 303, 304, 305.
В табл. 10 приведены основные данные киполамп в соответствии с государственным стандартом (ГОСТ 4019—48). '
При работе с киноустановками необходимо строго поддерживать номинальное напряжение па лампах, так как даже небольшое повышение напряжения резко сокращает срок службы ламп. ГОСТ предусмотрено, что отклонения напряжения от поминального не должны превышать ±2%.
Срок службы также зависит от положения лампы. Нормальным положением при эксплуатации ламп считается: для ламп типов К-12, К-22 — вертикальное, цоколем вниз, для ламп типов К-14, К-15 — вертикальное, цоколем вверх (допускается отклонение от указанного положения на угол не более 15°); , для остальных ламп положение безразлично.
Лампы выпускаются 1-го и 2-го сортов (по величине откло- ; нения действительных характеристик от номинальных). На колбе или цоколе лампы наносятся следующие обозначения: s товарный знак завода-изготовителя, поминальное напряжение, номинальная мощность, дата выпуска (квартал и год); для ламп 2-го сорта—знак «2С». ’
Лампы должны храниться в закрытых помещениях с относительной влажностью не более 70% и с температурой не ниже +5°. ;
При транспортировании ламп необходимо предохранять их , от атмосферных осадков, сотрясений и ударов.
§ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА
Основные сведения. Электрическая дуга была открыта русским ученым профессором В. В. Петровым в 1802 г. Это заме- , чптельпое открытие послужило 'толчком для дальнейшего ртстiiii'i iiы электротехники, так как впервые показывало возмож- i ши it. применении электричества для освещения. Дуга В. В. Петрова до настоящего времени является одним из наиболее мощ-ных источников света. Явление электрической дуги заключается в следующем: к двум угольным электродам (рис. 306) , подводится напряжение от источника тока через реостат. При ; соприкосновении угольных электродов цепь оказывается зам- ! кнутой и по ней проходит ток. Точка соприкосновения углей . имеет сравнительно большое сопротивление; поэтому в месте ; соприкосновения выделяется большое количество тепла, вы-• зывая сильный разогрев концов углей. :
Если теперь угли раздвинуть так, чтобы они не соприкаса-^ лись, то в цепи ток не прекратится. Между концами углей)Я образуется яркое пламя. Таким образом, воздушный промежугзМ
320
Рис. 301. Проекционная лампа К-22 (30 в 400 от)
Рис. 302. Проекционная лампа К-15 (110 в 750 вт)
Рис 300. Проекционная лампа К-12 (110 « 300 от)
Рис. 303. Лампа просвечивания К-1 (5 в 35 вт)
Рис. 304. Лампа просвечивания К-3 . (4 в 3 вт)
Рис. 305. Лампа просвечивания К-7 (12 в 30 вт) и К-27 (10 в 50 вт)
I Электротехника
321
Основные данные впноламп
Таблица 10
Тип лампы Кинопроекционные лампы Лампы просвечивания
К-12 - Г-14 К-15 К-22 К-1 к-з К-7 К-27 К-29
Мощность {вт) . . 300 500 750 400 3 35 30 50 3
Напряжение (в) . . 110 110 НО 30 4 5 12 10 4
Световой поток (лм) 6450 11 ООО 17 250 11 485 25 75 530 850 —
Световая отдача {лм/вт) 21,5 22,0 23,0 30,0 — — — — —
Габаритная яркость (4 600 180? 2000 2690 430 30 1070 ~1000 —
Размер светящегося тела {мм) .... 9,9x9 Р. 5x8,3 10,5x10,5 6x9x1,8 2,3x0,15 9x2,5 4x1,5 1,4x5 —
Конструкция нити «Моноплан» Биплан» «Биплан» Плоская спираль Прямая спираль Прямая спираль Прямая биспп-раль
Высота светового центра 70,0 81,5 81,5 60,0 30 60 60 60 —
Форма колбы Цилиндрическая Шаровидная Цилиндрическая Шаровидная
II рололженпе
Тип лампы Кинопроекционные лампы Лампы просвечивания
К-12 К-14 К-15 К-22 К-1 К-3 К-7 К-27 К-29
Диаметр колбы (.мм) 36,0 36,0 36,0 36,0 — 31 25 25 —
Цоколь Нормальный «Сван» 2с-22 Специальный с фланцем Ф-42-1 Специальный с фланцем Ф-42-1 Специальный с фокусирующим фланцем 1Ф-34-1 Малый «Сван» 1с-15 Е-14 Е-14 Е-14 1Ф-19-1
Положение при горении Цоколем внн-з Цоколем вверх Цоколем вниз — — — —
Длина лампы (мм) 141,0 151,0 151,0 155,0 50 91 80 80 ——
Средний срок службы (часы) .... 50,0 30,0 30,0 30,0 100 500 50 100 100
Применяется в кинопроекторе типа К-25 К-35 16-ЗП-5 16-ЗП-5 К-101 К-303 КПС 16-ПП-1 16-ЗП-5 К-101 К-301 К-303 КПС СКП-26 КПТ-1 КПТ-1 16-ПП-1 К-ЗОЗМ КПС
ток, п обычных условиях являющийся изолятором, становится проводником тока. Объяснить это явленно можно тем, что в углях, как и во всяких проводниках, имеются свободные электроны.
При повышении температуры скорость движения электронов увеличивается настолько, что они могут вылетать из угля в окружающее пространство.
Когда угли раздвигаются, электроны от угля, имеющего отрицательный потенциал, стремятся переместиться к углю с положительным потенциалом.
При движении от отрицательного угольного электрода к положительному электроны в воздушном промежутке сталкиваются с молекулами воздуха. Если электроны имеют достаточно большую ско
Гис,. 306. Электрическая дуга
Рис. 307. Дуговой разряд
рость, то при столкновении они ионизируют молекулы воздуха: молекулы воздуха перестают быть электрически нейтральными, превращаясь в заряженные ионы.
Таким образом, промежуток между электродами дуги оказывается заполненным ионами воздуха и электронами. Положительные ионы «бомбардируют» отрицательный уголь, т. е. отдают ему свою энергию движения, которая превращается в тепло. Тем самым поддерживаотся высокая температура отрицательного угля, и он продолжает излучать электроны. Температура положительного угля также весьма высока, так как электроны и отрицательно заряженные ионы отдают ему свою энергию в виде тепла. Такой процесс прохождения тока в газовой среде называют дуговым разрядом.
При вертикальном расположении чисто угольных электродов дуговой разряд постоянного тока имеет следующее строение (рис. 307): па конце положительного угля имеется раскаленное добела углубленное или плоское пятно К, которое называется к р а т о р о м; заостренный конец отрицательного угля имеет небольшое резко очерченное раскаленное пятно Р, которое называется катодным пяти ом (оно является основанием отри нательного пламени дуги).
324
У простых угольных электродов внутреннее пламя («ядро») а имеет фиолетовую окраску. Наружная оболочка пламени б имеет зеленоватый цвет.
Кратер дуги с чистыми углями даст примерно 85% всего светового потока дуги. Катодное пятно имеет температуру около 3000°С и дает до 10% светового потока. Пламя дуги играет сравнительно небольшую роль в излучении света и дает до 5% светового потока.
Дуга широко применяется в качестве источника света в прожекторах и в кинотехнике.
В процессе горения угли дуги постепенно расходуются на испарение, химические соединения с воздухом и на растрескива-
Рис.308. Электрический xnpiut-тсристикп дуги
/? ллпллг -—ик--•
I-50aL 1^35 8
Рис. 309. Включение дуги
нпе и осыпание. Расход углоп характеризуется скоростью их сгорания, измеряющейся числом миллиметров, па которое уменьшается длина углей за один час горения. Вели оба угля имеют одинаковый диаметр, то положительный уголь сгорает быстрее, чем отрицательный.
Свойства дуги. Особенностью дуги является то, что ее сопротивление не остается постоянным. Дуга не подчиняется закону Ома. Сопротивление дуги зависит от силы тока. Чем больше сила тока, тем меньше сопротивление дуги.
Кроме того, сопротивление дуги зависит от расстояния между электродами. Чем больше расстояние, том больше сопротивление дуги. Поэтому по мере обгорания электродов падение напряжения на дуге увеличивается.
Чтобы характеризовать электрические свойства дуги, строят электрические характеристики дуги.
Электрической характеристикой дуги называется зависимость между падением напряжения и силой тока дуги при постоянном расстоянии между углями I.
На рис. 308 показаны три характеристики чисто угольной дуги при расстояниях между углями /, = 6 мм, = мм и 13—2 мм. Эти характеристики показывают, что при увеличе-
325
пнн силы тока дуги падение напряжения уменьшается при одном и том же расстоянии между углями.
.Характеристики при больших расстояниях между углями расположены выше, чем характеристики при малых расстояниях между углями, т. е. при большом расстоянии между углями падение напряжения на дуге больше, чем при малом расстоянии.
Благодаря этим особенностям чисто угольная дуга может устойчиво работать только при определенном условии: последовательно с пей обязательно должно быть включено сопротивление, которое называется балластным сопротивлением (рис. 309).
Балластное сопротивление необходимо по следующим причинам: из характеристики дуги видно, что при изменениях силы тока дуги I и изменениях расстояния между углями I меняется напряжение U д, требуемое для поддержания дугового разряда.
При отсутствии балластного сопротивления напряжение, подводимое к дуге, изменяться пе сможет, так' как напряжение U источника токи но величине постоянно. Поэтому, когда угли обгорают и увеличивается напряжение, требуемое для горения дуги, величина напряжении источника оказывается недостаточной, н дуга । ат нет. Если угли сблизить, то напряжение, требуемое для горения дуги, будет меньше напряжения источника. Ввиду избытка напряжения источника сила тока в цепи будет резко увеличиваться до тех пор, пока на сопротивлении соединительных проводов не будет поглощаться избыток напряжения. Сопротивление проводов очень мало, поэтому при зажигании души в цепи получится короткое замыкание, что недопустимо.
Если последовательно с дугой включить балластное сопротивление, то таких явлений происходить по будет. При увеличении расстояния между углями сила тока в цепи уменьшается. Вместе с этим уменьшается падение напряжения на балластном сопротивлении. Поэтому часть напряжения источника, приходящаяся на дугу, увеличивается, препятствуя дальнейшему уменьшению тока дуги. При сближении углей сила тока в цепи не будет резко возрастать, так как с увеличением силы тока увеличивается падение напряжения на балластном сопротивлении, а напряжение на дуге уменьшается, что препятствует дальнейшему увеличению тока.
Балластное сопротивление необходимо не только для устойчивого горения дуги, но и для того, чтобы ограничить силу тока в цени при зажигании дуги, когда угли замкнуты накоротко. Падение напряжения на балластном реостате обычно выбирается приблизительно равным напряжению на дуге. Поэтому напряжение источника тока берется в два раза больше напряжения на дуге.
326
Пример. Необходимо выбрать напряжение источника постоянного тока и вычислить величину балластного сопротивления, если дуга для нормального горения требует напряжение 35 в и сила тока дуги раина 50 а (см. рис. 309).
а б
Рис. 3J0. Схема дугошно peuiTuia РД (i(J: а. — принципиальная.; б — монтанпын
Р е ш е н и е. Выберем падение напряжения на балластном сопротивлении, равное напряжению дуги:
UR=Uа=35 е. ч о
Тогда напряжение источника тока
и = иR + иа = 35 + 35 - 70 в.
Напряжение на балластном реостате но закону Ома U$= IJP Отсюда величина балластного сопротивления
R=-r-=^\=v,' ом.
1 э0
Дуговые реостаты. Балластное сопротивление обычно устраивают так, чтобы можно было регулировать силу тока дуги. Для этого балластное сопротивление выполняют в виде секционированного реостата, который называется дуговым реостатом. Дуговой реостат состоит из нескольких сек-
327
Ний, включаемых параллельно друг другу. При включении параллельных секций сопротивление реостата уменьшается. На рис. 310,а показана схема промышленного дугового реостата типа РД-60, предназначенного для работы в цепи дуговой лампы кинопроектора.
На монтажной схеме рис. 310,6 расположение секций сохранено такое, как в действительности. Из схемы а видно, что дуговой реостат состоит из 16 параллельных ветвей; каждая ветвь рассчитана на силу тока 5 а. Часть ветвей всегда остается включенной. Одна секция включается рубильником
Рис. 311. Внешний вид РД-60 и секция реостата:
1 — стальная пластина; 2 — фарфоровые изоляторы; 3 — провод
с надписью «5 а». При замыкании этого рубильника сила тока в цепи увеличивается на 5 а.
С помощью рубильника с надписью «10 а» включаются две параллельные ветви, причем сила тока увеличивается на 10 а. Третьим рубильником можно включить четыре параллельные ветви, увеличив силу тока на 20 а. При включении всех трех рубильников можно увеличить силу тока в цепи на 35 а.
Реостат позволяет регулировать рабочий ток дуги от 45 до 80 а. Падение напряжения па реостате номинально равно 25 и. Отключив перемычку //, можно уменьшить ток на 20 а, т. е. получить регулировку тока от 25 до (И) а. При различных комбинациях включении рубильников сопротивление реостата изменяется от 0,9 ом (все рубильники и перемычка выключены) до 0,28 ом (все рубильники и перемычка включены). Внешний вид реостата и секция его сопротивления показаны на рис. 311.
В балластных реостатах бесполезно теряется такая же мощность, как и мощность дуги. Поэтому коэфициент полезного действия цепи с дугой и балластным реостатом примерно равен 50%.
ft I. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В КИНОТЕХНИКЕ
Дуга низкой интенсивности. Дуговые лампы применяются в качестве источников енота для кинопроекции. Для высокого качества кинопроекции требуется, чтобы дуга имела большую
яркость *, При демонстрации фильма яркость дуги должна быть постоянной по величине. Чтобы получить естественное воспроизведение цветных фильмов, необходимо, чтобы свет дуги по своей цветности был близок к дневному (солнечному) свету.
Дуга с простыми угольными электродами не удовлетворяет этим требованиям, так как имеет недостаточно большую яркость, а свет кратера положительного угля имеет желтоватый оттенок.
Поэтому в настоящее время для кинопроекции применяют специальные угли, которые называются пламенными, и угли высокой интенсивности.
Рис. 312. Уголье фитилем: |---Л— '"ЛНМИВВк
1 — фитиль; 2 — слой омедне-нвя; 3 — оболочка -угля
2 3 1
Пламенные угли (рис. 312) отличаются от простых углей тем, что имеют внутри фитиль, содержащий соли некоторых веществ (обычно фтористые соединения кальция, стронция, бария и редкоземельных металлов). Материалом оболочки угля являются сажа, графит, кокс со связующими веществами — смолой, каменноугольным пеком и др.
Снаружи уголь покрывается слоем меди электролитическим путем. Омеднение позволяет увеличить ток через угли. Кратер пламенного угли имеет яркость примерно в полтора раза больше, чем кратер простого утя.
В кинопроекторах используется свечение кратера положительного угля. Фитиль положительною пламенного угля имеет диаметр, составляющий примерно 1/3 внешнего диаметра угля. Отрицательный уголь также имеет фитиль диаметром 1,7-: 2 мм.
Угли выпускаются длиной 200 мм, 250 мм и диаметром от 7 до 12 мм.
Пламенная дуга может работать при питании переменным Юком. Однако яркость дуги переменного тока примерно в два раза меньше яркости дуги постоянного тока при одинаковой силе тока. Это объясняется тем, что при питании переменным чоком каждый из углей становится поочередно положительным и отрицательным. В результате средняя температура и средняя яркость одного из кратеров уменьшаются по сравнению с яр-ын'тью кратера положительного угля при постоянном токе.
* Напомним, что яркостью называется плотность светового излучении. Яркость измеряется в стильбах (сб) и в килостильбах (кеб), Один । ш.п.б есть яркость поверхности в один квадратный сантиметр, излучи нпцей световой поток в 1 люмен:
32^
При питании дуги проектора переменным током имеет место второй недостаток, который заключается в периодическом изменении освещенности экрана зрительного зала (примерно 2 раза в секунду увеличивается и 2 раза уменьшается) *.
Оба угля дуги переменного тока должны быть с фитилями и иметь одинаковый диаметр.
Для кинопроекционных дуг постоянного тока применяют следующие сочетания углей:
1) положительный уголь «Экстра-эффект», отрицательный «Экстра-К», оба с фитилями;
2) положительный уголь «Экстра-К» с фитилем, отрицательный «Экстра-К» без фитиля.
Данные о режимах работы дуги приведены в табл. И и 12.
Таблица 11
Режимы дуги постоянного тока
№ п/п Марка углей Диаметр угля Ток дуги (в амперах) Напряжение дуги (в вольтах) Примечание
полож. (в МП л л отриц. лметрах)
1 2 Положительный— « Экстра-эффект», отрицательный -«Экстра-К» » 10 11 7 8 30 40 35—45 354-45 \ Оба угля > омед-1 нен-
3 » 12 9 50 354-50 / ные
Режимы дуги переменного тока
Таблица 12
Д|. МнрНЛ Дни метр (11 MII/l.tH Mflpl\) Ток Луги (И ЯМИ1-р.чх ) Напряжение дуги (в in 1.Uстах) Примечание
1 «Экстра-эффект» 8 30 204-30
2 » 9 40 204-30 1 Оба угля
3 » 10 55 22н-35 ) омеднен-
4 » И 65 224-35 I ные
5 » 12 80 224-35 J
Так как угли сгорают, их необходимо время от времени сближать, поддерживая расстояние между электродами 4—5 мм (сближение производится примерно каждые 10—20 сек. с помощью механизма дуговой лампы кинопроектора).
* С причинами этого явления учащиеся познакомятся при изучении кинопроекционной аппаратуры.
330
Рис. 31 "i Горизонтальное расположение углей;
1— правильное расположение углей анормальная сила тока; 2 —отрицательный уголь расположен очень низко; 3 — отрицательный уголь расположен очень высоко; t — угли расположены очень близко — образуется грибовидный парост; 5 — сила Топа слишком мала (короткий конус);
6’ — сила тока слишком велика (повышенный обсос углей)
Рис. 314. Расположение углей под углом: 1 — правильное расположение углей и нормальная сила тона; 2—положительный уголь следует переместить вправо; 3 — отрицательный уголь слишком высоко, его следует опустить; 4 — угли расположены слишком близко, образуется »гри-бок»; 5 — сила тока мала для данных углей; в—
331
Необходимо правильно регулировать взаимное положение углей и устанавливать номинальную для данного типа углей силу тока дуги.
На рис. 313 видно, что при номинальной сило тока и правильном расположении углей дуги катодное пятно отрицательного угля находится в вершине конуса, образовавшегося па конце положительного угля. Во всех других случаях кратер положительного угля имеет неправильную форму. При недостаточной силе тока концы положительного и отрицательного углей имеют короткий конус, а при слишком большой сило тока сильно выгорает боковая поверхность углей.
Рис. 314 представляет формы углей дуги при расположении углей под углом.
Дуга высокой интенсивности. Особенно большой яркостью отличается дуга высокой интенсивности, которая находит все большее применение в кинотехнике. Дугой высокой интен-
JP>ic. 315. Дуга высокой
2 интенсивности:
/ , с г /—ii.iiiM» <'Триц.-1те.т|i.noro угля;
\ и.шмп положительного угля;
л— кратер, заполненный светя-в_ НП1МИСЯ парами; 4-тОболочна лгля; 5 —фитиль; 6—омеднение
сивности называется особый вид пламенной дуги, положительный уголь которой имеет фитиль специального состава, содержащего фтористые соединения церия и лантан *. Дуга высокой интенсивности имеет следующие особенности:
1) повышенная плотность тока. Па тот же ток угли дуги высокой интенсивности имеют почти в два раза меньший диаметр по сравнению с пламенными углями;
2) в положительном угле при горении образуется углубленный кратер (рш'. З1.г>).
Яркость дуги высокой интенсивности в 3—4 раза больше яркости пламенной дуги. Причиной большой яркости дуги высокой интенсивности является свечение паров веществ фитиля под действием тока, проходящего через кратер. Яркость дуги зависит от силы тока, глубины кратера и количества светящихся элементов в парах, его заполняющих. При неправильном режиме работы дуги яркость ее сильно уменьшается или начинает колебаться во времени. Для образования правильного по форме и глубокого кратера имеет большое значение правильное расположение углей и питание дуги номинальным по величине током.
Изменение силы тока дуги на 1% вызывает изменение яркости ее на 3—4%.
* Фтор, церий и лантан — химические элементы.
332
Благодаря повышенной нагрузке угли высокой интенсивности сгорают очень быстро. Скорость сгорания их в 3—4 раза больше скорости сгорания пламенных углей. За одну минуту расстояние между электродами дуги высокой интенсивности увеличивается на 6—8 мм. Чтобы такая скорость сгорания пе приводила к нарушению режима дуги, в кинопроекторах с дугой высокой интенсивности применяют автоматическое сближение углей с помощью электродвигателя.
Дуга высокой интенсивности излучает свет, близкий по цветности к дневному свету, и поэтому дает наилучшие результаты при проекции цветных кинокартин.
Дуга высокой интенсивности применяется в кинопроекторе типа КПТ-1. Диаметр положительного угля 8 мм, отрицательного 7 мм; сила тока дуги 60 а, напряжение 40—45 в.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ XIГ
1. Как устроены лампы накаливания?
2. Чем отличаются пустотные лампы от газополных?
3. Что такое световая отдача лампы накаливания?
4. Как влияет температура нити на срок службы лампы?
5. Как влияет изменение напряжения на световой поток и на срок службы ламп накаливания? г •
6. Какие особенности имеют кинолампы?
7. Кем была открыта алектричсская дуга?
8. Какие явления происходят при дуговом разряде?
9. Что является основным источником света в дуге постоянного тока?
10. От каких величин пациент сопротпшнчшо дуги?
11. Для чего последовательно с дугой включается балластное сопротивление?
12. Как устроен балластный реостат?
13. С какой целью в углях применяют фитиль?
14. Почему положительный уголь берут толще отрицательного?
15. Какие недостатки имеет дуга переменного тока?
16. Какие особенности имеет дуга высокой интенсивности?
Глава XV
ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Общие сведения. Устройства, позволяющие преобразовывать (повышать или понижать) напряжение переменного тока, называются т р а и с ф о р м а т о р а м и. Трансформатор был изобретен русскими учеными П. Н. Яблочковым и И. Ф. Уса-гипым.
В 1882 г. И. Ф, Усагин применил трансформатор в установке для питания осветительных дуговых ламп переменным током.
Трансформатор является электромагнитным аппаратом. Устройство простейшего трансформатора показано на рис. 316. Основными частями трансформатора являются:
1) замкнутый стальной сердечник, по которому проходит магнитный поток. Этот сердечник называется магнитопроводом;
2) две обмотки из изолированного медного провода, электрически изолированные друг от друга и от сердечника. Обмотка, соединенная с зажимами источника тона, называется первичной обмоткой. Обмотка, к которой присоединяют приемник энергии, называется вторичной обмоткой.
Принцип действия трансформатора осповап на явлении электромагнитной индукннп. В нем происходят следующие процессы: переменный ток от источника проходит через первичную обмотку трансформатора и создает магнитное поле в сердечнике.
Магнитный поток в сердечнике трансформатора меняется по величине и направлению, так как он создан переменным током. В результате в каждой из обмоток индуктируется электродвижущая сила. Так как к вторичной обмотке трансформатора подключен приемник энергии, то под действием э. д. с. во вторичной обмотке проходит ток /2, и электрическая энергия передается в приемник.
Электрическая энергия передается из первичной цепи во вторичную, несмотря па то, что первичная и вторичная обмотки изолированы друг от друга. Передача энергии осуществляется переменным магнитным потоком, индуктирующим э. д. с. во вторичной обмотке. В трансформаторе происходит электро
324
a
Лг
в
б
Рис. 316. Устройство трансформатора: а — сердечник; б—первичная обмотка;
в — вторичная обмотка
магнитное преобразование энергии переменного тока.
Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в сердечнике также образуется магнитный поток, но он будет постоянным по величине и направлению. Так как магнитный поток в этом случае не меняется, то электро-движущие силы в обмот- х-1-*. ках трансформатора не и4*) индуктируются. Поэто-му напряжение на приемнике будет равно нулю; вторичйая цепь не получит электрической энергии из первичной цепи. Следовательно, в цепи постоянного тока трансформатор действовать не будет.
Условные обозначении трансформаторов на электрических схемах показаны на рис. 317.
Режимы работы трансформатора. Различают три характерных
1) режим холостого хода, разомкнута (т. е. вторичный ток равен нулю), а к первичной обмотке подведено номинальное напряжение;
2) режим работы под нагрузкой^ когда вторичная обмотка нагружена на сопротивление потребителя энергии;
3) режим короткого замыкания, когда вторичная обмотка замкнута накоротко. Короткое замыкание — аварийный режим, приводящий к порче трансформатора.
Изучая режимы холостого хода, работу под нагрузкой и короткое замыкание трансформатора, рассмотрим подробнее свойства трансформаторов и процессы, характеризующие их работу.
5
а
Рис. 317. Условное обозначение транс* форматора:
а — слаПоточпыо схемы; б —сильноточные схемы
режима работы трансформатора: когда цепь вторичной обмотки
§ 2. РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА
«
Трансформатор работает в режиме холостого хода в том случае, когда цепь вторичной обмотки разомкнута и к первичней обмотке подведено номинальное напряжение (рис. 318).
I! режиме холостого хода не происходит передачи энергии переменного тока во вторичную цепь, так как приемник энер-
335
текающии по первичной
Гис. 318. Режим холостого хода
кроме того, в сердечнике
гип ле подключен и в разомкнутой вторичной цепи ток равен пулю.
По отношению к сети переменного тока трансформатор ведет себя точно так же, как катушка с железным сердечником. Первичная обмотка трансформатора для переменного тока представляет сопротивление, имеющее индуктивную и активную составляющие.
Индуктивное сопротивление имеется потому, что ток, про-обмотке, намагничивает сердечник и за счет переменного магнитного потока в обмотке индуктируется э. д. с. самоиндукции, уравновешивающая напряжение сети (поэтому ее называют часто п р о т и в о электродвижущей силой первичной обмотки).
Активная составляющая сопротивления имеется потому, что провод обмотки имеет сопротивление и, происходят потери мощности на
нагрев. Активная мощность и сердечнике теряется на перемагничивание (па гистерезис) и па вихревые токи. Обычно в режиме холостою хода трансформатора преобладает индуктивное сопротивление, точно так же, как у катушки самоиндукции.
Коэфициент трансформации. Рассмотрим связь, существующую между электродвижущей силой первичной обмотки трансформатора Et и электродвижущей силой вторичной обмотки Е2.
В каждом витке обмотки трансформатора индуктируется одинаковая э. д. с., так как каждый из витков пронизывается одним и тем же магнитным потоком. Полная э. д. с. обмотки равна :>. д. с. одного витка, умноженной на число витков этой обмотки, так как витки соединены последовательно. Поэтому э. д. с. перппчnoii обмотки во столько же раз больше или меньше величины э. д. с. вторичной обмотки, во сколько раз число витков первичной обмотки больше или меньше числа витков вторичной обмотки, т. е. можно составить такую пропорцию:
Ei _
Ег w,
Таким образом, отношение э. д. с. первичной и вторичной обмоток трансформатора равно отношению чисел витков этих обмоток.
Напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора практически равны э. д. с. этих обмоток (с точностью до
336
2-1-5%), так как потери напряжения на сопротивлении обмоток весьма невелики. При режиме холостого хода трансформатора разница между э. д. с. и напряжением обмотки особенно мала, так как по первичной обмотке проходит ток холостого хода, который в 5-4-10 раз меньше номинального тока, а во вторичной обмотке ток равен пулю. Поэтому отношение э. д. с. можно заменить отношением напряжений обмоток трансформатора, и следовательно:
иг _
иг~~ w2 '
Трансформатор, у которого напряжение вторичной обмотки больше напряжения первичной обмотки, называется повышающим. У повышающего трансформатора число витков вторичной обмотки больше числа витков первичной обмотки.
Трансформатор, у которого вторичное напряжение меньше первичного, называется и о п и ж а ю щ и м. У понижающего трансформатора число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной обмотки.
Число, показывающее, во сколько раз напряжение первичной обмотки больше (или меньше) напряжения вторичной обмотки при режиме холостогб хода трансформатора, называется коэфициентом трансформации (обозначается и):
IT,
II
Так как отношение нинрижшшii при режиме холостого хода равно отношению чисел ниткой, то коэфпцпепт трансформации можно узнать, если известны числа витков обмоток *:
ш, п = ——
~-2,3. 55
Пример 1. Найти коэфициент трансформации, если напряжения, измеренные вольтметром на первичной и вторичной обмотках дугового трансформатора при режиме холостого хода, равны Uг= 127 в; ?72=55 в.
Решение. Коэфициент трансформации
<-/2
* Следует отметить, что коэфициент трансформации можно определить и как отношение чисел витков вторичной и первичной обмоток,
1 W2 гг
т. е. — -- — . При этом нужно помнить, что, выбрав то или иное определение коэфициента трансформации, следует придерживаться только данного определения. Часто также под коэфициентом трансформации понимают отношение числа витков обмотки высшего напряжения к числу витков обмотки низшего напряжения.
Такое определение удобно, так как величина коэфициента трансформации в этом случае всегда больше единицы.
чу Электротехника
337
П р и м е р 2. Найти коэфициент трансформации трансформатора, обмотки которого имеют числа витков да1=ЗЗО и ща=- 55.
Р е ш е н и е.
w, п = —1
330 __ 6
55
Пример 3. Требуется узнать, каким коэфпциептом трансформации должен обладать трансформатор для питания кинопроекционной лампы 30 в 400 вт от сети с напряжением U!=---220 в.
Решение. Необходимо применить понижающий трансформатор с коэфициентом трансформации
V. 220 „
n=TT2= зо=7>3’
Ток холостого хода и магнитный поток трансформатора. Ток первичной обмотки при режиме холостого хода /0 называется током холостого хода трансформатора.
Ток холостого хода создает намагничивающую силу (ампервитки) первичной обмотки трансформатора /оьс>|, которая намагничивает сердечник. Величина тока холостого хода должна быть достаточна для создания необходимого магнитного потока.
Магнитный ноток трансформатора при всех режимах работы имеет всегда такую величину, что индуктируемая им э. д. с. уравновешивает напряжение сети.
Если магнитный поток становится по каким-либо причинам меньше, то э. д. с. обмотки также уменьшается и перестает уравновешивать напряжение сети. Это равносильно тому, что уменьшается индуктивное сопротивление обмотки, и поэтому увеличивается ток. Увеличение тока приводит к увеличению магнитного потока, а с.к'дователыю, и к увеличению э. д. с. самоиндукции в обмотке трансформатора. Увеличение тока и магни тного потока будет происходить до тех пор, пока э. д. с. обмотки трансформатора не будет уравновешивать напряжение сети.
Величина тока холостого хода зависит от конструкции трансформатора, материала сердечника, размеров сердечника, числа витков первичной обмотки.
Ток холостого хода необходим для работы трансформатора, по он не является полезным током, и поэтому его желательно уменьшать. Для этого нужно уменьшать магнитное сопротивление сердечника, так как тогда потребуется меньше ампервитков, а значит, уменьшится и сила тока.
В качестве материала сердечника применяют материал с большой магнитной проницаемостью — трансформаторную сталь.
338
Кроме того, стремятся уменьшить воздушные зазоры при сборке сердечника, так как воздух оказывает большое сопротивление магнитному потоку.
Сердечник трансформатора не должен быть насыщен, так как насыщение приводит к уменьшению магнитной проницаемости (т. е. к увеличению магнитного сопротивления) и, кроме того, к увеличению потерь на нагревание сердечника.
У современных трансформаторов ток холостого хода равен 5—30% номинального рабочего тока первичной обмоткп.
Рассмотрим, что будет происходить, если меняется напряжение, подведенное к первичной обмотке трансформатора.
Пока напряжение меньше того, на которое рассчитана обмотка трансформатора, никаких особых явлений но произойдет. Магнитный поток в сердечнике также будет меньше расчетного, а поэтому и ток холостого хода потребуется небольшой.
Если напряжение, подведенное к первичной обмотке, увеличивается по сравнению с поминальным, то должен увеличиться и магнитный поток в сердечнике. При некотором увеличении напряжения наступает насыщение стали магнитопровода. При насыщении стали для увеличения магнитного потока потребуется очень большой ток. Это означает, что ток холостого хода трансформатора может быть настолько большим, что превысит номинальный рабочий ток первичной обмотки. Провод обмотки рассчитан на определенную силу тока; если ток больше номинального, то нагрев обмотки окажется недопустимым и трансформатор может испортиться, так как разрушится изоляция ого обмотки.
При этом трансформатор, даже пепагружеппып, будет представлять очень малое сопротивление, что вредно отразится на работе сети. Если, например, к обмотке трансформатора, рассчитанной на напряжение £7\=110 в, подвести напряжение 220 в, то сила тока холостого хода может увеличиться в 20— 30 раз и в несколько раз превысит номинальный рабочий ток первичной обмотки. Поэтому обмотка трансформатора должна быть всегда включена на то напряжение, на которое опа рассчитана.
§ 3. РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА НА НАГРУЗКУ
Основные явления. Пусть к трансформатору подключен приемник с сопротивлением z (рис. 319). При этом во вторичной цени появляется ток, который по закону Ома равен
— z
Появление тока во вторичной обмотке приводит к тому, что сердечник намагничивается не только током первичной
22*
339
обмотки, по и током вторичной обмотки. Ток вторичной обмотки появился в результате электромагнитной индукции, поэтому но правилу Ленца он препятствует причине, его вызвавшей, т. с. оказывает размагничивающее действие на сердечник. Размагничивающее действие вторичной обмотки пропорционально ее ампервиткам I2w2. Однако уменьшения магнитного потока в сердечнике почти не происходит. Это можно объяснить так: когда в результате размагничивающего действия вторичной обмотки магнитный поток уменьшается, то уменьшается э. д. с., индуктируемая в первичной обмотке. Но при этом э. д. с. первичной об: мотки перестает уравновешивать | напряжение сети, что вызывает
А увеличение тока в первичной об-
мотке, т. е. увеличение ампервит-
-г> ков первичной обмотки:
-* 1^.
Рис. 319. Режим нагрузки Увеличение тока первичной обмотки происходит до тех пор, пока магнитный поток но принимает первоначального значения и тем самым восстанавливается равенство напряжения и э. д. с. в первичной цепи. В трансформаторе ток первичной обмотки всегда увеличивается настолько, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие тока вторичной обмотки. Поэтому увеличение мощности нагрузки во вторичной цепи всегда сопровождается увеличением мощности, потребляемой от сети.
Для того чтобы магнитный поток трансформатора остался таким же, как я при холостом ходе, необходимо, чтобы результирующие нампгннчншнощно ампервитки первичной и вторичной обмоток были такими же, как ампервитки первичной обмотки при холостом ходе.
Учитывая, что ампервитки вторичной обмотки оказывают размагничивающее действие, можно записать
г\Щ1- i2w2 = i0^i-
Как говорилось раньше, ток холостого хода по величине очень мал (5—30%) по сравнению с нормальным первичным током. Поэтому можно приближенно считать, что г1ш1=1адаа или для действующих значений тока 1^=1.^. Это равенство указывает на приближенное равновесие ампервитков п о р в и ч 1LO й и вторичной обмоток при работе трансформатора. Следует твердо помнить условие приближенного равновесия напряжения и э. д. с. в первичной цопи и условие приближенного равновесия ампер:
340
в и тк о п первично й и в т о р в ч пой о б м о т о к, тан как они определяют процессы, происходящие в трансформаторе.
Соотношение токов. Условие приближенно!о равновесия ампервитков можно переписать в таком виде:
11 _
1г Щ
Токи первичной и вторичной обмоток обратно пропорциональны числам витков обмоток.
Если трансформатор повышающий, т. е. число витков первичной обмотки меньше числа витков вторичной обмотки, то сила тока первичной обмотки больше силы тока вторичной обмотки, и наоборот.
Пример. Найти ток первичной (сотовой) обмотки трансформатора, питающего дугу кинопроектора, если ток дуги /2==:50«. Известно, что числа витков равны йу2 = 55, w1 = 220.
Решение. Так как /х w±=I2 w2, то ток первичной обмотки равен 1Х=12 ^=50-|^=12,5 а.
Мощность. Мощность, потребляемая трансформатором от сети, больше мощности приемника, питающегося от трансформатора, потому что и трансформаторе тратится мощность на нагревание обмоток' и сердечника. Так как эти потери мощности невелики по cpaiineiiiiio с мощностью приемника, то ими можно пренебречь и приближение считан., чю
1\
или
£71/1 cos ©j U2/2 cos ф2.
Коэфициент полезного действия. Если учитывать потери мощности в трансформаторе, то следует записать, что мощность первичной цепи больше мощности вторичной цепи на величину мощности потерь:
р ~ р с />
1 1 ' 2 । ' num-pi.-
Мощность потерь складывается из потерь па нагрев обмоток (потери в меди) и потерь на нагров сердечника (потери в железо). Мощность потерь у большинства трансформаторов но превышает 5—10% от мощности, передаваемой приемнику (у маленьких трансформаторов потери могут доходить до 15 %).
Характеризовать экономичность передачи энергии трансформатором можно, введя понятие о коэфициенте полезного действия трансформатора.
Коэфициентом полезного действия трансформатора называется отношение полезной мощности
341
(породаваемой приемнику) к затраченной мощности (полученной от сети):
Рг
Так как
р —р Л- р
2 1 2 ‘ 2 потерь'»
ТО
1 Р 4- Р '
г2тг потерь
Коэфициент полезного действия трансформатора показывает, какая доля полученной мощности передается в приемник. У современных трансформаторов коэфициент полезного действия высок и составляет 0,90 —0,98 (т. е. 90—98%).
Пример. Определить коэфициент полезного действия и затраченную мощность, если мощность потерь в трансформаторе />пОтерь=120 вт, а мощность, передаваемая приемнику, /)2=1680 вт.
Решение. Затраченная мощность
^ = ^+^^ = 1680+120=1800 вт.
Коэфициент полезного действия
_ Pt_________ 1680 _ 1680__„ Р^+Рпотеръ 1680+120 1800~U,a°d
или в процентах
т)=0,935-100%=93,5%.
Рассеяние. До сих пор, рассматривая работу трансформатора, мы считали, что магнитный поток, пронизывающий первичную и вторичную обмотки, одинаков. Однако это не совсем тв к.
Часы, магнитных линий пронизывает нитки только первичной обмотки, но но пронизывает витков вторичной обмотки. Эта часть магииiного потока <7%, называется потоком ]> а с с о я п и я п е р в и я н о й обмотки (рис. 320).
Магнитный поток рассеяния первичной обмотки индуктирует э. д. с. только в первичной обмотке и не индуктирует э. д. с. во вторичной обмотке. Точно так же часть магнитных линий, пронизывающих только вторичную обмотку Фйг, называется потоком рассеяния вторичной обмотки.
Магнитные потоки рассеяния не участвуют в передаче электрической энергии из первичной цепи трансформатора во вторичную, в отличие от потока в сердечнике, который пронизывает обе обмотки и называется рабочим потоком.
Добавочные э. д. с., индуктируемые в обмотках трансформатора потоками рассеяния, вызывают уменьшение напряже-342
ния на приемнике на несколько процентов. По величине потоки рассеяния тем больше, чем больше ток в обмотках трансформатора. Действие потоков рассеяния равносильно включению последовательно с первичной и вторичной обмотками трансформатора, не имеющего рассеяния, небольших индуктивных катушек LSi и Ll4> (рис. 321).
Индуктивности LSi и LSi должны быть такими, чтобы падения напряжения на катушках численно равнялись добавочным э. д. с. рассеяния, индуктируемым в обмотках потоками рассеяния. Эти индуктивности называются: 1) и и д у к т и в-
ность рассеяния первичной обмот-к и LS1 и 2) и н д у к-тивность рассеяния в т о р и ч н о й обмотки Ls .
Если сопротивление приемника, подключенного ко вторичной обмотке трансформатора, меняется, то изменяется сила тока во вторичной и первичной обмотках.
Чем больше сила тока, тем больше падение напряжения на активных
сопротивлениях н индук-
тивностях рассеяния трап- 1,11 ’ ,'“1- ,1ид> ктшпии тп рассеяния сформатора. Это вызы-
вает уменьшение напряжения па приемнике. Таким образом, активное сопротивление обмоток и индуктивности рассеяния играют роль внутреннего сопротивления трансформатора. Обычно изменение напряжения на вторичной обмотке при изменении тока нагрузки от нуля до номинального не превышает 10% от напряжения вторичной обмотки при холостом ходе.
Короткое замыкание. При авариях в приемнике или неправильном включении вторичная обмотка трансформатора может оказаться замкнутой накоротко. При коротком замыкании вторичной обмотки во вторичной цепи имеется только сопротивление самой обмотки трансформатора, которое очень мало. Поэтому сила тока во вторичной цепи в несколько десятков раз увеличивается по сравнению с номинальной силой тока. Ток первичной обмотки, как мы знаем, пропорционален току вторичной обмотки и поэтому также увеличивается по сравнению с номинальным током в десятки раз. Это означает, что для сети трансформатор является приемником с очень малым сопротивлением. Следовательно, короткое замыкание во вторичной цепи трансформатора равносильно короткому замыканию сети,
343
к которой подключен трансформатор. Если но имеется плавких предохранителей, защищающих сеть, то перегрев проводов линии может привести к аварии.
Короткое замыкание может привести также к аварии самого трансформатора (так как ток в обмотках трансформатора увеличивается, то увеличиваются и потери мощности па нагрев Обмоток).
Сильное повышенно температуры обмоток вызывает разрушение их изоляции. Разрушение изоляции обмоток приводит к тому, что отдельные витки ^одноп из обмоток могут оказаться замкнутыми накоротко; может также произойти замыкание первичной обмотки со вторичной. Это обычно приводит к полной аварии трансформатора.
§ 4. УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ
Трансформаторы отличаются друг от друга устройством сердечника, обмоток, изоляции и т. д.
При расчете и изготовлении трансформаторов стремятся получить высокий коэфициент полезного действия, небольшие размеры трансформатора, надежность его в работе.
В качестве материала сердечника применяют листовую электротехническую сталь, имеющую малые потери на гистерезис. Сердечник собирают из отдельных листов толщиной 0,5 или 0,35 мм, покрытых с одной стороны лаком или оклеенных тонкой бумагой. Это делается для уменьшения потерь на вихревые токи.
Тонкие листы электрически изолированы друг от друга. Поэтому поперечное сечение сердечника выглядит так, как показано на рис. 322,а. Токи, индуктируемые в толще сердечника, замыкаются отдельно в каждом тонком листе, как показано <’| | >('. ! 1,'ПМ в.
Пун- дли 'го|,оп полу часки длинным, а поперечное сечение згого nyiii iiei'ii>.||,п111м. Но:г|ому вихревым токам оказывается большое coiipoiив,пение, н они могут создавать лишь малые потерн мощности. Если же сделать сердечник из сплошного куска (рис. 322,6), то поперечное сечение пути, по которому проходят вихревые токи, будет большим, а его сопротивление— малым. Поэтому вихревые токи будут иметь большую величину, и потери мощности сильно увеличатся.
По форме сердечника трансформаторы делятся на стержневые и броневые.
Сердечник стержневого трансформатора собирается из Г-об-разных пластин, как показано на рис. 323. Пластины накладываются так, чтобы зазоры каждого следующего слоя не совпадали с зазорами предыдущего слоя (рис. 324). Иногда каждый слой стержневого сердечника собирается из четырех отдельных пластин (рис. 325). Уменьшение зазоров позволяет
344
уменьшить ток холостого хода и потоки рассеяния трансформатора.
Сердечник броневого трансформатора собирается из пластин 111-образной формы, как показано па рис. 326.
Для изготовления обмоток применяют обмоточные изолированные медные провода различных марок:
ПБД — провод с двойной хлопчатобумажной изоляцией. Такая изоляция выдерживает температуру до 85°С без повреждений;
Рис. 322. Вихревые токи:
а - в сердечнике из отдельных листов;
б —в сплошном сердечнике
Рис. 323. Сердечник стержневого трансформатора
Рис. 324. Сборка Г-образпых пластин:
а— первый слой; б — второй слой
Рис. 325. Сборка прямоугольных пластин:
а — первый слой; б—второй слой
ПВО—такой же провод, как и ПБД, но с одним слоем хлопчатобумажной изоляции;
ПЭЛ — провод, покрытый эмалевым лаком, лакостойкий. Эмалевая изоляция выдерживает без повреждений температуру до 105°С.
Провода ПШД или ПШО с шелковой изоляцией применяются редко.
Провода ПБД и ПВО применяются для изготовления обмоток трансформаторов большой и средней мощности. После изготовления обмотку часто покрывают или пропитывают изолирующим лаком, что повышает ее влагостойкость.
Провод с эмалевой изоляцией изготовляется небольших сечений и применяется для намотки небольших трансформаторов.
Обмотки наматываются на специальном каркасе из плот-
345
пого картона — прссслпнапа, . пропитанного парафином пли изолирующим лаком (рис. 327).
Первичная и вторичная обмотки б|юневого трансформатора наматываются на одном каркасе, одна поверх другой (рис. 328). Между слоями одной обмотки и между разными обмотками прокладываются слои изоляции из специальной бумаги или ткани. Выводы от обмоток пропускаются через стенку каркаса. Снаружи обмотки небольших трансформаторов обертываются изолирующим материалом.
Броневой трансформатор с сердечником и обмотками показан на рис. 329. Магнитный поток из среднего стержня проходит в крайние стержни, т. е. имеет два параллельных пути.
Обмотки стержневого трансформатора располагают на двух каркасах (рис. 330). На каждом каркасе находится половина первичной и половина вторичной ' обмотки. В стержневом трансформаторе магнитный поток н^пмеет разветвлений. Стержневые трансформаторы имеют большие потоки рассеяния, чем броневые.
Сердечник трансформатора плотно стягивается с помощью болтов и специальных планок для того, чтобы он при работе не гудел. Болты и планки изолируются от сердечника немагнитным материалом. В устройствах для усиления звуковых колебаний трансформаторы снаружи защищают железными чехлами — экранами. Вид трансформатора в экране показан на рис. 331. Экран делается для того, чтобы магнитные поля трансформатора (потоки рассеяния) не оказывали влияния на другие детали усилительного устройства (не создавали бы помех при воспроизведении звука).
В специальных случаях, когда нужно уменьшить потоки рассеяния, обмотки трансформаторов делают секционированными. Каждая из обмоток разделяется на несколько частей — секции. < '.екции первичной и вторичной обмоток при намотке чередуются друг <’ другом. Один из способов выполнения секционированных обмоток 110101:11111 на рас. 332.
Ври расчете трансформатора число витков каждой из его обмоток выбирается в зависимости от рабочего напряжения обмотки. Сечение провода выбирается по силе тока обмотки. Так как в обмотке с меньшим числом витков обычно проходит больший ток, то она наматывается толстым проводом. Повышающая обмотка трансформатора наматывается тонким проводом.
Надежность работы трансформатора определяется качеством изоляции самого провода обмоток, изоляции между обмотками и изоляции обмоток от сердечника.
Изоляция может выдерживать лишь определенную температуру. Следовательно, необходимо, чтобы нагрев трансформатора, определяемый мощностью потерь в обмотках и в сердечнике, не превосходил допустимого. Нагрев обмоток зависит от силы тока. Поэтому недопустимо повышение силы тока по 346
Рис. 326. Сердечник броневого трансформатора
Рис. 327. Каркас
Рис. 328. Обмотки трансформатора:
I — каркпс; 2 — iicpnii'iiiiiH обмотка; 2 — яторпчшш обмотка; 4—выводы обмотки; 5 — ИЗОЛЯЦИИ М«)|(ДУ обмотками; в — нарушили начли-ПНЯ обмотки
Рис. 329. Броневой трансформатор
Рис. 330. Стержневой трансформатор
347
сравнению с номинальной, тан как потери на тепло по закону Ленца—Джоуля увеличиваются пропорционально квадрату тока.
Для уменьшения нагрева трансформатора необходимо создавать хорошие условия его охлаждения. Вблизи . трансформатора не должно быть нагревающихся детален (например,
Рис. 331. Трансформатор в экране
1 —секции нсриичной обмптнп,- ГСНЦВИ вторичной оОмочни
реостатов). Должен быть обеспечен свободный доступ охлаждающего воздуха к трансформатору. Иногда применяют искусственные меры дли охлаждения трансформаторов.
§ 5. ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Электроэнергию выгодно передавать при высоком напряжении. Чем выше напряжение, тем меньше должна быть сила тока при одинаковой мощности. Для линии передали высокого напряжения можно применять провода малого сечения. Генераторы на электростанциях вырабатывают энергию при напряжении до 16 кв, а приемники энергии обычно требуют напряжения от 500 до 110 в. Для линии передачи выгодно применять напряжение 110 или 220 кв. Поэтому на электростанциях устанавливают трансформаторы, которые повышают напряжение от 16 до 110 кв или 220 кв. В конце линии передачи находятся транс-
форматорные подстанции, на которых имеются понижающие трансформаторы. Напряжение понижается до 6 кв, и затем
энергия поступает к отдельным промышленным предприятиям.
через трансформаторные
киоски.
трансформаторных
киосках
с помощью трансформаторов напряжение понижается еще раз до ЗКО пли 220 в (рис. 333).
Трансформаторы широко применяются в различных областях техники. Например, уже говорилось о применении транс-
форматоров напряжении и тока для расширения пределов измерений вольтметров, амперметров и ваттметров переменного тока. В кинотехнике трансформаторы широко применяются
348
для регулирования напряжения. Напряжение сети переменного тока обычно меняется в зависимости от нагрузки. Изменения напряжения вредно отзываются на работе приемника.
С помощью специального трансформатора на приемнике можно поддерживать номинальное напряжение. Первичная обмотка такого трансформатора имеет несколько отводов (рис. 334), приемник подключается к вторичной обмотке. С помощью Переключателя 11 можно менять число включенных витков рервичной обмотки. Если в сети напряжение меньше номинального., например 92 в вместо 127 в, то переключателем уменьшают число витков первичной обмотки настолько, чтобы на вторичной обмотке сохранилось прежнее напряжение. Для этого переключатель передвигают па зажим с надписью 90 в. Если в сети напряжение стало больше номинального, например 130 в, то переключателем увеличивают число включенных витков первичной обмотки. Таким образом, меняя коэфициент трансформации, можно скомпенсировать изменения напряжения сети. Регулировать напряжение выгоднее трансформатором, чем реостатом. В реостате теряется большая часть энергии на тепло. Кроме того, реортатом можно только уменьшить напряжение на приемнике по сравнению с напряжением сети. В трансформаторе потери энергии невелики, всего. 5—10%. Кроме того, трансформатор позволяет и повысить и понизить напряжение. Специальные трансформаторы для регулирования напряжения применяются во всех киноустановках.
С помощью трансформа гора можно от одной сети питать несколько приемников, требующих различного напряжения.
Рис. 333. Схема передачи энергии:
а — линия высокого напряжении; б — повышающий трансформатор; в — понижающая трансформаторная подстанция; а — трансформаторные киоски
Приемник
I! таких случаях трансформатор имеет одну первичную и несколько вторичных обмоток. Такие трансформаторы называются м ногообмоточными.
Схема многообмоточного трансформатора показана на рис. 335. Такие трансформаторы применяются в радиоприемниках, в усилительных устройствах для воспроизведения звука, в киноустановках. Их часто называют силовыми трансформаторами. Необходимые напряжения для питания накала электрон-
349
пых ламп в усилительной аппаратуре 5 и 6,3 в. Для анодных выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный, требуется два одинаковых напряжения примерно по 400 в, сдвинутых по фазе на угол 180°. Для этого трансформатор имеет одну из вторичных обмоток с выводом от средней точки (обмотка II). Напряжения между средней точкой и каждым из концов обмотки А и Б равны по величине и сдвинуты по фазе на угол 180°. Если, например, мгновенное напряжение всей обмотки равно 800 в, то средняя точка будет иметь отрицательный потенциал по сравнению с точкой А (—400) и положительный потенциал по отношению к точке Б (Ц-400). Поэтому можно сказать, что напряжение U' в любой момент имеет знак, обратный напряжению U", т. е. они сдвинуты по фазе на угол
Рис. 334. Трансформатор для регулирования напряжений
two /
О—
Рис. 335. Многообмоточный трансформатор усилительного устройства
180°. Все вторичные обмотки многообмоточного трансформатора изолируются друг от друга, поэтому приемники, питающиеся от разных обмоток, электрически друг с другом не связаны.
Трансформаторы часто устраивают таким образом, чтобы их можно было подключать к разным напряжениям сети, не изменяя величины напряжены! вторичных обмоток. Например, имеются трансформаторы, рассчитанные на подключение к сети 110 и 220 в. Первичная обмотка в этом случае состоит из двух одинаковых обмоток, как показано на рис. 336,а.
Каждая из обмоток (wa и w6) имеет число витков, соответствующее напряжению 110 в. Для подключения к сети с напряжением 220 в обе обмотки соединяются последовательно, т. е. конец обмотки wa соединяется с началом обмотки wg (рис. 336,6). Поэтому общее напряжение двух последовательно соединенных обмоток равно 2 • 110=220 в. Если трансформатор должен быть подключей к сети 110 в, то обмотки wa и ws соединяются параллельно, т. е. начало обмотки wa соединено с началом обмотки w6, а конец обмотки wa с концом обмотки
350
wn (рис. 336,в). В этом случае сила тока в первичной цепи трансформатора будет в два раза больше, а напряжение в два раза меньше, чем при последовательном соединении. При таких переключениях следует помнить, что нужно правильно соединять начала и концы обмоток.
Если соединение выполнить неверно, например при последовательном включении обмоток соединить начало обмотки wa с началом обмотки w6, то это приведет к короткому замы-
а ив
Рис. 336. Подключение первичной обмотки на 220 и ПО в
каниго (потому что э. д. с., индуктируемые в обмотках wa и шб, будут направлены по фазе противоположно и их сумма будет равна нулю; напряжение сети по будет уравновешиваться
Рис. 337. Трансформатор в цепи пульсирующего тока: а — постоянный и переменный ток; б — переменный ток
электродвижущей силой первичной обмотки трансформатора, а это равносильно короткому замыканию сети).
Мы рассматривали трансформаторы, которые применяются при передаче электрической энергии переменного тока промышленной частоты (50 гц). Частота тока остается одинаковой и процессе работы трансформатора. Особенностью работы трансформаторов, применяющихся в радиотехнике и в усили-•1слях звукового кино, является то, что частота тока, проходящего по их обмоткам, меняется. Иногда бывает, что через первичную обмотку трансформатора одновременно проходит постоянный и переменный ток (рис. 337). Магнитный поток в сердечнике трансформатора также имеет постоянную составляющую, созданную намагничивающей силой постоянного
351
токи, и переменную составляющую, созданную памаспичпкающей силой переменного тока первичной обмотки.
Во вторичной обмотке индуктируется :>. д. с. только при изменениях магнитного потока. Постоянный магнитный ноток не оказывает влияния на вторичную обмотку. Поэтому во вторичной обмотке трансформатора появится только переменный ток, соответствующий переменной составляющей потока в магнитопроводе. Трансформатор может быть повышающим или понижающим, в зависимости от того, какое должно быть напряжение на приемнике по сравнению с переменным напряжением первичной обмотки.
§ 6. АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ
Особенности автотрансформаторов. Автотрансформатор отличается от трансформатора тем, что у него первичная и вторичная обмотки имеют общие витки. Автотрансформаторы могут быть понижающими и повышающими. На рис. 338 показана схема понижающего автотрансформатора, а па рис. 339—-схема повышающего автотрансформатора. Из схемы автотрансформатора видно, что у него полное число витков образует одну из обмоток, а вторая обмотка является частью первой. У понижающего автотрансформатора вторичная обмотка является частью первичной, а у повышающего наоборот. Один конец обмотки является общим для приемника и для сети (точка О). Приемник, подключенный к сети через автотрансформатор, от сети электрически не изолирован, как это было в случае применения трансформатора. Принцип действия автотрансформатора точно такой же, как у трансформатора. В обмотке автотрансформатора переменный магнитный поток индуктирует электродвижущую силу. Величина электродвижущей силы зависит от числа шггков обмотки. Следовательно, ианриженио <<•111 и miiipnannnie па приемнике различны, так Kai; они подключены к различным числам uiiikoj::
Первичный и вторичный токи обратно пропорциональны числам витков обмоток:
Л _ а>8 _ 1
Ц Wi п
Вторичный ток так же, как и в трансформаторе, создает размагничивающее действие, т. е. по фазе противоположен первичному току. В общей части витков обмотки автотрансформатора проходят оба тока — первичный и вторичный. Так как эти токи направлены навстречу друг другу, то сила тока 352
в общей части витков автотрансформатора равна разности первичного и вторичного тока:
'Ц-
Если по величине токи 1Г и 72 близки друг другу, то их разность невелика. Поэтому общая часть витков может быть намотана проводом малого сечения. Это выгодно, так как уменьшается вес обмоток и размеры всего автотрансформатора. Токи и 72 близки друг другу по величине, если коэфициент трансформации близок к единице. Поэтому автотрансформаторы выгодно применять тогда, когда требуется немного повысить или понизить напряжение. При этих условиях автотрансформа
0
Рис. 338. Схема понижающего автотрансформатора
Рис. 339. Схема повышающего автотрансформатора
тор может быть в два-три рази легче по несу и меньше по размерам, чем трансформатор такой же мощности. Автотрансформаторы часто применяются для регулирования напряжения. Для этого обмотку автотрансформатора делают с отводами для изменения коэфициента трансформации. Кроме того, обычно обмотка автотрансформатора рассчитывается так, чтобы его можно было подключать к сети с напряжением 120 и 220 в. Такие автотрансформаторы применяются в кинотехнике для питания передвижной киноаппаратуры. Принципиальная схема автотрансформатора, рассчитанного на подключение к сети 120 в или 220 в и регулировку напряжения, показана на рис. 340. У автотрансформатора имеется дополнительная обмотка, рассчитанная на питание приемника небольшой мощности с напряжением 5 в.
Для работы от сети 120 в напряжение подводится к зажимам А и Б. Для работы от сети 220 в напряжение подводится к зажимам А и В. При этом коэфициент трансформации изменяется приблизительно в два раза, и напряжение на приемнике оказывается попрежнему равным 110 в. При изменениях сетевого напряжения величины напряжений на приемниках поддерживаются переключателем 77. Для того чтобы знать, правильное ли положение имеет переключатель, автотрансформатор снабжается вольтметром, указывающим номинальное напряжение
23 Электротехника 353
па одном из приемников. Если напряжение сети изменилось и вольтметр показывает напряжение меньше или больше номинального, то переключатель следует передвинуть так, чтобы вольтметр снова показывал поминальное напряжение. Тогда
напряжение, несмотря ва изменение напряжения сети.
Переключатель Пр имеет два ползуна для того, чтобы при переключениях цепь не разрывалась. Один из ползунов в момент переключения остается на старом контакте, а другой переходит на новый контакт.
Между ползунами включено сопротивление для того, чтобы секция обмотки не была замкнута на-
на всех приемниках будет поминальное
Рис. 340. Автотрансформатор для регу-лпропшшя пан ряжения
коротко. Затем оба ползуна переходят на новый контакт, как показано на рис. 341.
Каждый автотрансформатор рассчитан на подключение приемника определенной мощности к соответствующим выход-
Рпс. 341. Работа переключателя: а — старое положение; б — момент переключения; в — новое положение
ным зажимам. Поэтому, например, к зажимам обмотки 5в 35 вт нельзя подключить приемник, рассчитанный на 5 е с мощностью 200 вт или 500 вт, так как ток в этой обмотке будет больше номинального п обмотка будет перегреваться. К зажимам с надписью 110 б 900 вт можно подключить приемники с общей мощностью не более 900 вт.
Промышленные автотрансформаторы. По описанной выше схеме изготовляются регулировочные автотрансформаторы типа 354
КАТ. Автотрансформаторы тина КЛТ-7, КАТ-7а, КАТ-8, КАТ-9 рассчитаны на работу с передвижными кинопроекторами типа К-25, К-35, 16-ЗП, имеющими проекционные лампы мощностью 300, 500 или 750 вт при напряжении 110 в. Мощность этих автотрансформаторов около 1000 ва и номинальные выходные напряжения 110 в — для питания усилителя, двигателя кинопроектора и проекционной лампы и 5 в — для питания просве-
Рис. 342. Автотрансформатор КЛТ-11 и его схема:
1 — переключатель; 2 — к проектору; з — к проекционной лампе 30 в 400 вт; 4 — к ирос.пс'швающсй лампе
5 в 35 вт
'1ИН11ЮЩСП лампы; напряжение на нагрузке поддерживается । о'пви тыо А: 3 % при колебаниях напряжения сети-в пределах • о S5 до 135 в (при питании от сети 127 в) или от 180 до 230 в (при питании от сети 220 в).
11 о тличие отКАТ-7 и КАТ-8, в автотрансформаторе КАТ-9 р< । \ лпрование напряжения производится с помощью ступен-13оно переключателя без разрыва цепи.
Iпоследние годы кинопромышленность выпустила более
। рнюппые по конструкции, но мало отличающиеся по прин-
23* 355
цинпальной схеме автотрансформаторы типа КАТ-11, КАТ-12, КАТ-14, предназначенные для работы с, передвижными проекторами К-101, К-301, К-303, КПС, 16-ПП-1 («Украина»), в которых применяется проекционная лампа 30 в 400 вт.
Автотрансформатор КАТ-11. Автотрансформатор КАТ-11 (рис. 342) предназначен для питания передвижных проекторов К-101, К-301 и К-303 с проекционной лампой 30 в 400 вт.
В отличие от КАТ-7 и КАТ-8, автотрансформатор КАТ-11 имеет три выходных напряжения: 110 в для питания двигателя проектора и усилителя; 30 в для питания проекционной лампы (400 вт 30 в) и 5 в для питания лампы просвечивания. Общая мощность составляет около 7.50 ва.
Автотрансформатор позволяет поддерживать поминальное напряжение на приемниках при изменениях сетевого напряжения от 85 до 135 в (для сети с поминальным напряжением 127 в) и от 180 до 230 в (при работе от сети с номинальным напряжением 220 в). Точность, с которой можно поддерживать выходное напряжение, составляет около ±z3%.
Д а п и ы с а б м о т о к
J-2 )()) виток ПБД 0 1,61;
II 2- 42 нитка ПБД 0 1,35;
III 2х 30 витков ПБД 0 2,44;
IV—2х(6х9) витков ПБД 0 1,81;
V—2x6 витков ПБД 0 2,44.
Автотрансформатор КАТ-12. Принципиальная схема автотрансформатора КАТ-12 не отличается от схемы КАТ-11, однако общая мощность его больше и составляет 1100 ва. Автотрансформатор и все вспомогательные детали смонтированы на общей панели и помещены в металлический кожух с открывающейся передней крышкой (рис. 343). На передней панели установлены: вольтметр для контроля напряжения, рукоятка регулятора напряжения, у топленные штепсельные вилки для включения автотрансформатора в есть с поминальным напряжением 127 или 220 в, плавкий предохранитель на 10 а для защиты от коротких замыканий и три штепсельных гнезда: на ПО в для включения проектора и усилителя, на 30 в для включения проекционной лампы (30 в 400 вт) и на 5 в для включения лампы просвечивания (5 в 35 вт). Регулирование напряжения осуществляется без разрыва цепи 13-ступенчатым переключателем ползункового типа ступенями по 5—6 в.
Автотрансформатор КАТ-14. Автотрансформатор КАТ-14 мощностью 750 ва предназначен для работы с широкопленочными передвижными кинопроекторами типа К-101, К-301, К-303 и КПС, а татке в комплекте с узкопленочной передвижной киноустановкой «Украина». Внешний вид и принципиальная схема автотрансформатора КАТ-14 показаны на рис. 344. На передней панели четыре пары выходных штепсельных гнезд
356
Рис. 343. Автотрансформатор КАТ-12 и его схема
Рис. 344. Автотрансформатор КАТ-14 и его схема
с напряжениями: 110 в для питания усилителя и двигателя проектора, 30 в для питания проекционной лампы (эти две пары гнезд конструктивно объединены так, чтобы нельзя было ошибочно включить в них проекционную лампу на 110 о) и 5 в для питания лампы просвечивания 5 в 35 вт. Для регулирования напряжения применяется 13-ступенчатый ползунковый переключатель (на 5—6 в каждая ступень), с помощью которого можно поддерживать выходные напряжения с точностью z!z 2,5 % при изменениях напряжения питающей сети в пределах от 70 до 130 в для сети 127 в и от 170 до 230 в для сети 220 в.
Технические данные автотрансформатора КАТ-14
Номинальная мощность................... 750 ва
Номинальные выходные напряжения .... 110 с, 30с, 5 о Одновременно снимаемая мощность:
а) с, одной пары гнезд 110 с.........315 ва
или с двух пар гнезд одновременно по 157 ва с гнезд 30 с.......................400 ва
с гнезд 5 в .............. .35 ва
б) при подключении нагрузив только к одной пире гнезд 1 10 в...............750 ва
пределы плмененнв III1111»II I :е| II111 coin;
а) дли сети 1 27 «................... 70—130 в
б) дли rein ?''о в................... 170—230 в
Их лджденне i к tу in 11 ие естественное Min 1нг>11|1|ю|юд......................Г-34, сечение
21,5 см2
Габаритные размеры (с открытой ручкой) . , 390х285х
X 155 мм
Вес ...................................около 13,5 кг
Данные обмоток
I—2x81 виток ПЭЛБО 0 1,56;
11 — 2x25 питков ПБД 0 2,26;
III—2x23 витка ПБД 0 1,35;
IV—2x57 витков ПБД 0 1,35;
V—2х 4,5 нитка ПЭЛБО 0 1,56.
При перевозке п переноске автотрансформаторов резкие толчки недопустимы, так как они могут привести к повреждению вольтметра.
§ 7. ДУГОВЫЕ АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ И ТРАНСФОРМАТОРЫ
Во многих случаях для питания дуг стационарных кинопроекторов применяют переменный ток. Напряжение на электродах дуги переменного тока обычно равно 20—30 в. Если последовательно с дугой включить такой балластный реостат, чтобы на нем гасился пилттшек напряжения сети, равный 90— 95 с при питании от сети 127 в (пли 190—200 с, при питании от сети 220 в), то бесполезная затрата мощности в реостате будет в несколько раз больше мощности дуги.
358
Для устойчивого гореттпя дуги достаточно, чтобы на балластном реостате падение напряжения было около 25 в. Поэтому необходимо понизить напряжение сети до 50—55 в. Для этой
цели применяют понижающие автотрансформаторы или трансформаторы. Нашей промышленностью выпускается несколько
типов дуговых трансформаторов и автотрансформаторов.
Дуговой автотрансформатор АТ-9. Дуговой автотрансформатор АТ-9 (рис. 345) предназначен для питания дуговой лампы
кинопроекторов ТОМП-4 или СКП-26 от сети переменного тока 127 или 220 в.
Мощность автотрансформатора 2,5 ква при вторичном напряжения 50 в и номинальной, силе тока дуги 50 а.
АТ-9 имеет стержневую конструкцию. Выводы от обмоток подведены к зажимам на панели, смонтированной в верхней части автотрансформатора.
Схема автотрансформатора АТ-9 показана на рис. 346,я. Первичная и вторичная обмотки состоят каждая из двух поло-
вин, намотанных на разных стержнях. Выводы от обмоток присоединены к пяти болтам. Па рис. 346,6 показана прин-цн 1111 а л ь । ia п схема с< едино н ня обмотск. Обмотки 1а и могут быть соединены параллельно для работы от сети 120 Для этого зажим 1 соединяется перемычкой
Рис. 345. Дуговой автотрансформатор
АТ-9:
а — панель с выводами обмотан; б — чугунные стишки сердечника; Ц !> — зан.НМЫ
с. зажимом 2, а зажим 3 другой перемычкой соединяется с зажимом 4. Напряжение сети подводится к зажимам / и 5.
Для присоединения к сети 220 в обмотки I а и 16 соединяются носледовательпо. Поэтому перемычками соединяют между собой зажимы 2 и 3. Напряжение сети подводится к зажимам 1 и 5.
Автотрансформатор устанавливается в вертикальном положении. АТ-9 не имеет регулировочных отводов. Необходимую величину тока дуги устанавливают с помощью балластного реостата (см. главу XIV). При питании дуги от дугового автотрансформатора или трансформатора через балластный реостат примерно 50% мощности теряется бесполезно в реостате. 1! настоящее время для питания дуги переменным током пользуются специальными трансформаторами, которые позволяют ooeii'i iiei, без балластного реостата.
'Ганне трансформаторы имеют повышенное рассеяние ма-
..... потока и называются реактивными дуговыми транс-фнрматорами.
Реактивный дуговой трансформатор ТРД-50. Для того 'иии.1 во время демонстрации кинофильма дуга имела попзмсп-ю яркость, нужно, чтобы сила тока дуги во промоин измени inn. по возможности меньше.
359
Стабильное горение дуги, т. е. малые изменения тока но время работы, можно получить с помощью специального реактивного трансформатора (принципиальная схема показана па рис. 347). Реактивный трансформатор отличается от обычного трансформатора специальным устройством сердечника.
Магпитопровол реактивного трансформатора состоит из замкнутого основного сердечника и дополнительного сердечника, который называется магнитным шунтом. Магнитный
Положение перемычек 120 в 1 2 3___4
(о__й £>_____о)
Рис. 346. Схема дугового
220 в
автотрансформатора АТ-9
шунт служит для увеличения рассеяния магнитного потока. Магнитный погон созданный первичной обмоткой трансформатора й”)( разветвляется (рис. 347); часть магнитного потока пронизывает вторичную обмогку; другая часть Ф3 ответвляется в магнитный шунт. Магнитный поток Ф2 индуктирует во вторичной обмотке электродвижущую силу, которая равна напряжению на дуге. Магнитный поток Ф3, проходящий через шунт, не индуктирует э. д. с. во вторичной обмотке, так как не пронизывает ее витки. Следовательно, магнитный поток, проходящий через шунт, для обмотки w2 является потоком рассеяния; он не участвует в передаче энергии из первичной цепи во вторичную.
Рассмотрим, что будет происходить при питании дуги от реактивного трансформатора. Если расстояние между углями увеличивается, то сопротивление дуги становится больше. Поэтому сила тока дуги начинает уменьшаться. Одновременно уменьшается и размагничивающее действие вторичной обмотки. Уменьшение размагничивающего действия вторичной обмотки равносильно тому, что уменьшается сопротивление магнитному
ИЗО
л сети
/ж
3
Рис. 347. Устройство реактивного трансформатора:
I—основной сердечник; 2 — магнитный шунт; 3 — воздушный зазор
потоку Ф2. Поэтому магнитный поток Ф2 увеличится, а магнитный поток Фл уменьшится.
При увеличении магнитного потока Ф2 увеличится электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной обмотке. Значит, увеличится и напряжение па дуге, а это будет препятствовать уменьшению тока дуги. Если угли сблизить, то сопротивление дуги уменьшится, а ток дуги возрастет.
Однако увеличение тока дуги снова вызовет перераспределение магнитных потоков: увеличится размагничивающее действие вторичной обмотки, поэтому магнитный поток Ф2 умень^ шится, а магнитный поток Ф:, увеличится. Уменьшение магнитного потока Ф2 вызовет уменьшение электродвижущей силы, индуктированной но вторичной обмотке. Напряжение на дуге уменьшится, а это препятствует дальнейшему увеличению тока дуги.
Следовательно, принцип действии реактивного трансформатора основав Ш) перераспределении магнитных потоков п Фя.
11 рнчиной перераспределения магнитных потоков является из
менение силы тока душ. При этом электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной обмотке (т. е. напряжение на душ), изменяется вместе с изменением сопротивления дуги, благодаря этому свойству реактивного трансформатора при пзмепеппнх расстояния между углями сильных изменений тока дуги не происходит.
При зажигании дуги, т. е. при коротком замыкании вторичной обмотки, ток во вторичной цепи увеличивается всего па '—30% по сравнению с рабочим током.
Ток первичной обмотки при зажигании дуги также немного увеличивается. Поэтому кратковременное короткое замыкание дли реактивного трансформатора и для сети не опасно. Эта особенность реактивного трансформатора объясняется тем, что при коротком замыкании почти весь магнитный поток Фх проходит через магнитный шунт и в первичной обмотке индуктору спи достаточная э. д. с., чтобы уравновешивать напряжение сети.
Наладка трансформатора производится на заводе регулировкой зазора между основным сердечником и магнитным шунтом.
При эксплуатации трансформатора воспрещается изменять Hii.iop, так как это может привести к нарушению нормального | ежима его работы.
361
Схема выпускаемого отечественно!! промышленностью реактивного трансформатора изображена на рис. 348. Трансформатор можно подключать к сети 120 или 220 в; ого первичная обмотка состоит из двух одинаковых частей 1п и включаемых параллельно (при работе от сети 120 в) и последовательно (при работе от сети 220 в).
Для регулировки тока дуги трансформатор имеет две дополнительные вторичные обмотки III и IV, которые переклю-
ПШдЭ М
Псложение
Л дуге
Положения переключателей тока дуги
I I I I I
I л ш
30-35о 48-53 а
40-45а 55-58а
Рис. 349. Установка
ТРД-50 на проекторе
Рис. 348. Схема реактивного трансформатора ТРД-50
нагелями можно соединит!, последовательно со вторичной обмоткой 11. Обмотка III добавляет к напряжению обмотки II около 8 в, обмотка IV добавляет около 5 в, а обе обмотки III и IV добавляют к напряжению обмотки II около 13 в. Добавление вторичного напряжения изменяет рабочий ток дуги. Переключатели дают разрыв цепи, поэтому переключать их нужно быстро, чтобы дуга не успела погаснуть.
Технические данные трансформатора ТРД-50
Пап ряжение сети......................120 или 220 в
Коэфициент полезного действия.......... 80%
Коэфициент мощности (cosep)............ 0,5
Общий вес..............................около 45 из
Допустимые колебания напряжения сети . . от 85 до 127 в или от 180 до 230 в
Напряжение па дуге....................от 20 до 30 в
362
Номинальный ток дуги................ 50 а
Пределы регулирования тока дуги с помощью переключателей......................от 30 до 58 а
Рабочий ток дуги поддерживается с точностью тЬЛ0% от сродней установленной величины
Трансформатор заключен в железный кожух и устанавливается непосредственно на колонке кинопроектора (рис. 349).
Трансформатор ТРД-50 по сравнению с системой питания дуги через балластный реостат имеет следующие преимущества:
1) высокий коэфициент полезного действия, превышающий почти в два раза коэфициент полезного действия системы с балластным реостатом;
2) сила тока дуги мало меняется при изменениях расстояния между углями;
3) трансформатор не имеет сильно нагревающихся деталей и поэтому безопасен в пожарном отношении;
4) удешевляется электрический монтаж, так как трансформатор устанавливается непосредственно на проекторе.
Я 8. ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Дли повышения или понижения напряжения трехфазного тока применяют три одинаковых однофазных трансформатора или 1рехфазпый трансформатор.
Трехфазпын трансформатор пмост три первичных и три вторичных обмотки. Сердечник трансформатора имеет три стержня, на каждом из них находится первпчпан и вторичная обмотки одной из фаз, как показано на рис. 350. Внешний вид трохфазного трансформатора изображен на рис. 351. Воэфиниептом трансформации трехфазного трансформатора называют отношение фазных напряжений:
П = Т1-.
Коэфициент трансформации равен отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток:
ш, п = —.
Первичные п вторичные обмотки можно соединить или тре-\ 111.1 кв и ком, или звездой. Благодаря этому можно получать различные линейные напряжения, не меняя чисел витков обмоток.
1’ассмотрпм возможные переключения трехфазного трансформатора, первичные обмотки которого рассчитаны на 220 в । и K'Hiii, а вторичные обмотки рассчитаны на 127 в (коэфициент ipniit формации равен 1,73).
363
При соедипеппи обмоток трансформатора «треугольник-треугольник» (рис. 352) трансформатор может быть присоединен к сети 220 в и питать приемники напряжением 127 в.
Первичные обмотки А Л В У С Z
Вторичные обмотки
а
I'iii'. .".'iO, 'I'рс\фзапые:
» - - Т|мнгф|фм:и<ф; 6 — автотрансформатор
При соелн iieiiiiii обмоток трансформатора «треугольник-звезда» Д/д (рис. 353) трансформатор может быть присоединен
к сети 220 в и питать трехфазные и однофазные приемники напряжением 220 в или однофазные
Рис. 351. Внешний вид трехфазного трансформатора
приемники напряжением 127 в.
Если первичные обмотки трансформатора соединить звездой, а вторичные — треугольником (схема «звезда-треугольник» <*/& —рис. 354), то трансформатор можно питать от сети напряжением 380 в, а к трансформатору
подсоединять приемники напряжением 127 в.
Соединив и вторичную обмотку трансформатора звездой, получим схе-
му «звезда-звезда» Д/д (рис. 355). В этом случае напряжение
сети, питающей трансформатор, будет 380 в, а от трансформатора можно будет питать трехфазные и однофазные приемники напряжением 220 в и однофазные приемники напряжением 127 в.
Из этих примеров видно, что трехфазные трансформаторы, могут быть включены для питания от сети с напряжениями^ отличающимися по величине в 1,73 раза. '
264
Рис. 353. Соединение «треугольник-звезда»
Сеть 220 в
-2206-
К приемнику
Рие. 352. Соединение (|'Г|>(‘УГОЛ 1.11ИИ тро-у Г0ЛЫ1ИК»
365
П р н м в р 1. Трансформатор имеет соединенно «звезда-треугольник» и подключен к сети 380 в. Вычислить напряжение на приемнике, если первичные обмотки имеют по ^ — 300 витков, а вторичные по ш2=Л50 витков.
Реше, н и е. Коэфициент трансформации фазных напряжений
ид 300 <> ,г==а^“Т50~ '
Фазное напряжение первичной обмотки, соединенной звездой, в 1,73 раза меньше напряжения сети:
тт Uсети 380 ооп „ ив-
Линейное напряжение вторичной обмотки, соединенной треугольником, равно фазному:
и, =и. .
и
Поэтому напряжение па приемнике
U, " Пф -lf,e ’ ' 110 "•
*11 % „ 2
П ример 2. Трписформатор имеет соединение «треугольник а поэдп». Пернпчпые обмотки имеют по ы.\=360 витков, п вторичные по к'2= 120 витков. Линейное напряжение на приемнике должно быть равно 220 в. Какое должно быть напряжение
U»1
Решени е. Коэфициент трансформации фазных напря- ' жений o»i 361
П = Т^=^ = 12б = 3-
Линейное напряжение вторичной обмотки в 1,73 раза больше фазного, так как обмотка соединена звездой:
=^ЗСЛ ;
отсюда
и — 11 и ф
220 TjT = Г/73 27 6’
Первичная обмотка соединена треугольником, поэтому
Значит, напряжение сети должно быть ^,=^=^u-n = 127.3 = 381 в.
Мы рассмотрели различные трансформаторы, применяв в установках звукового кино. Трансформаторы и автотрансфоЛ| маторы работают весьма надежно при условии правильной” их использования. ;
Основные правила эксплуатации трансформаторов такие:
1. Трансформатор можно подключать только к такому напряжению сети, на которое рассчитана обмотка трансформатора. Если трансформатор имеет переключения в первичной обмотке, то прежде чем подключать его к сети, нужно убедиться в правильности установки перемычек, с помощью которых его обмотки пересосдпняются для питания от сети различного напряжения.
Подключать трансформатор к сети постоянного тока недопустимо. Первичная обмотка трансформатора имеет ничтожно малое активное сопротивление, а индуктивное сопротивление постоянному току равно нулю. Поэтому се присоединение к сети постоянного тока равносильно короткому замыканию сети.
2. Мощность приемников, подключаемых ко вторичной обмотке трансформатора или автотрансформатора, должна быть не больше той, на которую рассчитан трансформатор. Повышение мощности больше номинальной вызывает перегрев обмоток и порчу изоляции трансформатора. В результате этого трансформатор может выйти из строя.
Если трансформатор многообмоточный, то каждая из его вторичных обмоток может быть нагружена только той мощностью, на которую она рассчитана.
3. Трансформатор по должен подвергаться действию влаги, кисло-i’ it щелочей. Зажимы, гники и бол пл, к которым присоединяют проводники, должны содержат!.сн и чистоте и всегда быть плотно завернуты. Плохой контакт вызывает нагрев it обгорание зажимов и выводов от обмоток трансформатора. Вывод от обмоток трансформатора нельзя перегибать, оголять и использовать для закрепления внешних проводников, вешать на них детали и т. д., так как это вызывает обламывание выводов у основания каркаса и обрыв обмотки.
Па трансформатор нельзя класть металлические предметы, инструменты, сыпать опилки и т. д. Вблизи трансформатора ие должно быть сильно нагревающихся деталей (реостатов, паяльников и т. п.).
Возможные неисправности трансформаторов
I [ризнаки неисправности Причины неисправности Меры устранения
II |ш подключении к сети пере-<орают пре дохранил ел и или сердечник трансформатора сильно гу- UIT 1. Трансформатор подключен к сети с несоответственно большим напряжением 2. Неправильная установка перемычек для подключения к сети 120 или 220 в 1. Проверить напряжение сети и сравнить с номинальным напряжением первичной обмотки 2. Проверить правильность установки перемычек
367
II род о л ж е и и о
11 рнапини неисправности 1 1 рИЧИПЫ пененранноетп Меры устранения
.3. Короткое замыкание в приемнике /|. Короткое замыкание части обмотки 3. Отключить приемник и устранить короткое замыкание. 4. Сдать в ремонт
11 Трансформатор не нагружен на приемники, но сильно нагревается и даже дымит. Ток холостого хода трансформатора чересчур велик (50% и больше поминального) 1. Короткозамкнутые витки в какой-либо из обмоток 1. Сдать в ремонт
III Кожух ИЛИ сер денник 1П1ХОДИТСН под пап ряжением 1. 1 ’пару IIICHH изоляции обмоток от сердечника 1. Если возможно, изолировать место повреждения изоляции 2. Сдать в ремонт
IV Первичная обмотка подключена к сети. Трансформатор не греется и не гудит, на приемнике нет напряжения 1. Перегорели предохранители, находящиеся в цепи вторичной обмотки 2. Обрыв вторичной обмотки 1. Заменить предохранители, убедиться, что приемник находится в исправном состоянии 2. Отключив трансформатор от сети, проверить омметром сопротивление обмотки 3. Сдать в ремонт, если обрыв внутри трансформатора
V При подключении к сети в первичной цепи трансформатора нет тока 1. Плохой контакт в подводящих проводниках, штепсельных розетках, зажимах 1. Прове[ить, нет ли обрыва в шнуре
2. Перегорели предохранители в цепи первично । обмотки 3. Обрыв первичной обмотки 2. Проверить все предохранители. Заменить предохран ител и 3. Отключив трансформатор от сети, проверить омметром сопротивление обмотки, сдать в ремонт
368
НА ДАЧИ ДЛЯ УПРАЖНЕНИЙ
1. Трансформатор имеет числа витков 400; ш2==1000. Напряжение па приемнике 300 в, сопротивление приемника 1500 ом. Найти напряжение и силу тока в первичной обмотке трансформатора.
Ответ'. 120 в; 0,5 п.
2. Дуговой автотрансформатор подключен к сети 220 в. Найти силу I л wi ,
тока в цепи дуги, если коэфициент трансформации и-- — —4, а сила тока первичной цепи 12 а.
О т в е т: 48 а.
3. Трехфазный трансформатор имеет №,=200 витков: №2=116 витков. На приемниках должно быть напряжение 127 в. Какое должно быть соединение обмоток, чтобы трансформатор можно было подключить к сети 380 в?
Ответ', звезда-треугольник.
КОНТРОЛЫ! ЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ XV
1. Объясните устройство в принцип действия трансформатора.
2. Что такое коэфициент трансформации?
3. Какое отношение существует между первичным и вторичным напряжениями?
4. Какое соотношение существует между первичным и вторичным токами?
5. Почему магнитный поток трансформатора не изменяется при переходе от режима холостого хода к режиму работы на нагрузку?
6. Какая из обмоток трансформатора намотана более толстым проводом — обмотка высшего напряжения или обмотка низшего напряжения? Почему?
7. Можно ли включить трансформатор в цепь постоянного тока?
8. Можно ли подключить трансформатор it ci th с напряжением в два раза больше, чем номинальное пан|»ижеппе черничной обмотки?
9. Как устроен автотрансформатор?
10. Как осуществляется регулирование напряжения с, помощью трансформатора?
И. Как устроен реактивный дуговой трансформатор?
12. Для чего служит магнитный шунт?
13. В чем преимущества реактивного дугового трансформатора?
14. Как устроен трехфазный трансформатор?
15. Какие схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов вам известны?
24
Электротехника
Глава ХГ/
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Электрическими двигателями называются устройства, с помощью которых электрическая энергия преобразуется в механическую.
Электрические индукционные двигатели переменного тока, или асинхронные двигатели, широко применяются в технике. Они удобны и надежны в работе, почти ио требуют ухода. Первые ik'Iiiixроипые двигатели были сконструированы в 1889 г. русским инженером электриком М. О. Доливо-Добровольским. Двигатели переменною тока применяются во всех кинопроекторах. 15 стационарных кинопроекторах обычно применяются трохфпапые ikhii \ роппые двигатели, а в передвижных — ОДНофнаныс.
П этой главе мы рассмотрим принцип действия, устройство и особенности асинхронных двигателей.
§ 1. ПОЛУЧЕНИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Принцип действия асинхронных двигателей основан на получении вращающегося магнитного поля, которое индуктирует в проводниках ток и увлекает их за собой. Вращающееся магнитное поле можно представить себе как результат вращения полюсов магнита по окружности. Модель вращающегося магнитного поля показана па рис. 356.
Вращающееся магнитное поле получается в двигателях с помощью трехфазного тока, который поступает в три обмотци неподвижной части двигателя, называемой статором. Статор представляет собой цилиндрический железный сердечник с пазами (рис. 357), в которых заложены три обмотки, сдвинутые относительно друг друга на угол 120°. Для наглядности в каждом пазу статора заложено всего по одному проводнику; на практике каждая ил трех обмоток имеет большое количество витков. Если соединить концы всех обмоток между собой, а начала обмоток подключить к трехфазной сети, то получим соединение обмоток статора звездой.
370
Токи в обмотках сдвинуты по фазе относительно друг друга па одну треть периода. Каждый из проводников с током создает свое магнитное поло. Эти три магнитных поля, складываясь, образуют общее вращающееся магнитное поле. Чтобы
Рис. 356. Модель вращающегося поля
убедиться в этом, рассмотрим магнитное поле в разные моменты времени. Для этого начертим синусоидальные графики токов в обмотках, сдвинутых но фазе па периода (рис. 358),
Условимся, что ток, имеющий положи тельный знак, проходит от начала обмотки к копну. За начало отсчета времени
Рис. 357. Схема простейшего статора
выберем тот момент, когда ток первой фазы равен пулю (момент J,).
Ток второй фазы в момент имеет отрицательное значение, т. е. проходит от конца обмотки к началу. На рис. 358,а ток в проводнике (конец) уходит от нас и обозначен крестиком, а ток в проводнике И2 (начало) идет к вам и обозначен точкой.
24* 371
В третьей фазе в момент 1} ток имеет положительное значение, т. о. идет от начала обмотки //я (крестик) к концу Л'3 (точка). Направление магнитных индукционных линий определим по правилу буравчика. В проводниках /С2 и //., ток уходит, поэтому магнитные липин направлены по часовой стрелке. В проводниках 7Г3 и //., ток идет к нам, поэтому магнитные
Рис. 358. Вращающееся магнитное поле трехфазного тока
линии будут направлены против часовой стрелки. Направление магнитных индукционных линий получилось такое, что они выходят вверху статора, т. е. вверху будет северный полюс,' а внизу — южный.
Теперь рассмотрим магии гное поле в момент /2, когда ток первой (разы будет иметь положительное направление и равен амплитуде, а токи во второй и третьей фазе отрицательны.
Рассуждая так же, как и раньше, установим, что токи в проводчиках и Я3 уходят, и их направление можно
изобразить крестиками, а токи в проводниках /72, и На имеют противоположное направление (рис. 358,6). Направление магнитных линий и в этом случае определим по правилу буравчика. Теперь они выходят из статора справа налево, т. е. северный полюс, находится справа, а южный — слева. Таким образом, магнитное поле повернулось на угол 90°. В момент t3 ток в первой фазе снова равен пулю, ток во второй фазе имеет положительное направление, а ток в третьей фазе — отрицательное. Поэтому оказывается, что в проводниках Я3 п Н2 ток направлен от нас, а в проводниках Я, н 11я ток направлен к нам. Магнитные липни выходят снизу статора (северный пfl-372
люс) и входят и статор вверху (южный полюс). Значит, магнитное ноле повернулось еще па 90°. Можно также установить, что в момент ;4 северный полюс будет слева, а южный — справа. В момент Z5, когда пройдет одни полный период, снова северный полюс окажется вверху, а южный внизу. Следовательно, за один период переменного тока магнитное поло сделало один полный оборот. За второй период магнитное поло повернется onio на один оборот. Переменный ток за одну секунду имеет 50 периодов. Поэтому магнитное поло за одну секунду совершает 50 оборотов, а за одну минуту в 60 раз больше, т. е. скорость вращения магнитного поля «=50-60=3000 оборотов в минуту.
Благодаря тому что токи в обмотках имеют сдвиг по фазе, магнитное поле статора вращается. Для получения вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы обмотки фаз были сдвинуты ОТ1ЮСПТСЛЫ10 друг друга ио окружности.
В рассмотренном примере мы имели три обмотки, которые размещены по всей окружности. Магнитное поле при этом имеет два полюса.
Четырехполюсный статор. Статор можно сделать иначе, разместив три обмотки на одной половине окружности статора и три обмотки на другой половине.
Противоположные обмотки соединяются последовательно. Тогда первые iрп обмоши создадут магнитное поле с одним северным и одним южным полюсом и вторые три обмотки —
Рис. 359. Чстырехиолюсвый статор
такое же поле. Таким образом, всего образуется четыре полюса—-два северных и два южных (рис. 359). Получится четырехполюсный статор.
За один период переменного тока магнитное поле первых трех обмоток повернется не па полный оборот, а ва половину оборота, так как обмотки расположены па половине окружности. Магнитное поле следующих трех обмоток повернется одновременно с первым на половину оборота. Значит, у четырехполюсного статора магнитное поле за один период переменного тока совершает всего половину оборота; за одну се-
373
купду оно сделает 25 оборотов, следовательно, спорость вращения магнитного поля четырехполюспого статора равна
п=25-60=1500 об/мпп.
Если сделать пе шесть, а двенадцать катушек, т. е. по три катушки разных фаз расположить на одной четверти окруж-
Рпс, .31И). Изменение направлении II | >3II (011 и н НОЛИ
ипкн двух фаз из трех. Юж сильно перемене ноложеии: делают.
пости, то вращающееся магнитное поле будет иметь восемь полюсов и будет вращаться со скоростью 750 оборотов в минуту.
Направление вращения. Направленно вращения магнитного поля можно менять.
Как видно из рис. 358, магнитное поле перемещается по окружности в направлении от обмотки первой фазы к обмотке второй фазы, а затем к обмотке третьей фазы.
Если поменять местами две катушки из трех, то поле будет вращаться в обратную сторону, так как последовательность расположения катушек (первая, вторая, третья) изменится на обратную (первая, третья, вторая). На рис. 360,а это показано схематично, причем для наглядности обозначены только начала обмоток. Вместо того чтобы переставлять местами две катушки, можно поступить проще—переменить местами провод-пнказапо на рис. 360,6, это равно-1 катушек. На практике так и
§ 2. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Взаимодействие магнитного поля и токов ротора. Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей—статора и ротора. Устройство простейшего статора мы уже рассмотрели. Статор является неподвижной частью двигателя и служит для получения вращающегося магнитного поля (рис. 361). Ротор является подвижной частью двигателя. Он представляет собой цилиндрический сердечник из круглых стальных пластин с пазами, в которых заложены проводники (рис. 362). Эти
проводники, замкнутые с помощью двух колец (расположенных на торцах цилиндра), представляют собой короткозамкнутую обмотку ротора, показанную на рис. 363 (она обычно называется «беличьей клеткой»). Ротор, укрепленный на валу, помещается внутри статора. Чтобы при вращении ротор не задевал статора, между ними имеется воздушный зазор.
Рис. 361. Устройство статора:
1 — корпус; г — обмотка; Я — сердечник
Рис. 363. Короткозамкнутая обмотка ротора
Рис. 364. Ротор увлекается вращающимся магнитным полем
В асинхронном двигателе происходят следующие явления. Вращающееся магнитное поле, созданное статором (условно изобразим его в виде полюсов N и 8), пересекает проводники обмотки ротора (рис. 364). В этих проводниках индуктируется электродвижущая сила, под действием которой обмотка ротора обтекается током. Ток в проводниках ротора, находящихся под северным полюсом, будет направлен к нам, а в проводниках, расположенных над южным полюсом,—от вас. Это можно установить, пользуясь правилом правой руки. Магнитное поле движется относительно проводника вправо. Это равносильно тому, что проводник движется относительно поля влево. Поэтому большой палец при определении направления э. д. с. следует направить влево.
Как мы знаем, на проводник с током, помещенный в магнитном поле, действует сила, направление которой можно найти по правилу левой руки. Сила, действующая на проводники^
375
паходящиееп протии северного полюса, будет направлена вправо, а па проводники против южного полюса — влево.
Иод действием этих сил ротор начнет вращаться в ту же сторону, что н вращающееся магнитное поле. Таким образом, взаимодействие индуктированных в роторе токов с. вращающимся магнитным полем статора заставляет ротор вращаться в направлении вращения магнитного поля. Поэтому асинхронные двигатели часто называют индукционными двигателями. Если к валу ротора присоединить какой-вибудь механизм, то вращение будет передаваться этому механизму. Асинхронный двигатель может совершать механическую работу, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическую.
Сопротивление вращению двигателя со стороны соединенного с ним механизма называется па груз к о й на в а л двигателя.
Скольжение. Мы установили, что ротор увлекается вращающимся магнитным полем статора. С какой же скоростью вращается ротор?
Оказывается, что скорость вращения ротора всегда меньше, чем скорость вращения магнитного поля. Если число оборотов магнитного поля в минуту п=- 3000, то ротор вращается со скоростью около 2900 об/мин. Если магнитное .поле статора вращается со скоростью 1500 об/мин., то ротор вращается со скоростью около 1450 об/мин.
Это отставание ротора называется скольжением.
Асинхронный двигатель всегда имеет скольжение. Предположим, что ротор начал вращаться с той же скоростью, что и магнитное иоле. Тогда магнитные линии не будут пересекать обмотку ротора, и в ней не появится э. д. с. В роторе не будет тока, и не появятся силы, увлекающие его вслед за магнитным полем.
Поэтому ротор замедлит свое вращение. При уменьшении сьорос! п piriopn и нем буде т индуктироваться 'ток и возникнут силы, вы и i.i । ia к и 111 io вращение ротора е. этой замедленной скоростью. Ротор номинально нагруженного двигателя имеет скорость на 3—5% меньше скорости вращающегося магнитного поля. Поэтому двигатель называется асинхронным. (Слово «асинхронный» означает, что скорость ротора меньше скорости вращающегося магнитного ноля.)
Во время работы асинхронного двигателя могут происходить небольшие изменения скорости па 1—2% в зависимости от нагрузки на валу. Если мощность двигателя недостаточна, то при увеличении нагрузки ротор может совсем остановиться. Причиной изменения скорости двигателя могут быть также изменения напряжения сети, так как при этом меняется мощность двигателя.
Токи ротора и статора. Величина тока ротора зависит от его сопротивления и электродвижущей силы, возникающей 376
в ого обмотках. Koi да ротор вращается, в нем индуктируется небольшая электродвижущая сила, так как магнитные линии пересекают обмотки ротора с небольшой скоростью. Ток в роторе также получается небольшим. Обмотка ротора создает свое магнитное ноле, которое стремится ослабить магнитное поле статора и, подобно вторичному току трансформатора, оказывает размагничивающее действие.
Размагничивающее действие тока ротора объясняется правилом Ленца: магнитное поле индуктированного тока препятствует причине, его вызвавшей. Если магнитное поле статора уменьшается, то уменьшается и противоэлектродвижущая сила в обмотках статора, которая должна уравновешивать напряжение сети. Поэтому сила тока в статоре увеличивается и компенсирует размагничивающее действие токов ротора.
Если ротор двигателя затормозить до полной остановки, то вращающееся магнитное поле будет пересекать проводники неподвижного ротора с большой скоростью, и э. д. с. ротора будет велика. Значит, увеличится и ток ротора. Чтобы скомпенсировать размагничивающее действие тока ротора, ток статора увеличится. Он станет больше номинального тока. Это может вызвать перегрев обмоток двигателя. Поэтому нужно следить за тем, чтобы ротор включенного асинхронного двигателя вращался. В момент пуска двигателя ротор бывает неподвижен. Значит, в момент пуска через обмотки статора проходит большой ток, который называется пусковым током асинхронного двигателя.
Пусковой ток трехфазных двигателей с короткозамкнутым ротором может быть в 5-ю 7 раз больше номинального рабочего тока.
Потери мощности и коэфициент полезного действия. Электрическая мощность, забираемая статором от сети, больше мощности, передаваемой двигателем нагрузке на валу, так как часть мощности затрачивается в самом двигателе. Это потери мощности на нагрев обмоток, на перемагничивание, на вихревые токи в стали статора и ротора, на преодоление сил трения вала о подшипники и ротора о воздух.
Потери мощности па нагрев обмоток и стали статора и ротора вызывают повышение температуры двигателя во время работы. Чрезмерное повышение температуры вредно сказывается на изоляции обмоток. Для охлаждения двигателя ротор снабжается небольшим вентилятором.
Уменьшение потерь мощности на трение достигается применением шариковых подшипников.
Чтобы характеризовать, какая доля электрической мощности расходуется на совершение полезной работы, вводится понятие о коэфициенте полезного действия двигателя.
Коэфициентом полезного действия двигателя называют отношение меха-
377
и и ч с с к о ii мо щ пости, пород а и п о ii и а г р у з-к о па налу, к э л е к трпч с с к о ii м о щ и о с т и, п о т р о б л я о м о и и з сети.
Коэфициент полезного действия меньше единицы, так как затраченная мощность больше полезной на сумму потерь мощности в обмотках (PJ, в стали статора и ротора (Рет) и на трение (Ртр): р р
т __1 полезн ____1 полезн_____
Рзатрач + Р ст^г Р тр
Крупные двигатели имеют коэфициент полезного действия до 90%. Мелкие двигатели, которые чаще всего применяются в киноустановках, имеют коэфициент полезного действия от 50 до 70%.
Кроме активной мощности, асинхронный двигатель забирает из сети реактивную мощность, необходимую для создания магнитного поля. Коэфициент мощности асинхронных двигателей обычно равен
cos ср = 0,5 -ь 0,8.
§ 3. КОНСТРУКЦИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором просты по конструкции.
Статор двигателя. Статор двигателя (см. рис. 361) обычно представляет собой литой корпус, в котором расположен сердечник с обмотками. Статор без обмоток показан на рис. 365,а. Сердечник собирается из тонких штампованных листов дипампой стали (рис. 365,6), покрытых с одной стороны лаком или оклеенных топкой бумагой для уменьшения потерь па вихревые токи. В пазы статора укладываются три фазные обмотки. 1’пгкп каждой аз обмоток располагаются в нескольких пазах.
Па рас. 366 показана часть статора с обмотками, заложенными в пазы.
На рис. 367 показана схема обмотки четырехполюсного статора с 24 пазами. Сплошными линиями изображены выступающие части обмотки первой фазы, пунктиром с точкой и простым пунктиром изображены обмотки второй и третьей фазы. Начала и концы обмоток обозначены буквами Н и К с цифрой, указывающей номер фазы.
Для обмоток применяется медный изолированный провод с хлопчатобумажной или реже с эмалевой изоляцией. Обмотка внутри паза изолируется от сердечника специальной гильзой из тонкого прессшпана (картона) и лакированного полотна.
Ротор. Сердечник ротора собирается из тонких штампованных стальных листов (рис. 368) с отверстиями (пазами)
378
I’m:. 'J.’icTi. o6aioti.ii статора
1-ая (раза
Гис. 3G7. Схема обмотки четырехполюсного двигателя
Гис. 3(>8. Лист сердечника ротора:
1 — пазы для проводников ротора; s — канавка для крепления на валу
379
по окружности. Листы ротора не лакируют и пе оклеивают бумагой. Обмотку короткозамкнутого ротора часто делают литой из алюминия. Для этого расплавленным алюминием заливают пазы. Алюминий застывает и образует беличью клетку и вентилятор (рис. 369).
Такая обмотка очень проста в изготовлении, механически прочна и дешева. Сердечник ротора укрепляется на валу с помощью шпонки.
Зазор между статором и ротором делается небольшой: 0,25ч-0,5 мм. Ротор при вращении не должен задевать статор. Поэтому нужно, чтобы ротор находился точно в центре статора.
вентилятор
Рис. Л(И). Ротор С 1IOIITII-лптором
Рис. .'170. Внешний ппд асинхронного двигателя
Вал ротора устанавливается в подшипниках, укрепленных в боковых крышках. Боковые крышки насаживаются на корпус п укрепляются с помощью болтов.
Общий впд двигателя показан па рис. 370.
Сбоку корпуса имеется щиток для присоединения проводов с шестью зажимами, прикрытый сверху металлической коробкой.
§ 4. ВКЛЮЧЕНИЕ И ПУСК ТРЕХФАЗНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Соединение обмоток двигателя. Обмотки статора асинхронного двигателя рассчитываются на работу при определенном напряжении. Для подключения к сети обмотки можно соединить треугольником или звездой.
Схема расположения зажимов на щитке двигателя показана на рис. 371. Обычно к нижним трем зажимам бывают присоединены начала обмоток, считая слева направо: Hlt Н2 и Н3. К верхним трем зажимам бывают присоединены концы обмоток: /Г8, /С, и К2. Такое расположение выводов очень удобно для соединения обмоток треугольником или звездой.
Пусть двигатель имеет обмотки, рассчитанные на напряжение 220 в, и его нужно подключить к сети с напряжением 220 в. Так как фазное напряжение обмотки равно напряжению сети, обмотки двигателя нужно соединить треугольником, т. е. к концу обмотки первой фазы присоединить начало обмотки 380
второй фазы; к концу обмотки второй фазы — начало обмотки третьей фазы; конец обмотки третьей фазы соединить с началом обмотки первой фазы. Для этого следует каждый нижний зая?им соединить с находящимся вад ним верхним зажимом, как показано ма рис. 372.
Если этот жо двигатель нужно подключить it сети 380 в, то необходимо обмотки статора соединить звездой. Для этого нужно соединить между собой концы обмоток в одну точку, а начала подключить к сети. Схема соединения обмоток статора звездой дана на рис. 373.
Пуск двигателя. Схема подключения двигателя к сети показана на рис. 374.
При включении двигателя ротор в первый момент неподвижен. Поэтому в роторе двигателя возникает наибольшая э. д. с. Пока ротор двигателя неподвижен, его можно сравнить с трансформатором, у которого вторичная обмотка замкнута накоротко. Поэтому пусковой ток двигателя бывает в несколько раз больше номинального.
Если ротор разворачивается сразу, то пусковой ток проходит непродолжительное время. Если ротор по каким-либо причинам не разворачивается (заклинивание вала, слишком большая нагрузка), то пусковой ток может вызвать перегрев и даже перегорание обмоток. Защита обмоток от перегрева выполняется с помощью плавких предохранителей. Плавкие предохранители для защиты двигатели выбираются несколько иначе, чем для защиты проводов. Вовремя нормального пуска плавкие предохранители нс должны перегорать, несмотря па то, что пусковой ток в 5—7 раз превышает номинальный ток двигателя. Значит, плавкие предохранители нельзя выбрать на номинальный ток двигателя.
Выбрать предохранители по пусковому току также нельзя, так как если ротор не развернется, то пусковой ток сможет проходить длительно, и двигатель не будет защищен от перегорания. Обычно ток плавкого предохранителя в цепи двигателя выбирается в два с половиной раза меньше пускового тока:
. _ пуск
' n/>n)2,,')
При этом номинальный ток предохранителя получается приблизительно в два раза больше поминального тока двигателя.
При быстром пуске предохранитель не успевает перегореть. Если же двигатель не развернется, то предохранитель перегорит и обмотки двигателя не пострадают.
Пуск через реостат. Иногда для уменьшения пускового тока последовательно в цепь статора на время пуска включают реостат (рис. 375). Когда ротор развернется, сопротивление реостата уменьшают до нуля. При пуске через реостат дви-
381
Рис. 371. Расположение зажимов на щитке статора
К сети
Л сети
Рис. 373. Соединение звездой
Рис. 374. Включе-
ние двигателя
реостат
Рис. 376.- Изменение направления вращения
ЛеЗое Правое вращение вращение
гатель сначала работает при пониженном напряжении. Уменьшение напряжения па двигателе вызывает уменьшен не его мощности. Поэтому при пуске через реостат нагрузку двигателя необходимо сильно уменьшать пли совсем отсоединять со. Это но всегда может быть выполнено из соображений конструктивной сложности механизма подключения и отсоединения нагрузки.
Изменение направления вращения. При включении двигателя может оказаться, что он вращается не в ту сторону, в которую нужно. Чтобы переменить направление вращения двигателя, нужно изменить направление вращения магнитного поля. Для этого, как мы говорили, необходимо поменять места-
Рис. 377.
Фазный ротор
ми любые две фазы. Кел и переменить местами все три фазы, то направление вращения не изменится.
Схемы изменения направления вращения двигателя показаны па рис. 376,а и б. На рис. 376,в показана схема с переключателем, который позволяет быстро менять направление вращения.
Понятие о фазном роторе. До сих пор мы рассматривали трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Существует другая конструкция роторов, так называемые фазные роторы, которые применяются в мощных двигателях и в двигателях со специальными характеристиками.
Фазный ротор отличается от короткозамкнутого тем, что ci'o обмотка делается из изолированного провода.
Фазный ротор имеет три отдельные обмотки, точно такие же, как и обмотки статора. Обмотки фазного ротора соединяют звездой, т. е. концы обмоток соединяют между собой. Начала обмоток присоединяются к медным контактным кольцам на валу двигателя. Кольца изолированы друг от друга и от вала (рис. 377).
С помощью неподвижных щеток, прижатых к контактным кольцам, последовательно с обмотками ротора включают трехфазный реостат.
Электрическая схема двигателя с фазным ротором показана на рис. 378.
Реостат включается в цепь ротора для уменьшения тока в момент пуска. Так как сопротивления реостата включены последовательно с сопротивлениями обмоток ротора, то сила
384
тока в роторе при пуске будет невелика, несмотря на то, что в роторе индуктируется большая э. д. с.
Ток в цепи статора в момент- пуска также меньше, чем у короткозамкнутого двигателя, так как он зависит от силы тока
в роторе.
Во время пуска к статору подводится полное напряжение сети, поэтому магнитное поле имеет нормальную величину. Основное достоинство двигателя с фазным ротором в том, что ои развивает при пуске большой вращающий момент при малой силе тока. Однако по г и потому дороже. После окончания процесса пуска сопротивление реостата уменьшают до нуля, и обмотки ротора оказываются замкнутыми накоротко (с помощью специального приспособления контактные кольца замыкаются накоротко). Таким образом, во время работы двигатель с фазным ротором ни-чеШ не отличается от двигателя с короткозамкнутым ротором. В кинотехнике такие двигатели применяются редко.
§ 5. ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТИНА И-10/4
Устройство. В стационарных кинопроекторах типа С1Ш-26 и КПТ-1 механизм продвижения кинопленки приводится во вращение с помощью трехфазпого асинхронного двигателя г короткозамкнутым ротором тина И-10/4 мощностью 0,25 кет (250 вт). Двигатель имеет четырехполюсный статор, т. е. обмотка каждой его фазы состоит из двух частей, расположенных и пазах, находящихся на противоположных сторонах окружности статора. Схема расположения обмоток такая же, как па рис. 367.
Ротор двигателя короткозамкнутый, имеет обмотку в виде беличьей клетки, которая получается путем заливки пазов расплавленным алюминием. На валу ротора имеется вентиля-п>р, служащий для охлаждения двигателя во время рпботы.
УП
Электротехника
385
Рпс. 379. Двигатель типа П-10/4
Общий вид двигателя показав па рис. 379. На корпусе сбоку имеется щиток с зажимами, к которым присоединен и выводы от обмоток статора. Щиток служит для подключения двигателя it сети трехфазного тока частотой 50 <щ напряжением 127/220 в или 220/380 в.
Схема включения двигателя показана на общей электрической схеме кинопроектора СКП-26 (рис. 380). Трехфазпый ток сети подводится к щитку проектора, откуда через трехфазный переключатель подается к обмоткам статора двигателя.
Две фазы сети подключаются прямо it зажимам двигателя, а третья — при пуске — через сопротивление. После того как ротор двигателя развернется, третья фаза также включается па полное напряжение сети. Сопротивление в цепи ротора уменьшает пусковой ток, и поэтому дви
гатель берет с места не толчком, а плавно. Плавный пуск необходим для того, чтобы все детали кинопроектора я пленка увеличивали свою скорость постепенно (ес.ти пуск происходит
3 -х фаэн ток / 127/220 в 1
= Ток 12 6 {
= Ток 50- 60 а {
Дежурное г освещение зала
Рис. 380. Электрическая схема кинопроектора СКП-26:
1 — дуговая лампа; 2 — рубильник дуги; 3 — двигатель типа И-10/4; I — сопротивления для пуска двигателя; 5 — лампа просвечивания; 6 — лампа вспомогательного освещения; 7—щитон проектора; 8 — выключатель дежурного освещения зала
рывком, то пленка может оборваться). Переключатель, называемый контроллером, имеет три положения: «Выключено» (рис. 381,а); «Пуск» (рис. 381,6); «Работа» (рис. 381,в).
386
Расположение двигателя на проекторе показано на рис. 382.
Двигатель И-10/4 четырехполюсный, и его ротор при работе имеет скорость вращения 1420 об/мин. При этом скорость движения пленки равна 24 кадрам в секунду. При изме-
Рис. 381. Пуск двигателя И-10/4: а — «Выключено»; б — «Пуск»; в — «Работа»
пенни пап ряжения сети скорость двигателя немного меняется. Из табл. Pl видно, что при падении напряжения сети на 28% от номинального значения скорость вращения ротора и скорость проектора меняются всего на 4%.
T а Л л и на 13
Завис,iiicCTi. чпс.in оборотов а скорости кинопроекции от напряжения сети
Напряжение сети при соединении звездой (в вольтах) 221) 208 190 175 160
11а пряжение сети при соединении треугольником (в вольтах) . . . 127 120 110 100 90
Число оборотов двигателя в минуту 1440 1430 1410 1400 1380
1 Скорость кинопроекции (в кадрах в секунду) 24,4 24,2 23,9 » 23,7 23,4
Скорость вращения изменяется пропорционально изменениям частоты сети, которые обычно не превосходят 1-:-2%.
Двигатель И-10/4 в разобранном виде показан на рис. 383.
Статор с обмотками запрессован в литой чугунный корпус. Ротор с вентилятором укреплен на общем валу. В центральных отверстиях боковых крышек двигателя, (фланцах) укреплены шариковые подшипники, в которых вращается вал ротора.
25* 387
Каждый из подшипников с обеих сгороп закрывается крышками — внутренней и наружной. В качестве смазки подшип-
Рис. 382. Расположение двигателя II 10/4 ца кинопроекторе СВ 11-26:
1 — двигатель; 2 — рукоятка контроллера
ников применяется тавот или солидол. Но бокам крышек подшипника предусмотрены отверстия для притока воздуха к вентилятору. К статору флаигцл укрепляются четырьмя винтами.
Технические дани ы е двигателя И-10/4
Число фаз.......... 3
Номинальная мощность на
валу..................250 вт
Наиряягепие сети . . . 127/220 в или 220/380 в
Скорость вращения при номинальной нагрузке 1400 об/мип.
К. п. д................. 70%
Cos ср.................. 0,74
От ношение пускового
Iока к номинальному 4,1
О г 11 о III е 11 не ц уг Ki iiiuro мо-
мента к номинальному 2,0
Вес..................... 14,5 кг
Уход и возможные неисправности. Двигатель И-10/4 надежен в работе и прост в обслуживании. Уход за ним заключается в следу
ющем :
1) двигатель, как и весь кинопроектор, нужно содержать в чистоте. Через вентиляционные отверстия во фланцах в дви
гатель не должна попадать пыль, опилки и волокна ветоши, применяемой для обтирки пыли;
Рпс. 383. Двигатель И-10/4 в разобранном виде:
1 — сердечник ротора; 2 — обмотка статора; з — фланец; 4, — шариковые подшипники; .5 — вентилятор; в —наружная крышка подшипника
2) механизм кинопроектора не должен требовать большого усилия при вращении, иначе двигатель будет перегружен, что вызовет повышенный его нагрев и порчу обмоток;
388
Возможные неисправности трехфазного двигателя
Признаки неисправности Причины неисправности Меры устранения
1 II При включении двигатель гудит, по не вращается. Начинает вра- щаться после разворота проектора вручную Двигатель вращается, по перегревается во время работы 1. Напряжение подводится только к двум фазам (перегорел предохранитель в ОДНОЙ из фаз, неисправность в переключателе, отсоединился провод па щитке двигателя) 2. ("лишком велика нагрузка па валу 3. Неправильно соединены обмотки статора 4. Обрыв в одной из обмоток 1. Слишком велика нагрузка па валу 2. Короткое замыкание части витков обмотки статора 1. Проверить контрольной лампой исправность предохранителей. Проверить контакты переключателя 2. Проверить, легко ли разворачивается механизм проектора 3. Проверить включение обмоток 4. Проверит ь контрольной лампой исправность обмоток. Лампа включается последовательно с каждой обмоткой поочередно 1. Проверить, легко ли вращается механизм проектора 2. Сдать в ремонт
III Двигатель вращается в обратную сторону 1. Неправильно включена обмотка статора, два провода переключены 1. Переменить местами два провода па щитке двигателя
IV V Двигатель вращается с пониженной скоростью Сильный шум при работе 1. Пониженная частота сети. Низкое напряжение сети 2. Напряжение подается только к двум фазам 3. Обмотки соединены звездой, хоти согласно напряжению сети они должны быть соединены треугольником 4. Распаяна клетка ротора 1. Разработаны подшипники 2. Грязь в подшипниках, недостаточная смазка 1. Проверить частотомером и вольтметром частоту и напряжение сети 2. Проверить, ко всем ли фазам подведено напряжение 3. Проверить включение обмоток 4. Сдать в ремонт 1. Сдать в ремонт 2. Проверить смазку подшипников, вычистить грязь
389
3) подшипники двигателя необходимо один-два раза в год тщательно промывать керосином, очищать их от грязи и затем смазывать тавотом или солидолом;
4) Все пусковые приспособления (контроллер, пусковое сопротивление) необходимо содержать в порядке. Зажимы иа
Рис. 384. Определение начал и концов двух обмоток
щитке двигателя нужно плотно подвертывать, чтобы они не разбалтывалвсь во время работы;
5) муфта, соединяющая вал двигателя с проектором, не должна быть разболтана. Если износилась резиновая прокладка муфты, ее нужно заменить новой.
Рис. 385. Определение начала и конца третьей обмотки
Определение начальных и конечных выводов обмоток фаз машин трехфазного тока. Для определения начальных и конечных выводов обмоток фаз машин трехфазного тока поступают следующим образом:
1. Прежде всего определяют, какие выводы принадлежат каждой из обмоток фаз. Для этого какая-либо пара выводов включается в сеть переменного тока последовательно с электрической лампой небольшой мощности. Если лампа загорится, значит, оба вывода принадлежат одной и той же обмотке; если не загорится — разным обмоткам.
390
2. Определяют начало и конец первых двух обмоток. Для лого их соединяют последовательно и включают в сеть переменного тока, а к выводам третьей обмотки подключают элек-। рпческую лампу, рассчитанную на напряжение сети (рис. 384). Гели лампа загорится, то это значит, что конец первой обмотки />, соединен с началом второй Н2 (рис. 384,я); если лампа не •агорптся, значит, конец первой обмотки /С, соединен с конном второй /<2 (рис. 384,6).
3. Таким же способом определяют начало и конец третьей оомотки. В этом случае конец второй обмотки соединяют < выводом третьей и обе обмотки последовательно включают в сеть, а к первой обмотке подключают лампу (рис. 385). Если . 1.тмпа загорится, то с концом второй обмотки соединено начало । ретьей //г) (рис. 385,о), а если пе загорится, — конец третьей />’., (рис. 38.5,6). Вместо лампы можно использовать вольтметр переменного т<жп со шкалой, соответствующей напряжению । е'1'П.
§ 6. ПОНЯТИЕ О ПРИНЦИПЕ ДЕЙСТВИЯ ОДНОФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Если обычный трехфазный двигатель подключить только к двум проводам сети, т. е. подвести к нему однофазный ток, ю двигатель вращаться пе будет. Но если двигатель развернуть вручную в какую-нибудь сторону, он будет продолжать вращаться самостоятельно. Опыт показывает также, что если по время вращения трехфаипого двигателя одни из трех проводов разомкнуть, то двигатель будет продолжать вращаться (рис. 386). Работа однофазного асинхронного двигателя основывается па этом явлении.
Магнитное ноле однофазного двигателя. В простом однофазном двигателе одна обмотка, расположенная в пазах статора, создает магнитное поле с одним северным и одним южным полюсом.
(’.хематически это можно изобразить, как показано на рис. 387. Так как по обмотке проходит переменный ток, т<> магнитное поле изменяется по величине и направлению. Например, в одну половину периода северный полюс будет внизу, а южный вверху, а в другую половину периода — наоборот. Полюсы при этом по окружности не перемещаются. Такое магнитное ноле называется п у л ь с и р у ю щ и м. Представим себе, что внутри статора однофазного двигателя между полюсами помещен ротор с короткозамкнутой обмоткой.
Па рис. 388 показана только беличья клетка ротора. Проводник 1 с проводником 8 образуют замкнутый виток, сквозь который проходит переменный магнитный поток статора. Такие же витки образуют проводники 2 и 7, 3 и 6, 4 и 5. Так Kin,' магнитный поток переменный, то в витках будет индуктироваться э. д. с. и потечет ток.
391
Направлоние индуктированного тока определим с помощью правила Ленца для момента, когда верхний полюс является северным, а нижний — южным.
Рис. 386. При отключении одной из фаз ротор продолжает вращаться
Ток в проводнике 1 должен быть направлен от нас, а в про воднике 8 — к нам, так как тогда их магнитное поле будет на-
Рис. 388. Токи, индуктированные пульсирующим полем
Рис. 389. Силы, действующие на проводники ротора, взаимно уравновешиваются
правлено, по правилу Ленца, противоположно полю статора. Точно так же можно определить направления токов в остальных проводниках. Мы видим, что в проводниках 1, 2, 3 и 4 ток
392
идет от нас, а в проводниках 5, 6, 7 и 8—к нам. Эти токи будут взаимодействовать с магнитным полем полюсов.
Направление сил, действующих на проводники, можно определить по правилу левой руки. На проводники 1, 2, 3 и 4 силы действуют справа налево, а на проводники 5, 6, 7 и 8 —• слева направо (рис. 389). Из этого рисунка можно видеть, что силы, действующие на проводники ротора, будут взаимно уравновешиваться, и поэтому ротор останется неподвижным. Теперь предположим, что одновременно с возникновением
токов в проводниках ротора его начинают вращать против движения стрелки часов. Тогда проводники ротора расположатся
так, как показано на рис. 390,а.
(«илы, действующие па проводники 3, А, -/ И 7, будут уравновешивать друг друга, но силы, действующие на проводники 1 и 2, а также на проводники 6 и 5, будут стремиться вращать ротор против движения стрелки часов. Поэтому, если перестать вращать
Рис. 390. Развернуть Л вручную ротор
ротор вручную, он продолжает щнвцатын
все ясе будет вра-
щаться самостоятельно. Если ротор развернуть по направле-
нию вращения часовой стрелки, то силы, действующие па про-подпики, будут распределяться, как показано на рис. 390,6. Простой однофазный двигатель может работать, если его
при пуске развернуть каким-нибудь приспособлением или от руки. При этом ротор простого однофазного асинхронного
двигателя вращается в ту сторону, в которую его развернули.
Пусковая обмотка. Разворачивать двигатель при пуске о г руки неудобно. Поэтому однофазный двигатель, кроме рабочей фазной обмотки, имеет в статоре еще одну обмотку, позволяющую при пуске получить вращающееся магнитное поло. Под действием этого поля ротор двигателя разворачи-вшчгн. После этого добавочную обмотку обычно отключают.
Добавочная обмотка, необходимая при пуске для создания вращающегося магнитного поля, называется пусковой о б м о т к о й. Пусковую обмотку укладывают в пазы статора to сдвигом на угол 90° относительно рабочей обмотки. Обе обмотки включаются параллельно сети. Каждая из обмоток ооладаст активным и индуктивным сопротивлениями.
У рабочей обмотки индуктивное сопротивление больше
393
активного, поэтому ток в ной по фазе отстает от напряжении на угол больше 45°. Пусковая обмотка рассчитана на кратковременную работу, поэтому ее обычно наматывают из относительно тонкого провода и она имеет небольшое число витков.
Индуктивное сопротивление пусковой обмотки очень невелико по сравнению с активным, и поэтому ее ток по фазе почти совпадает с напряжением. Для получения наименьшего угла сдвига между током пусковой обмотки и напряжением сети
Рис. 391. Схема и токи рабочей п пусковой обмоток
часто последовательно с пусковой обмоткой включают добавочное активное сопротивление. Тогда токи в пусковой и рабочей обмотках окажутся сдвинутыми по фазе относительно друг друга. Иногда для получения сдвига по фазе вместо сопротивления включают конденсатор (конденсаторный пуск).
Схема обмоток и токи в них показаны на рис. 391. Два тока, сдвинутые между собой по фазе и протекающие по обмоткам статора, могут создать вращающееся магнитное поле подобно тому, как это делает трехфазный ток в трехфазной обмотке. Значит, однофазный двигатель может сам развернуться. После разгона двигателя пусковую обмотку отключают, так как сила тока, протекающего в пей, примерно в 4—5 раз превосходит ток, допустимый по, условию нагрева. Если пусковую обмотку не отключить, то опа может недопустимо перегреться и даже перегореть, и двигатель будет испорчен. Для отключения пусковой обмотки однофазные асинхронные двигатели снабжаются автоматическими центробежными выключателями.
§ 7. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕДВИЖНЫХ КИНОПРОЕКТОРОВ
Передвижные кинопроекторы К-25, К-35, 16-ЗП и др. часто работают в местностях, где нет трехфазного тока. Поэтому в передвижных проекторах применяются однофазные асинхронные двигатели.
394
Устройство двигателя типа ДО-50. Двигатель ДО-50 (двига-।е. 11, однофазный мощностью 50 вт) применяется н передвижных кинопроекторах К-35, К-101 и КПС. Устройство его показано на рис. 3!)2.
Технические данные двигателя ДО-50 lliiianiic от однофазной сети перемети го
unia............................. 110 в 50 гц
Число оборотов........................ 1425 об/мип.
Мощность на валу......................... 50 вт
Потребляемая мощность.................... 125 ет
Поминальный ток............................ 2,2 а
Ноэфициент полезного действия.............. 40%
Ноафициснт мощности (cosep).............. 0,52
Пусковой ток двигателя.................около 9 л
Вес........................................ 5,4 кг.
Корпус отлит из алюминиевого сплава, называемого силумином. В корпус запрессован сердечник статора с рабочей и пусковой обмотками. Сердечник статора собран из тонких штампованных листов динамной стали с пазами так же, как х |рехфазных двигателей. Статор двигателя четырехполюсный. Провод пусковой обмотки толще провода рабочей обмотки. O'iiuiko плотность тока в пусковой обмотке больше, чем в рабочей. Поэтому пусковая обмотка выдерживает ток всего в течение 2—3 сек. Ротор имеет короткозамкнутую обмотку в виде i.c.।н'1 ней клетки. Пазы ротора немного скошены по образую-ш< II и залиты алюминиевым силаном так, что с торцов обра-а\юк я замыкающие кольца беличьей клетки. Ротор вращается и шариковых подшипниках. Для сцепления с механизмом проектора на конце вала насажена meriеpiiн.
Двигатель снабжен центробежным выключателем, автомати-«lei ки отключающим пусковую обмотку после того, как двигатель разопьет скорость, близкую к номинальной. Центробежный выключатель укреплен на валу. Его конструкция о|делыц> показана на рис. 393. Выключатель имеет подвижные кулачки, которые при достижении некоторой скорости вращения расходятся в стороны, перемещая вдоль вала контактное кольцо, размыкающее контакты пусковой обмотки. При остановке двигателя контактное кольцо под действием пружины возвращается обратно и замыкает контакты пусковой обмотки.
Изменение направления вращения двигателя производится переключением концов одной из обмоток — пусковой или рабочей. Необходимость в переключении может возникнуть только нос.ie ремонта, когда могут оказаться перепутанными концы пусковой обмотки. На заводе двигатель собирается так, чтобы он имел нужное направление вращения. Двигатель развивает небольшой вращающий момент при пуске. Поэтому при включении механизм проектора нужно разворачивать от руки, в затем включать двигатель.
395
3
Рис. 392. Общий вид и части двигателя ДО-50:
1 — двигатель ДО-50; 2 — статор; 3 — концы рабочей обмотки;
4 — концы пусковой обмотки; й — ротор
Рис. 393. Центробежный выключатель двигателя ДО-50:
а — пуск; 5 — работа; 1 — кулачок; 2 — контактное кольцо; 3 — пружина; 4 — подвижная скоба; 5 — проводники цепи пусковой обмотки
396
Во время работы двигатель может иметь пониженное число оборотов. Причинами этого могут быть пониженное напряжение сети, низкая частота сети, слишком большая нагрузка. Поэтому нужно следить за тем, чтобы напряжение, которое подводится к двигателю от автотрансформатора, было равно 110 в. Кинопроектор пе должен требовать большого усилия для вращения.
Центробежный выключатель должен быть правильно отрегулирован и надежно работать. Если при неподвижном роторе контакты пусковой обмотки не замкнуты, то двигатель сам
Рис. 394. Двигатель проектора 16-ЗП:
1 _ статор; 2 — крышки; з — ротор; 4 — вентилятор лампы;
5 _ рукоятка дли провертывания ротора; 6 — контакты цен-. тро^ешного |11.ш.и1о'|;|тгли; 7 — резиновый шкивок
не разворачивается п сильно шумит. Длительное включение двигателя может вызвать перегорание ого обмоток. Остальные причины неисправностей однофазных двигателей такие же, кик п у трехфазпых (загрязнение подшипников и др.).
Двигатель типа ОК-50. Двигатель ОК-50 по характеристикам во отличается от двигателя ДО-50. Двигатель не имеет центробежного выключателя. Пусковая обмотка включается г помощью пакетного выключателя на промежуток времени 2 -3 сек. (положение рукоятки выключателя «Пуск»), а затем, когда рукоятка переключателя переводится в положение «Работа», пусковая обмотка отключается.
Двигателями ОК-50 снабжены кинопроекторы К-25 старых выпусков.
Двигатель кинопроектора 16-ЗП. Двигатель кинопроектора 16 3II имеет мощность 40 вт, число оборотов в минуту 2880. Питание двигателя осуществляется напряжением НО в 50 гц, поминальный ток 1,2 а. Коэфициент полезного действия 40%, коэфициент мощности 0,7.
Устройство его показано на рис. 394.
Статор имеет рабочую и пусковую обмотки. Ток пусковой обмотки около 10 а. Пусковая обмотка включена последова-1слыю с активным сопротивлением 10 ом для того, чтобы ток
397
в „ей был сдвинут по фале относительно тока рабочей обмотки. Ротор двигателя короткозамкнутый. На валу ротора имеется вентилятор, который необходим для охлаждения проекционной лампы ПО в 750 вт. Лампа может быть включена только ври работающем двигателе. Вращение передается .механизму проектора с помощью резинового шкива. На задней крышке двигателя имеется рукоятка для того, чтобы можно бгзло про-
Рис. 395. Центробежный выключатель двигателя 16-ЗП:
1 — сопративлеяие пусковой обмотки; 2 — контакты;
5 — грузик; 4 — пружина;
— конус
ворачивать механизм проектора от руки. Для автоматического отключения пусковой обмотки двигатель снабжен пружинным размыкателем (рис. 395). Контакты пружинного размыкателя который при пуске перемещается вдоль вала. Двигатель укреплен так, что его на время пуска можно механически отключить от проектора.
Конденсаторным однофазный двигатель 2ОМ-1. Однофазные асинхронные двигатели с пусковой обмоткой неудобны тем, что в цени пусковой обмотки необходимо иметь специальный выключатель и следить за тем, чтобы пусковая обмотка своевременно отключалась.
В настоящее время в передвижных кинопроекторах тина К-ЗОЗ и других применяют однофазный двигатель типа 20М-1
(рис. 396). Он отличается от описанных выше однофазных двигателей с пусковой обмоткой тем,, что обмотки его статора создают вращающееся магнитное поле как в момент пуска, так и при работе двигателя. Для этой цели на статоре расположены две обмотки —основная и конденсаторная, сдвинутые по окружности статора относительно друг друга на угол 90 электрических градусов. Необходимый для получения вращающегося магнитного ноля сдвиг по фазе между токами (на угол 90°)
разъединяются конусом,
Т:=Змкф±М% Up<ri=6MS Тип кбг-т
Конденсаторная обмотка
Рис. 396. Схема конденсаторного двигателя 2.0М-4
конденсаторный
398
достигается благодаря включению в цепь конденсаторной обмотки конденсатора, имеющего емкость 3 мкф. Обе обмотки рассчитаны на длительный режим работы (в отличие от двигателя с конденсаторным пуском).
Постоянная работа обеих обмоток и наличие конденсатора значительно улучшают как пусковые, так и рабочие характеристики двигателя, приближая их к характеристикам трехфаз-пых асинхронных двигателей.
Для обеспечения надежной работы двигателя 20М-1 необходимо через каждая 150—200 сеансов производить промывку шариковых подшипников в керосине и смазку их консталином
Рис. 397. Внешний вид п устройство конденсаторного двигателя 20М-1:
1 — сердечник ротора; 2 — короткозамкнутая обмотка ротора; 4 — сердечник статора; 4 — обмотка статора; 5 — шариковый иодшппник; 6 — вал; 7 — стяжные шпильки
(теплостойкая смазка) или солидолом. При выходе из строя конденсатора его следует заменять только конденсатором емкостью в 3 мкф с, рабочим напряжением не менее 600 в (амплитуда напряжения на конденсаторе достигает 550 в при действующем значении напряжения 380 в). Включение конденсатора большей емкости приводит к увеличению тока, а следовательно, к перегреву и выходу из строя конденсаторной обмотки; при конденсаторе меньшей емкости уменьшается, пусковой момент двигателя. Работа двигателя с поврежденным или отключенным конденсатором недопустима, так как приводит к перегреву п повреждению основной обмотки.
Технические данные двигателя 20М-1
IhiMiiiiiiJii.iiM напряжение.............. 110 в
Частота сети............................... 50 гц
Мощность................................... 50 вт
Номинальное число оборотов............... 1440 об/мин.
Номинальный ток.............•............... 2 а
Емкость конденсатора........................ 3 мкф
Рабочее напряжение конденсатора......... 600 в
Внешний вид и устройство двигателя показаны на рис. 397.
399
КОНТРОЛЫ!ЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ XVI
1. Что такие вращающееся магнитное ноле?
2. Как получается вращающееся магнитное поло?
3. Как изменить направление вращения магнитного поля?
4. Как устроен асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором?
5. Расскажите, почему вращается ротор асинхронного двигателя.
6. Равна ли скорость вращения ротора скорости вращающегося магнитного ноля? Что называется скольжением?
7. Как зависит ток в обмотках статора от тока ротора?
8. Что называется пусковым током двигателя?
9. Почему пусковой ток больше тока во время работы?
10. Как устроены сердечник и обмотки статора?
11. Как делают короткозамкнутую обмотку ротора?
12. Как включаются обмотки статора? Нарисуйте положение перемычек при включении треугольником и звездой.
13. Как выбрать предохранители в цепи двигателя?
14. Для чего применяют реостат в цени статора на время пуска? Какие недостатки пуска через реостат?
15. Расскажите устройство двигателя И-10/4.
16. Как изменить направление вращения трехфазного двигателя?
17. И чем заключаются правила ухода за двигателем?
18. Расскажите принцип действия однофазного асинхронного двигателя.
19. Может ли однофазный двигатель самостоятельно развернуться?
20. Для чего необходима пусковая обмотка?
21. Для чего пусковая обмотка делается так, чтобы ее индуктивное сопротивление было мало но сравнению с активным?
22. Почему пусковая обмотка не может остаться включенной на продолжительную работу?
23. Где применяется двигатель ДО-50? Для чего служит центробежный выключатель?
24. Чем отличается двигатель проектора 16-ЗП от двигателя ДО-50?
25. Как изменить направление вращения однофазного двигателя?
26. В чем заключаются особенности конденсаторного двигателя?'
Глава XVII
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами.
Механическую энергию генераторы получают от водяных или паровых турбин или двигателей внутреннего сгорания, при помощи которых якорь генератора вращается в магнитном полет
Принцип действия генераторов основан на известном нам явлении электромагнитной индукции: при движении проводника в магнитном поле в нем возникает электродвижущая сила, величина которой зависит от скорости пересечения проводником магнитных и н д у к-11 ионных л и и и й.
§ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Устройство. Генератор постоянно’'!) тока имеет три основные части (рис. 398):
1. Электромагнит, или и н д у к т о р, создающий сильное магнитное поле. Индуктор представляет собой магнитную систему в виде ярма цилиндрической формы 1 с укрепленными на нем полюсами. Полюс состоит из сердечника 2 и обмотки 3. Обмотка полюсов называется обмоткой возбуждения.
2. Якорь, представляющий собой сердечник 4 с обмоткой якоря 5. При вращении якоря его обмотка пересекает магнитные линии поля п в пей возникает э. д. с.
3. К о л л е к т о р со щеткам и, Коллектор 6 состоит из отдельных медных пластин, к которым присоединены отводы от обмотки якоря. К коллекторным пластинам прижимаются две угольные щетки 7, соединенные проводами с приемником энергии 8. Коллектор вращается вместе с якорем и служит для того, чтобы одна из щеток всегда была соединена с теми проводниками обмотки якоря, от которых ток уходит во внешнюю цепь, а другая — с теми проводниками обмотки якоря, к которым ток возвращается из цени.
26 Электротехника 401
Первая щетка является положительным зажимом генератора (-]-), а вторая — отрицательным (—).
Действие генератора. Если якорь с помощью механического
стрелки
двигателя вращается против
Рис. 399. благодаря коллектору и цепи приемника проходит постоянный ток
часов, то проводники, лежащие в пазах якоря, пересекают магнитные линии и в них индуктируется I э. д. с. В проводниках, j проходящих мимо северного полюса, э. д. с. будет направлена из-за плоскости чертежа к нам. Это можно установить по правилу правой руки. Проводники, проходящие мимо южного полюса, движутся относительно магнитных линий в противоположном направлении. Поэтому индуктированная в них э. д.с. будет направлена от нас . за плоскость чертежа. В | проводниках д, е, а, со-I единенных последовательно, э. д. с. складываются так, что их сумма равна напряжению между щетками:
^;=ед + ес + еа"
Направление токов, индуктированных в этих проводниках, показано стрелками. Точно так же склады
ваются э. д. с., индуктируемые в проводниках а, в, б, и их сумма равна напряжению между тетками:
t/ = e2+ee4-eff.
Направление токов, индуктированных в этих проводниках, показано стрелками. Таким образом, к коллекторной пластине а от обмотки якоря притекают два тока. Токи эти суммируются щеткой (-р), проходят через внешнюю цепь и возвращаются к коллекторной пластине г. Обмотка якоря имеет две параллельные цепи тока.
Теперь предположим, что якорь вместе с коллектором повернулся, как показано на рис. 399. Проводник б перемес’ тился так, что находится у северного полюса, а проводник д —
402
у южного. Поэтому э. д. с. в каждом из них изменит знак. В остальных проводниках э. д. с. сохранит прежний знак. Коллектор вращается вместе с якорем, и теперь щетка (+) соединена с коллекторной пластиной б, а щетка (—) с коллекторной пластиной О. Поэтому к щетке (-|~) попрежнему притекают два тока, проходят через приемник, а затем возвращаются к щетке (—). Хотя в проводниках б и д направление э. д. с. и токов изменилось, на зажимах приемника напряжение сохранило свою величину и знак.
То же самое будет происходить и при дальнейшем вращении якоря.
Благодаря коллектору в цепи приемника проходит постоянный ток, несмотря на то, что в проводниках обмотки якоря знак индуктированной э. д. с. меняется.
Назначение коллектора заключается в том, чтобы получить в цепи при. ем ник а постоянный то к.
Величина электродвижущей силы генератора. Мы установили, что электродвижущие силы отдельных проводников половины обмотки якоря складываются. Поэтому, чем больше последовательно соединенных проводников обмотки якоря находится между щетками генератора, тем больше результирующая э. д. с.
Э. д. с. зависит от скорости пересечения магнитных индукционных линий. Поэтому, чем быстрее вращается якорь, тем э. д. с. генератора больше. Число магнитных линий, пересекаемых проводниками и одну секунду, будет тем больше, чем сильнее магнитное поле, созданное полюсами. Магнитный поток между полюсами генератора линнеит от намагничивающей силы (ампервитков) обмоток возбуждения. Поэтому, увеличивая ток в обмотке возбуждения, можно увеличить магнитный поток, а значит, и э. д. с. генератора.
Таким образом, э. д. с. генератора постоянного тока прямо пропорцион ал ьна числу витков обмотки якоря, скорости вращения и магнитному потоку.
Сила тока и мощность. Сила тока в обмотках якоря завп-। нт от сопротивления приемника. Однако, чтобы обмотки якоря по перегревались, сила тока не должна превышать определенного предела.
Чем больше сечение ировода обмотки якоря, тем больший ток может дать генератор. Мощность электрического тока, вырабатываемая генератором, не вся передается приемнику, тпк как на сопротивлении обмоток якоря часть мохцвостИ' теряется на тепло.
Сопротивление обмоток якоря R является в и у т р е н-п им сопротивлением г ев ерато р а.
По закону Ома напряжение на зажимах приемника равно
26:
40»
электродвижущей силе генератора минус падение напряжении на его внутреннем сопротивлении:
и=Е-Шя.
Отсюда видно, что напряжение на приемнике становится меньше при увеличении тока. Полезная мощность в приемнике равна произведению напряжения и силы тока:
Р —UI.
« х полеан м *
Полная мощность больше полезной на величину мощности потерь на сопротивлении обмотки якоря:
^полеан + Рпотерь или P = ui + РНЯ.
§ 2. УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Станина. Неподвижная часть генератора называется с т а-н и и о й, или ярмо м. Ярмо отливается из чугуна или стали (сталь обладает лучшей проводимостью для магнитного потока).
Полюс состоит из сердечника, собранного из тонких штампованных листов (рис. 400,а) и обмотки (рис. 400,6). Обмотка наматывается из изолированного медного провода й надевается па сердечник. Полюс крепится к станине с помощью болтов (рис. 401). Расширяющаяся часть сердечника полюса, называемая полюсным наконечником, делается для того, чтобы уменьшить сопротивление магнитному потоку, проходящему в якорь через воздушный зазор. Воздушный зазор между якорем и полюсом обычно делают около 1 мм.
Рис. 400. Сердечник и обмотка полюса: а — сердечник; б — обмотка
Ярмо с полюсами и сердечник якоря составляют магнитную систему генератора. На рис. 398 был показан генератор, имеющий два полюса. Чаще применяют многополюсные генераторы, имеющие четыре, шесть или более полюсов.
На рис. 402 изображена магнитная система четырехполюсного генератора. Полюсы, расположенные рядом, всегда имеют 404
рапную полярность. Обмотки полюсов соединяются последо-
вательно друг с другом и питаются постоянным током.
Якорь. Якорь состоит из сердечника и обмоток. Материалом сердечника служит динамная сталь, имеющая высокую
магнитную проницаемость и малые потери па гистерезис. При вращении сердечника в нем возникают вихревые токи. Для уменьшения потерь па вихревые токи сердечник собирается из отдельных листов толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга тонкой бумагой, слоем лака или окиси железа.
Листы штампуются с пазами и отверстием в центре для вала(рис. 403). В пазы сердечника (рис. 404) укладывается обмотка якоря. Обмотка якоря обычно выполняется из отдельных секций (рис. 405), намотанных на специальные шаблоны изолированным проводом. Витки секции тщательно изолируются друг от друга и
Рис. 401. Крепление полюса к ярму;
1 — обмотка возбуждения;
2 —полюс; 3 — полюсный наконечник; 4 — якорь
от сердечника якоря,
У маломощных генераторов обмотка наматывается вручную па сердечник якорн. Якорь с обмоткой показан на рис. 406.
Коллектор. Коллектор собирается па отдельных пластин красной меди (рис. 407), изолированных друг от друга с помощью слюды. Пластины коллектора, называемые л в м о л и м и,
Рис. 402. Магнитная цепь с четырьмя полюсами
Рис. 403. Лист сердечника якоря
укрепляются на специальной втулке, с помощью которой коллектор крепится к валу якоря. Поверхность коллектора имеет правильную цилиндрическую форму, которая после монтажа придается ему путем обточки и шлифовки (рис. 408). К каждой ламели коллектора припаиваются отводы от обмотки якоря.
405
Рис. 404. Якорь без обмотки
Рис. 405. Секция обмотки якоря: j — начальная сторона секции;
2 — конечная сторона секции;
3 — передняя лобовая сторона;'
4 — задняя лобовая сторона
Рис. 406. Якорь с обмоткой
Рис. 407. Пластина коллектора
Рис. 409. Щетка и щеткодержатель
Рис. 408. Коллектор:
1 — ламели; 2 — втулка;
3 — нажимный конус;
4 — гайка; 5 — миканитовый г.онус; € — типагатовый бандаж
406
К цилиндрической поверхности коллектора прижимаются щетки, с помощью которых ток отводится от обмотки якоря к приемнику. Щетки представляют собой угольные или графитовые бруски, укрепленные в щеткодержателях (рис. 409).
Щеткодержатель с помощью пружины прижимает щетку к коллектору. Натяжение пружины регулируется так, чтобы щетка имела надежный контакт с коллектором.
При слабом натяжении пружины контакт получается плохим, происходит перегрев, обгорание и искрение щеток. При
Рис. 410. Траверза:
2 — траверза; 2 — палец щеткодержателя; 3 — коллектор; / — стопорный винт
чрезмерном натяжении пружины сильно увеличивается нагрев щеток и коллектора, и щетки быстро изнашиваются.
Щетка должна плотно входить в обойму щеткодержателя, но в то же время необходимо, чтобы она свободно скользила вдоль обоймы. Рабочая поверхность щетки пришлифовывается к коллектору с помощью мелкозернистой стеклянной бумаги.
Траверза. Щеткодержатель укрепляется па приспособлении, которое называется траверзой (рис. 410). Траверза крепится к подшипниковому щиту генератора так, чтобы ее можно было слегка поворачивать вместе со щетками. Поворотом траверзы находят положение щеток, чтобы они при работе не искрили. Затем траверзу закрепляют стопорным винтом.
Общий вид генератора постоянного тока показан на рис. 411.
Сведения об обмотках якоря. Обмотки якоря наматывают различными способами в зависимости от числа полюсов, мощности и напряжения генератора. Чаще всего обмотки выполняют из отдельных секций (рис. 412).
Часть обмотки якоря, находящаяся между двумя коллекторным» пластинами, называется секцией. Секция в свою очередь состоит из нескольких витков. Части секции, находящиеся в пазах, называются активными второ на м и с (> к ц и и, так как они пересекают магнитные индукционные линии и в них индуктируется э. д. с.
Стороны одной секции лежат в таких пазах, что всегда ни ходится под разноименными полюсами. Если одна сторона
407
секции находится под серединок северного полюса, то вторая сторона находится под соседним южным полюсом.
Однослойная обмотка. Простейшей является однослойная обмотка, у которой в одном пазу находится одна сторона секции и поэтому число пазов больше числа коллекторных пластин в два раза. Если разделить число пазов на число полюсов, мы узнаем, сколько пазов нужно отсчитать, чтобы уложить вторую сторону секции. Например, в якоре четырехполюсного генератора имеется 18 пазов. Разделив число пазов на число полюсов
18 / t;
узнаем, что стороны секции должны быть смещены на 4,5 паза. Так как уложить проводники помимо пазов нельзя, полученную цифру округляют до ближайшего меньшего целого числа.
Рис. 411. Общий вид Рис. 412. Секции обмотки якоря
генератора
Это число показывает расстояние между двумя сторонами одной секции и называется первым частичным шагом обмотки У1. Число пазов, на которое смещены конечная сторона одной секции и начальная сторона следующей секции, называется вторым частичным шагом о б м о т к н >'2. Число пазов, па которое смещены начальные стороны двух соседних секций, называется результи-р у ю in и м шагом У (рис. 412).
Различают два вида обмоток — петлевые и волновые.
Секция петлевой обмотки имеет вид петли и может содержать несколько витков. У петлевой обмотки выводы одной секции припаяны к двум соседним коллекторным пластинам. С концом первой секции соединяется начало второй секции, с концом второй — начало третьей и т. д. (рис. 413).
Результирующий шаг петлевой обмотки У =2, т. е. начальные стороны двух соседних секций смещены на два паза. У петлевой обмотки результирующий шаг равен разности первого и второго частичных шагов:
у=Л-у2.
408
Зная Y и У1, можно найти второй частичный шаг:
У2=Л-К.
Например, при
Ух = 5 и Y—2 второй частичный шаг
У, —5 —2 = 3.
Зная шаги У, Ух и У2, можно составить схему обмотки. Например, если У=2, Ух=5 и У2=3, то намотка ведется в следующем порядке: в первом пазу располагается начальная активная сторона первой секции;
конечная активная сторона располагается через 5 пазов, т. с. в шестом пазу (1+У1=1+5).
Начальная сторона второй секции располагается через 2 паза после начальной стороны первой секции, т. е. в третьем пазу (1-ру=1-(-2). Конечная сторона второй секции должна находиться на 5 пазов дальше, т. е. в восьмом пазу (3+5=8).
Пользуясь этим правилом, наматывают всю обмотку якоря.
Схема однослойной обмотки якоря четырехполюсного генератора iioKfUHiua па рис. 414, где для наглядности также изображена развернутая схема обмотки. Каждая секция для простоты покапана н виде одного вятка. Часто
Пластины коллектора
Рис. 413. Секций петлевой обмотки
в одном пазу находятся дне сто-
роны разных секций. Такую обмотку можно получить, если объединить по дна ипап: первый со вторым, третий с четвертым и т. д., как показано па рис. 415. Число пазов при этом сокращается в дна раза (условно пазы показаны пунктиром).
Такая обмотка называется двуслойной и применяется чаще, чем однослойная.
Волновая обмотка отличается от петлевой тем, что концы одной и той же секции припаиваются не к двум соседним коллекторным пластинам, а к пластинам, находящимся па противоположных сторонах коллектора. Форма секции волновой обмотки имеет вид полны (рис. 416).
Результирующий та г в о л п о в о й о б м о т-к и равен сумме первого и второго ча-с т и иных ш а г о в:
У = У1+У2.
Предположим, что число пазов попрежнему равно 18; первый частичный шаг Ух= 5 и второй частичный шаг У2= 3. Тогда результирующий шаг обмотки
y=z5 + 3 = 8.
Значит, начальная сторона второй секции смещена на 8 пазов относительно начальной стороны первой секции.
409
Рис. 415. Двуслойная петлевая обмотка
а — одновитковые; б — двухвитковые
Рис. 417. Волновая обмотка:
а —схема обмотки на якоре; б — развернутая схема
410
Зная rlt К, и У, можно составить схему обмотки. Пусть начальная сторона первой секции находится в первом пазу. Конечная сторона смещена на Yj=5 пазов, т. е. находится в шестом пазу. Начальная сторона второй секции должна быть смещена на У=8 пазов относительно первого паза, т. е. должна находиться в девятом пазу (1+8). Продолжая такое расположение секций и дальше, получим волновую обмотку, показанную на рис. 417.
§ 3. ГЕНЕРАТОР 0 НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Свойства генератора постоянного тока зависят от способа питания обмотки возбуждения, с помощью которой создается магнитный поток.
Схема. Генератор, обмотка возбуждения которого питается от независимого источника постоянного тока, называется генератором с независимым возбуждением (схема показана на рис. 418).
Цепь обмотки возбуждения состоит из источника тока (например, из батареи гальванических элементов), регулировочного реостата и самой обмотки возбуждения. Цепь якоря электрически не связана с обмоткой возбуждения и состоит из якоря со щетками и приемников.
Для защиты якоря от коротких замыканий и перегрузки в цепи включают предохранители. Приемники подключаются с помощью рубильника. Для контроля напряжения параллельно якорю включается вольтметр. Якорь генератора вращается механическим двигателем с постоянной скоростью.
Режим холостого хода генератора. При холостом ходе приемник отключен, значит, ток в обмотках якоря равен нулю и падения на сопротивлении обмоток нет. Поэтому напряжение на щетках, измеряемое вольтметром при холостом ходе, равно электродвижущей силе генератора.
Как мы говорили, электродвижущая сила генератора зависит от величины тока, протекающего в обмотке возбуждения. Предположим, что цепь обмотки возбуждения разомкнута, т. е. ток возбуждения равен нулю. Казалось бы, что э. д. с. генератора должна быть равна нулю, так как полюсы генератора не намагничиваются. Однако па самом деле вольтметр измерит очень небольшую э. д. с.
Появление э. д. с. означает, что магнитный поток, хотя и небольшой, имеется. Наличие магнитного потока при отсутствии тока возбуждения объясняется остаточным магнетизмом ярма и полюсов. Если замкнуть цепь обмотки возбуждения и постепенно увеличивать ток возбуждения, то магнитное поле генератора будет увеличиваться. Поэтому будет увеличиваться и электродвижущая сила в обмотках якоря, так как ее величина зависит от числа магнитных линий, которые пересекаются обмоткой якоря в секунду.
411
('начала, с увеличением тока возбуждения, магнитный поток быстро увеличивается, затем увеличение потока замедляется благодаря насыщению стали магнитной цепи. Поэтому при увеличении тока возбуждения э. д. с. генератора сначала увеличивается быстро, а затем почти по растет. .Ото можно изобразить на графике, откладывая вдоль горизонтальной оси величину тока возбуждения, а по вертикальной оси — величину э. д. с. (рве. 419).
Зависимость э. д. с. генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода г е и е р а т о р а.
Характеристика холостого хода показывает, что э. д. с. генератора можно регулировать, изменяя величину тока воз-
Гнс. 4IH. Схема генератора е независимым возбуждением
Суждения. Когда ток возбуждения настолько велик, что магнитная цепь генератора насыщается, влияние величины тока возбуждения на э. д. с. становится мало заметным.
Рабочий режим. После того как установлена нормальная э. д. с. генератора, к нему можно подключить приемник энергии. При этом через обмотки якоря проходит ток. На сопротивлении обмоток нкоря происходит падение напряжения, и поэтому величина напряжения на приемнике будет меньше э. д. с. генератора.
Чем больше мощность нагрузив генератора, тем больше ток, а значит, и падение напряжения на сопротивлении обмотки якоря. Поэтому с увеличением нагрузки на генератор напряжение на приемниках становится меньше.
Чтобы характеризовать, насколько напряжение на зажимах генератора уменьшается с увеличением тока нагрузки, строят внешнюю характеристику генератора (см. главу V). Внешняя характеристика показывает зависимость напряжения и а зажимах генератора от тока нагрузки при неизменном сопротивлении цепи возбуждения.
Внешнюю характеристику генератора изображают графически, откладывая вдоль вертикальной оси напряжение, а вдоль горизонтальной оси — ток нагрузки (рис. 420).
412
У генераторов с независимым возбуждением при номинальной нагрузке напряжение уменьшается всего на 5—10% по сравнению с напряжением холостого хода, так как сопротивление обмотки якоря мало по сравнению с сопротивлением приемника.
Мы говорили, что э. д. с. генератора зависит оттока возбуждения. Это позволяет поддерживать на приемниках одинаковое напряжение, несмотря на изменение тока. Например, если увеличить ток возбуждения, т. е. магнитный поток генератора, то увеличится и его э. д. с.
Рис. 410. Характеристики холи- Рис. 420. Внешняя характеристика стоге ходи генератора с независимым
возбуждением
Следя за показанием вольтметра и регулируя ток возбуждения, можно изменять э. д. с. настолько, чтобы при изменениях тока нагрузки поддерживать неизменное напряжение па приемнике. Для регулирования тока возбуждения служит регулировочный реостат.
Пользуясь реостатом, нужно помнить следующее: никогда нельзя разрывать цепь возбу-ж дени я. Если разомкнуть цепь обмотки возбуждения, то быстро уменьшится магнитный поток.
При быстром уменьшении магнитного потока в обмотке возбуждения возникает э. д. с. самоиндукции, которая может достичь очень большой величины и вызвать пробой изоляции.
Чтобы предохранить обмотку от перенапряжений, применяют такую схему включения реостата, чтобы при отключении обмотка возбуждения замыкалась накоротко. Для этого на регулировочном реостате предусмотрен контакт Л1 (см. рис. 418).
Недостатком генератора с независимым возбуждением является то, что требуется специальный источник тока для питания обмотки возбуждения.
413
§ 4. ГЕНЕРАТОРЫ <J САМОВ»ВВУЖДЕ11ИЕЛ1
Гонора горы, у которых обмотка возбуждения получает питание от якоря, называются г с и с р а т о рами с с а м о в о з б у ж д е п ио м. По способу питания обмотки возбуждения различают генераторы с параллельным возбуждением, генераторы с последовательным возбуждением и генераторы с параллельно-последовательным возбуждением. Мы рассмотрим только первый и третий из них.
Шунтовой генератор. Генератор, у которого обмотка возбуждении включена параллельно зажимам якоря, называется генератором с параллельным возбуждение м, или шунтовым генератором.
Из схемы шунтового генератора (рис. 421) видно, что обмотка возбуждения получает ток от якоря. Ток якоря разветвляется— часть его идет к приемникам энергии, а часть проходит в обмотку возбуждения. Ток возбуждения должен составлять небольшую часть тока якоря, так как в противном случае уменьшается полезный ток, протекающий через приемник. Поэтому шунтовую обмотку возбуждения обычно наматывают топким проводом и делают большое число витков. При большом числе витков необходимые ампервитки возбуждения создаются малым током.
Обычно ток обмотки возбуждения не больше 3—5% номинального тока нагрузки.
Самовозбуждение генератора. При пуске шунтового генератора начальная э. д. с. очень мала, так как тока в обмотке возбуждения нет и э. д. с. индуктируется только благодаря магнитному потоку, создаваемому остаточным магнетизмом ярма и полюсов.
Рис. 421. Схема шунтового генератора
Под действием начальной э. д. с. появляется ток в обмотке возбуждения, и магнитный поток начинает увеличиваться, вызывая дальнейшее увеличение э. д. с. Этот процесс называется самовозбуждением генератора.
Приемник энергии во время пуска шунтового генератора должен быть отключен. В противном случае почти весь ток пройдет в приемник, так как сопротивление приемника много меньше, чем сопротивление обмотки возбуждения. Поэтому
414
11 в11 a .41.111.111 кп. ini i*>\a. ii'iiiiH n\.iii inn in.it.ы> Mui. *iiii mbi uni’
паи нош. IeiK'pn nip.i uc намагнитится n a. ,i. c. ciu itr i mu-жет \'ii('.iiii4itiiirii.i и Шунтовой генератор нормально возбу-ждпе’1 си при xo.toi him ходе. Казалось бы, что в процесс о самовозбуждении а. д. с. генератора должна возрастать беспре-
дельно, ни; как с увеличением а. д. с. растет ток возбуждения и увеличивается магнитный поток, а увеличение потока вызывает новое увеличение э. д. с. и т. д. На самом деле магнитный поток перестает заметно увеличиваться после того, как наступает насыщение стали магнитной цепи. Поэтому перестает увеличиваться и э. д. с. генератора.
Рис. 422. Внешняя характеристика шунтового генератора
Реостат в цепи обмотки возбуждения генератора называется шунтовым реостатом. Во время пуска для облегчения самовозбуждения генератора сопротивление шунтового реостата уменьшают до нуля. После того как будет
установлено поминальное значение э. д. с., к генератору подключают приемники энергии.
Рабочий режим. Изменении пап ряжения шунтового генератора при изменениях токи нагрузки больше, чем у генератора с. пезпипсимым возбужденном. Это объясняется несколькими причинами:
1) с увеличением тока нагрузки происходит увеличение видении напряжения на сопротивления обмотки якоря. Поэтому напряжение на зажимах генератора уменьшается;
2) ток возбуждения зависит от напряжения генератора, следовательно, с уменьшением напряжения уменьшается ток возбуждения и магнитный поток. Это вызывает добавочное уменьшение э. д. с. якоря и соответствующее уменьшение напряжения на зажимах генератора;
3) кроме этих причин, у генераторов всех систем возбуждения имеется весьма важная особенность — ток, протекающий по обмоткам якоря, оказывает размагничивающее действие на магнитный поток генератора.
Размагничивающее действие объясняется тем, что индуктированный ток всегда препятствует вызвавшей его причине (правило Ленца). Это, как мы не раз убеждались, свойственно всем электрическим машинам, действие которых основано на электромагнитной индукции. Влияние тока якоря на магнитный поток генератора называется реакцией якоря (реакция якоря наблюдается, конечно, и у генераторов с независимым возбуждением).
415
11з приведенных причин особенно сильно снижает напряжение уменыненно тока возбужденна. При больших токах нагрузки уменьшение тока возбуждения настолько сильно ослабляет магнитное поле, что напряжение генератора уменьшается почти до пуля, хотя короткого замыкания и приемнике н но
Гис. 423. Схема компаундного генератора
произошло. Поэтому внешняя характеристика выглядит так, как изображено на рис. 422. Наибольший ток нагрузки шунтового генератора называется критическим током. Обычно критический ток примерно в два раза больше поминального тока нагрузки.
При номинальном токе нагрузки напряжение шунтового генератора па 15—20% меньше напряжения. холостого хода. Такое большое уменьшение напряжения с увеличением нагрузки является существенным недостатком шунтового генератора.
Компаундный генератор. Генератор, имеющий две обмотки возбуждения, одна из которых включается параллельно зажи
Рис. 424. Внешняя характеристика компаундного генератора
мам якоря, а другая последовательно в цепь приемника, называется компаундным генератором.
Схема компаундного генерато-. ра показала парис. 423. Обмотка, включенная параллельно якорю, называется шунтовой обмоткой возбуждения, а обмотка, включенная последовательно,—с ериесной обмоткой возбуждения.
Сериесная обмотка возбуждения имеет небольшое число
витков и наматывается толстым проводом, потому что по ней проходит весь ток нагрузки. Магнитный поток, созданный сериесной обмоткой возбуждения, добавляется к магнитному потоку, созданному шунтовой обмоткой. При увеличении тока нагрузки, как мы знаем, магнитный поток шунтовой обмотки возбуждения уменьшается. Но магнитный поток, созданный сериесной обмоткой, с увеличением тока нагрузки увеличивается.
416
Результирующий магнитный поток генератора пе уменьшается, так как он равен сумме обоих магнитных потоков. Поэтому при нормальном действии сериесной обмотки э. д. с. генератора с изменением тока нагрузки не изменяется. Компаундный генератор по своим свойствам близок к генератору с независимым возбуждением.
Если сериесную обмотку возбуждения увеличить, то с увеличением тока нагрузки созданный ею магнитный поток будет увеличивать результирующий магнитный поток и э. д. с. генератора. Можно выполнить сериесную обмотку так, чтобы увеличение э. д. с. компенсировало падение напряжения на сопротивлении обмотки якоря. Благодаря этому при изменениях тока нагрузки напряжение на зажимах компаундного генератора уменьшаться но будет. Это ценное свойство компаундного генератора используется для того, чтобы создать постоянное по величине напряжение, не зависимое от числа подключенных к генератору приемников.
Внешняя характеристика компаундного генератора приведена на рис. 424. Она показывает, что при номинальном токе нагрузки напряжение генератора равно напряжению холостого хода, а при токах меньше номинального даже несколько выше, чем напряжение холостого хода.
§ б. ОБРАТИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Принцип обратимости. Электрические машины обладают свойством обратимости. Это означает, что машина может работать в качестве генератора и в качестве двигателя. Когда машина работает в качестве генератора, то якорь приводится во вращение механическим двигателем, и генератор вырабатывает электрическую энергию.
Когда машина работает в качестве двигателя, к ней подводится электрическая энергия от сети, и якорь вращается самостоятельно. Если шунтовую машину подключить к сети постоянного тока (рис. 425), то по обмотке якоря и по цепи возбуждения будет проходить ток. Взаимодействие тока якоря с магнитным полом возбуждения заставит якорь вращаться и приводить в действие связанную с ним механическую нагрузку. Таким образом, электрическая энергия будет преобразовываться двигателем в механическую энергию.
Во время вращения якоря его обмотка пересекает магнитные линии, и в ней индуктируется э. д. с., каки при работе машины в качестве генератора. Э. д. с. якоря двигателя можно определить по правилу правой руки (рис. 426). Проводник движется вправо, поэтому. э. д. с. будет иметь направление из-за плоскости чертежа к нам, в то время, как ток в проводнике идет от нас за плоскость чертежа. Следовательно, э. д. с. имеет направление, противоположное направлению
27 Э левтротехпика 417
тока, т. е. препятствует прохождению тока. Поэтому э. д. с. о б м о т к в я к о р я д в и 1' а т е л я я а з ы в а ю т и р о т и в о э л е к т р о д в я ж у щ о й с и л о й.
Сила тока в обмотке якоря равна разности напряжения сети и противоэлектродвпжущей силы, деленной на сопротивление якоря:
. _ U — Е
'я~ ‘
Из этого выражения видно, что увеличение противо-э. д. с. якоря вызывает уменьшение силы тока в якоре, и наоборот. Пуск двигателя. В момент вклю-
Рис. 425. Включение электрической машины в качестве двигателя
чения якорь двигателя еще не вращается. Противо-э. д. с. якоря равна нулю, так как проводники обмотки пе пересекают магнитных линий. Сила тока якоря в момент пуска
N
Направление ЭДС якоря
. \ 'Направление така
Направление /АВращающей силы
Рис. 426. Ток и э. д. с. якоря двигателя имеют противоположное направление
определяется только напряжением сети и сопротивлением цепи якоря. Сопротивление обмотки якоря ничтожно мало. Поэтому непосредственное подключение неподвижного двигателя к сети равносильно короткому замыканию. Чтобы во время пуска ограничить силу тока, последовательно в цепь якоря двигателя включается пусковой реостат. Сопротивление пускового реостата выбирают с таким расчетом, чтобы сила пускового тока в якоре была не больше двойного номинального тока двигателя.
Например, если шунтовой двигатель рассчитан на номинальное напряжение НО в и ток /=5 а, то сопротивление реостата следует выбрать такое, чтобы пусковой ток не был больше чем
/я^=2/=2.5=10«.
418
Для этого сопротивление реостата следует выбрать
При расчете величины сопротивления пускового реостата
Регулиро So чный реостат
Рис. 427. Схема пуска двигателя
принимают, что все напряжение сети приходится на реостат.
Схема включения пускового реостата показана па рис. 427. Iini да якорь двигателя начинает вращаться, в нем индукти-pveicH противо-э. д. с., и ток якоря \ Meili.шается. Поэтому можно постепенно уменьшать и сопротивление пуско-Houi реостата. После достижения номп-нал i.iioii скорости вращения якоря сопротивление пускового реостата уменьшают до нуля (c’ibbht ползун // реоепггп в положение МН).
Регулирование скорости. ('.корос!ь вращения якоря шунтовою двигателя можно регулировать в широких пределах. Регулирование скорости осуще-। ।властен изменением напряжения пи-। а и пн якоря или изменением тока возбу-л, IC11ия.
II рн увеличении напряжения на якоре скорость вращения якоря также увеличивается, и, наоборот, для уменьшения скорости вращения напряжение на якоре следует снизить. Регулирование напряжения на якоре осуще-е । вляетс.я с помощью реостата в цепи якоря.
Ке.пн увеличить ток возбуждения, ю магнитный поток увеличится, а скорость вращения якоря уменьшится.
Ооьяспить это молено тем, что при большем потоке необходимая противо-э. д. с. якоря достигается при меньшей скорости. При уменьшении магиитвою потока скорость вращения якоря увеличивается.
Рели пал двигателя не сцеплен с нагрузкой, то нельзя । iiJii.no уменьшать ток возбуждения, так как скорость двигано! п может увеличиться настолько, что возникнет опасность для механической целости якоря. Говорят, что происходит разнос, двигателя. Во избежание разноса якоря двигателя нельзя разрывать цепь в в м о т к и возбуждения двигателя.
При номинальном возбуждении и пусковом реостате в и"лощении МЯ скорость вращения якоря шунтового двига-
27
419
толя мало изменяется с измененном нагрузки па валу (на 5— 10 процентов).
Коэфициент полезного действия электрических машин. В электрических машинах постоянного тока имеют место потери энергии. Различают потери в меди—па нагрев обмотки якоря и обмотки возбуждения; потери в стали — па перемагничивание и вихревые токи в сердечнике якоря; потери на трение в подшипниках, трение щеток о коллектор и трение якоря о воздух. Поэтому подводимая к электрической машине мощность всегда больше отдаваемой мощности.
К о э ф и ц н о п т о м п о л е з н о г о де йс т в и я генератора называется отношение полезной электрической мощности к затраченной механической мощности:
Р
п _ х полезн. эл
Чг р *
г затрач. мех
Затраченная мощность больше полезной на величину мощности потерь. Поэтому
р
__ _ * полезн. .> 1
Чг р' Тр •
* полезн. эл'1 потерь
Коэфиццентом полезного действия двигателя называют отношение полезной механической мощности на валу к затраченной электрической мощности:
„ Рполезн. мех зд р ’
• * затрач. эл
Затраченная электрическая мощность больше полезной на леличипу мощности потерь. Поэтому
_______полезн, иг г_______ ! полезн. л/<'л-+ Р потерь
У машин постоянного тока небольшой мощности коэфициент полезного действия равен 65—80%.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ XVII
1. Какие электрические машины называются генераторами?
2. Из каких основных частей состоит генератор постоянного тока?
3. Объясните принцип действия генератора.
4. Какое назначение имеет коллектор?
5. От каких величин зависит з. д. с. генератора?
6. Как устроена магнитная система (ярмо и полюсы)?
7. Как устроен якорь?
8. Как устроены коллектор и щеткодержатели.’
420
9. Как выполняются петлевые и волновые обмотки?
10. Нарисуйте схему генератора с независимым возбуждением.
11. Как зависит э. д. с. генератора от тока возбуждения? Объясните характеристику холостого хода.
12. Для чего служит регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения?
13. Какой генератор называется шунтовым? Нарисуйте его схему.
14. Объясните процесс самовозбуждения шунтового генератора.
15. Какие причины вызывают уменьшение напряжения на зажимах генератора при увеличении нагрузки?
16. Какой генератор называется компаундным? Нарисуйте его схему.
17. В чем проявляется действие сериесной обмотки возбуждения?
18. Сравните внешнюю характеристику шунтового и компаундного генераторов.
19. В чем заключается свойство обратимости электрических машин?
20. Нарисуйте схему шунтового двигателя и объясните его действие.
21. Как влияет противо-э. д. с. двигателя на ток якоря?
22. Как производится пуск шунтового двигателя? Объясните назначение пускового реостата.
23. Как влияет ток возбуждения на скорость двигателя?
24. Какие потери энергии имеются в электрических машинах?
Глава ХНН ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ВРАЩАЮЩИЕСЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 1. УСТРОЙСТВО ОДНОФАЗНОГО ГЕНЕРАТОРА
Общие сведения. 13 местностях, не снабжаемых электроэнергией, для питания киноустановок применяются передвижные электростанции, состоящие из двигателя внутреннего сгорания и однофазного генератора переменного тока. Действие генератора переменного тока основано на электромагнитной индукции. Однофазные генераторы переменного тока но коне Iрукипи магнитной системы (ярма н полюсов) и якоря мало отличаются от генери торов шм-iояниого тока. Основное отличие их заключается в юм, что конец п начало обмотки якоря генератора нере.меннего тока соединяются с двумя медными, изолированными друг от друга и от вала кольцами. К кольцам прижимаются неподвижные щетки, от которых ток посту наст во внешнюю цепь.
Устройство генератора. На рис. 428,а показано устройство однофазного генератора переменного тока. Магнитная система генератора имеет четыре полюса. Обмотка возбуждения питается от какого-либо источника постоянного тока.
Сердечник якоря собирается из отдельных тонких листов; в пазах якоря размещаются проводники обмотки якоря; обмотка якоря состоит из отдельных катушек, число которых равно числу полюсов. Каждая катушка имеет несколько витков, по па рисунке для простоты в каждом пазу показано по одному проводнику. Первая катушка образована проводниками в пазах 1 и 4, вторая — проводниками в назах 5 и 8, третья — проводниками в пазах 9 и 12 и четвертая — проводниками в пазах 13 и 16. Все катушки соединены последовательно друг с другом. На рис. 429 показан якорь и полная развернутая схема его обмотки, в каждой катушке которой по четыре витка. Концы обмотки присоединены к контактным кольцам А и В.
Действие генератора. Якорь генератора приводится во вращение с помощью какого-либо механического двигателя. Предположим, что вращение якоря происходит против стрелки часов. Э. д. с. в проводниках 1, 16, 8 и 9, находящихся против северного полюса, имеют направление из-за плоскости чертежа к нам, а в проводниках 4, 5, 12 и 13, находящихся против южного полюса.— от нас. В положении, показанном на 422
<>iic. 428,а, направление токов в проводниках такое, что ток проводит во внешнюю цепь от кольца Л и возвращается к кольцу Б. Н'огда якорь повернется па четверть оборота, проводники переместятся так, что 1, 16, 8 и .9 будут находиться против южного полюса, а проводники 4, 5, 12 и 13 — против северного полюса (рис. 428,6). Поэтому знак индуктированной
Рис. 428. Устройство однофазного генератора переменного тока
д. с. изменится на обратный. Новое направление тока показано стрелками. Теперь ток проходит к приемнику от кольца Б и возвращается к кольцу Л. Значит, в цепи приемника про-\одит переменный т о к. Если якорь повернется еще
пн четверть оборота, знак э. д. с. снова изменится. За один оборот пкоря ток четыре раза изменит направление, т. е. один о о и р о г якоря ч е т ы р е х п о л ю с н о г о генератора соответствует двум периодам переменного тока.
Частота тока. Чтобы частота переменного тока равнялась uni пдесяти периодам в секунду, якорь должен совершать двадцать пять оборотов в такое же время. Число оборотов и одну минуту будет в 60 раз больше, т. е. скорость враще
423
ния якоря четырехполюсного генератора должна быть п = = 25 • 60 = 1500 об/мин. Если бы генератор имел всего два полюса, то один оборот якоря соответствовал бы одному периоду переменного тока. Чтобы частота переменного тока двухполюсного генератора была равна 50 гц, он должен иметь в два раза большую скорость вращения, чем четырехполюсный, т. е. ЗОООоб/мин. Мы установили, что частота переменного тока зависит от числа
Рис. 430. Схема однофазного генератора
оборотов якоря генератора. Номинальная частота приемников энергии переменного тока (особенно асинхронных двигателей, применяемых в кинотеатрах) равна 50 гц. Если частота переменного тока меняется, то меняется и скорость вращения асинхронного двигателя, т. с. скорость кинопроекции. Этого допускать нельзя. При эксплуатации генераторов переменного тока нужно строго п,о д д е р-живать номинальную скорость вращения якоря.
Э. д. с. генератора. Величина э. д. с. генератора переменного тока (так же, как и э. д. с. генератора постоянного тока) зависит от числа витков обмотки якоря и магнитного поля. Величину э. д. с. регулируют изменением величины магнитного потока. Для этой цели в цепь обмотки возбуждения включается регулировочный реостат (рис. 430). При увеличении тока возбуждении возрастает магнитный ноток и э. д. с. генератора. Напряжение па зажимах приемника всегда меньше, чем э. д. с. генератора, так как на сопротивлении обмотки якоря имеется падение напряжения. По обмотке якоря генератора проходит переменный ток, поэтому нужно учитывать ее активное и индуктивное сопротивления. Благодаря сравнительно большому внутреннему сопротивлению напряжение на зажимах генератора заметно изменяется при увеличении или уменьшении тока нагрузки. Для поддержания неизменного напряжения на зажимах генератора применяются регулировочные реостаты в цепи возбуждения. При увеличении нагрузки необходимо увеличивать ток возбуждения (а значит, и э. д. с.) генератора до тех пор, пока вольтметр не покажет необходимое напряжение. При уменьшении нагрузки следует уменьшать ток возбуждения. При регулировании тока возбуждения надо следить за показаниями вольтметра.
424
Понятие о трехфп.пгых синхронных генераторах. Ни всех современных электрических станциях установлены трсхфазиые синхронные генераторы, которые выполняются на мощности до 100 000 кин и даже больше. Такие генераторы приводятся в движение от гидротурбин и н этом
° 6
Рис. 431. Гидрогенератор — а и турбогенератор — б:
1 — сердечник статора; 2 — обмотка статора; 3 — обмотка ротора; 4 — сердечник ротора; 5 — контактные кольца
случае называются гидрогенераторами или от паровых турбин и пазы на ю ге я т у р б о г с и е р а т о р а м и. Статор таких генераторов представляет собой кольцевой сердечник с пазами, в которых расположена трехфззшш обмотка. Вращающаяся
часть генератора роюр ел\ жнт для создания магнитного ноля. Для этого по обмотке ротора пропускают постоянный ток, получаемый от сне циального генератора постоянного токи, который называется возбудителем. Ротор i ндрогенерато ра обычно имеет небольшое число оборотов и выполняется с явно выраженными полюсами (рис. 431, а). Ротор турбогенератора нрнно-дится во вращение со скоростью до 3000 об/мин. и представляет собой стальной цилиндр с пазами, в которые укладывается обмотка возбуждения. Это ротор с неявно выраженными полюсами (рис. 431,6).
При вращении ротора генератора его магнитное ноле пересекает трехфазную обмотку статора и индуктирует в пей три э, д. е. одинаковой частот,,г, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 120°. Электрическая схема трехфазного синхронного генератора с возбудителем В, питающим обмотку ротора постоянным током, показана на рис. 432.
Рис. 432. Схематрсх-фазного сипхровного генератора:
С — статор; Р — ротор; 13 — возбудитель
§ 2. ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕДВИЖНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Для питания передвижной киноаппаратуры в местностях, не снабжающихся электроэнергией, применяются передвижные электростанции типа КЭС-2, КЭС-3, КЭО5 и передвижная электростанция облегченного типа ПЭС-750-1. Кроме того,
425
для питания стационарных двухцветных киноустановок, имеющих и качество источника света лампу накаливания, используются более мощные электростанции типа КЭО4.
В комплект электростанция входят: бензиновый двигатель внутреннего сгорания, однофазный генератор переменного тока с самовозбуждением, распределительный щит, регулировочный реостат, балластное сопротивление, соединительные провода и комплект инструментов и запасных частей.
В электростанциях КЭС-2, К'ЭС-З, КЭС-5 генератор приводятся во вращение одноцилиндровым бензиновым двигателем типа Л-3/2.
Генератор АПН-10. Генератор АПН-10, входящий в комплект электростанции КЭС-2, представляет собой четырехполюс.пую синхронную машину с самовозбуждением.
Технические данные генератора АПН-10
Напряжение........................115-4-120 в
Частота ............................ 50 гц при скорости
вращения якоря 1500 об/мин.
Ток................................. 7 а
Ковфициепт мощности (cos 7) .... 0,0
Номинальная moihhiicti............ 750 вт
Напряжение возбуждения............. 30 в
Ток возбуждения.................... 3,5ч-5,3 а
Сопротивление шунтового реостата . . 20 ом
Вес................................. 62 кг .
Постоянный ток, необходимый для питания обмотки возбуждения, дает сам генератор; поэтому якорь генератора имеет две самостоятельные обмотки: основную обмотку переменного тока, выводы которой присоединены к контактным кольцам, и обмотку постоянного тока, которая соединена с коллектором. Постоянный ток от щеток коллектора поступает в обмотки возбуждения через отдельно устанавливаемый регулировочный реостат. Переменный ток от контактных колец поступает к приемнику через распреде.|нте.11 iii.ni щиток.
Генератор ГНК-20. Генератор ГПК-20 входит в комплект электростанции КЭС-3 и по своему устройству и техническим данным мало отличается от генератора АПН-10, имея при той же мощности несколько меньшие размеры и вес. Шунтовой реостат укреплен на переднем подшипниковом щите генератора.
Технические данные генератора ГПК-20
Напряжение.................................. 115 в
Ток нагрузки.................................. 7 а
Номинальная мощность........................ 750 вт
Число оборотов в минуту....................1500
Скорость вращения якоря................*... 50 гц
Напряжение возбуждения.....................100ч-120 в
Ток возбуждения............................ 1,2ч-1,5а
Сопротивление шунтового реостата............ 60 ч-65 ом
Вес генератора.............................. 43 кг
426
Рис. 433. Схема генератора 9М-1:
7 —обмотка возбуждения полюсов; 2 — якорь; <3 — коллектор; / — шунтовой реостат; л — контактные кольца
Генератор ГПК-20 имеет ряд недостатков, и поэтому с 1951 г. было освоено производство генераторов 9М-1.
Генератор 9М-1. Основные отличия генератора 9М-1 от । оператора ГПК-20 следующие: полюсы расположены под углом 45° к вертикали, что предотвращает скопление влаги внутри генератора и ее воздействие на изоляцию обмоток воз-"уждепия; напряжение возбуждения понижено до 30 в, улучшена изоляция обмоток якоря возбуждения от корпуса и улучшена конструкция коллектора и шунтового реостата. Схема । оператора показана па рис. 433. Обмотки возбуждения полюсов / соединены в две параллельные ветви но две последовательно в каждой ветви и питаются постоянным током от коллектора 3 через шунтовой реостат 4. I (апряжение . переменного тока для питания нагрузки снимается с кон-1актных колец 5.
Конструкция генератора показана на рис. 434.
Статор представляет собой цилиндрический сердечник с укрепленными па нем четырьмя полюсами. Обмотка возбуждении каждого полюса имеет 530 витков медного провода ПЭЛ-2 00,9 0,93. Сопротивление одной обмотки около 6 о.и, нес — 14 л,‘.
Сердечник пкоря собирается пл штампованных пластин электротехнической стали толщиной 0,5 ,мж, имеющих 20 пазов для 5 кладки обмоток. В пазах якоря расположены обмотки пос го>1 иного и переменного тока. Обмо тка постоянного тока — ш'1 левого типа (рис. 435), состоит из 40 секций, но 4 витка в каждой секции. Шаг обмотки равен 5, провод ПБД или !!!>() 0 0,51. Выводы секций припаяны к коллекторным пла-। ншам, число которых равно 40.
((бмотка переменного тока укладывается поверх обмотки .... тока и состоит из восьми катушек, каждая из которых имеет 22 витка провода ПЭБО 0 1,56 (рис. 436). Выводы обмотки переменного тока соединены с контактными кольцами. Обмотки изолированы от сердечника и друг от друга ,1И1>откялыо и электрокартоном и пропитаны изоляционным чаш in.
Щеточное устройство генератора представляет собой чугун-п\in траверзу, на которой с помощью текстолитовых пальцев \ креплены щеткодержатели с восемью щетками типа Г3 раз-чгром 6,5x12,5x32. Перед установкой щетки должны быть \ сирочены на 3—4 мм. Удельное давление щеток на коллектор н ельца должно составлять 150—200 г/см2', правильное поло-.1.141110 щеток определяется совпадением красных отметок,
427
Рис. 434. Генератор 9М-1 в разрезе:
1 — вал; 2 — шпонка; •? — заглушка; 4 — прокладочное кольцо; 5 — вентилятор; 6 — крышка задняя; 7 — лапа; 8 — якорь: 9 — полюс; 10 — станина; 11 — щетка; 12— траверза; 13 — коллектор; 14 — контактные кольца; 15 — хомутин; 16 — пожух реостата; 17 — реостат 9К-5; 18 — обмотка возбуждения; 19 — полюсная заклепка; 20 — обмотка переменного тона: 21 — обмотна постоянного тока; 22 — клин для крепления обмотки; 23 — Солт крепления полюса; 24— колодка с выводными гнездами; 25 — фиксатор штепселя; 26 — передняя крышка
напененных на траверзе и передней крышке. Сцепление вала генератора с маховиком двигателя эластичное, с помощью колец из прорезиненной ткани.
Техн и ч е с к и о данные генератора 9М-1
Напряженно...........................115 в
Ток . . ............................. 7 а
Частота . i.......................... 50 гц при скоро-
сти вращения 1500 об/мин.
Номинальная мощность................ 750 вт
Напряжение возбуждения............... 30 в
Ток возбуждения..................... 3,6 а
Сопротивление шунтового реостата ... 5 ом
Вес.................................. 42 кг
Генератор 9М-1 входит в комплект передвижной электростанции КЭС-5. На рис. 437 приведена схема соединения передвижной электростанции КЭС-5 с комплектом ширркопленочной кинопередвижки КПС. От электростанции с контактных колец генератора 9М-1 напряжение переменного тока подводится к распределительному щитку 7К-8, снабженному вольтметром для контроля напряжения, а затем к автотрансформатору типа КАТ, к которому подключаются кинопроектор и усилительное устройство.
Пород пуском электростанции производится соединение распределительного щитка с генератором, а также проектора п усилители с автотрансформатором. Ио включается только провод между автотрансформатором и распределительным щитком. Затем электростанцию пускают и ход и, убедившись
Рис. 435. Обмотка постоянного тока
Рис. 436. Обмотка переменного тока
и стабильности ее работы (в течение 5—10 мин. на холостом ходу), подают напряжение на автотрансформатор. Генератор перед включением должен иметь напряжение холостого хода около 130 в, тогда при нагрузке оно снизится до 115 в.
Регулятор скорости вращения двигателя должен быть хорошо отрегулирован на 1500 об/мин., так как колебания скорости, вызывая изменения частоты, приводят к изменениям скорости кинопроекции и искажают звуковоспроизведение.
42»
Генератор 9М-3. Генератор 9М-3 входит в комплект новой передвижной электростанции облегченного типа ПЭС-750-1. Преимущество этой электростанции веред описанными выше
Рис. 437. Схема включения передвижной электростанции КЭС-5
Рис. 438. Электростанция ПЭС-750-1:
1 — генератор 9М-3; 2 — двигатель внутреннего сгорания; 3 — бак для горю-чего; 4— регулятор скорости; 5 — карбюратор; 6 — рукоятка для запуска
состоит в том, что она является легкой и удобной в транспортировке (вес ПЭС-750-1 равен 60 кг, т. е. в три раза меньше веса КЭС-5). Внешний вид электростанции ПЭС-750-1 показан на рис. 438.
Эта электростанция предназначена для питания однофазным переменным током широкопленочных и узкопленочных 430
передвижных киноустановок типа «К», «Украина» и других приемников электроэнергии, общая мощность которых не превышает 750 вт. На генераторе 9М-3 с помощью переходного фланца укреплен двухтактный двигатель внутреннего сгорания мотоциклетного типа, который приводит генератор во вращение посредством эластичной муфты.
Генератор 9М-3 по принципиальной схеме подобен генератору 9М-1, но имеет двухполюсный статор и скорость вращения 3000 об/мин.
Техническисданные генератора ЭМ-3
Напряжение............................... 115 в
Ток........................................ 7 а
Номинальная мощность..................... 750 вт
Скорость вращения....................... 3000 об/мин.
Частота................................... 50 гц
Напряжение возбуждения................. 38.в
Ток возбуждения............................. 3,3 а
Якорь имеет 20 пазов. Петлевая обмотка постоянного тока заложена на дне паза, состоит из 40 секций, намотанных вд провода ПЭБО 0 0,69. Число витков каждой секции 3.
Шаг по пазам 1—10, шаг по коллектору 1—2, число пластин коллектора 40, число щеток постоянного тока 2.
Обмотка переменного тока изготовлена из провода ПБД 0 1,56—1,68, состоит из 6 катушек: 2 катушки с шагом 4 имеют по 23 витка; 2 катушки с шагом 6 имеют но 23 витка и 2 катушки с шагом 8 имеют но 20 витков.
Число полюсов 2. Катушки возбуждения намотаны проводом ПЭЛ-2 0 0,93, имеют по 540 витков, соединены последовательно и присоединены к щеткам постоянного тока без регулировочного реостата.
Чтобы предохранить усилительное устройство от перенапряжений, электростанции придается балластное сопротивление i;c-i. ...
Балластное сопротивление. При перезарядке фильма проекционная лампа и электродвигатель передвижного проектора выключаются, причем резко снижается мощность, потребляемая передвижной киноустановкой. Если кинопередвижка питается от собственной бензиновой электростанции (или от Маломощной сети переменного тока), то при отключении лампы И электродвигателя происходит резкое повышение напряжения питании усилительного устройства, что может повести к его аварии (пробой конденсаторов, трансформаторов или других деталей).
Для предохранения усилительного устройства в комплекте передвижной киноаппаратуры предусмотрено балластное сопротивление БС-1, автоматически подключающееся как па-|рузка к электростанции в момент отключения проекционной
431
лампы. Сопротивление БС-1 потребляет мощность 400 вт при напряжении 110 в и конструктивно представляет собой металлическую коробку с вентиляционными отверстиями и ручкой. Внутри коробки находится сопротивление, изготовленное из голой константановой проволоки. При работе коробка должна быть установлена в горизонтальном положении, вдали от пленки и других горючих предметов.
Сопротивление БС-1 применяется взамен менее падежных в эксплуатации вольтокомпенсационных трансформаторов ВКТ-20.
Генератор АПН-28,5. Для литания двухпостных стационарных киноустановок с аппаратурой передвижного типа используются электростанции типа КЭС-4. В комплект электростанции КЭС-4 входит двигатель внутреннего сгорания Л-6/3, синхронный генератор однофазного переменного тока АПН-28,5, распределительный щит электростанции 7К-11 и распределительный щит киноаппаратной 7К-12.
Обладая номинальной мощностью 1620 вт, электростанция типа КЭС-4 с генератором АПН-28,5 может, кроме аппаратуры ^цвухпостиой киноустановки, питать одновременно лампы освещения фойе, вестибюля, кассы, входов, выходов и т. д.
Генератор АП 11-28,5 по схеме и принципу конструкции ничем но отличается от генератора АПН-10.
Технические данные генератора АПН-28,5
Напряжение............................... 120 в
Номинальная мощность ................... 1620 вт
Ток....................................... 15 а
Коэфициент мощности........................ 0,9
Частота................................... 50 гц
Скорость вращения....................... 1500 об/мин.
Напряжение возбуждения.................... 54 в
Ток возбуждения............................. 3,6 а
Сопротивление шунтового реостата.......... 27 ом
Лес,.................................... 75 кг
§ 3. ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРЫ
Общие сведения. Установка, предназначенная для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока или наоборот, называется двигател ь-г енератором. В кинотехнике двигатель-генераторы чаще всего применяются для питания дуговых ламп постоянным током. В этом случае двигатель-генератор состоит из двигателя переменного тока и генератора постоянного тока. Если двигатель и генератор рассчитаны на одинаковые числа оборотов, то их соединяют между собой с помощью муфты (рис. 439). Если номинальные числа оборотов двигателя и генератора различны, то их соединяют ременной передачей (рис. 440). Двигатель-генераторы
432
обычно устанавливают в специальном помещении на бетонном фундаменте в нижних или полуподвальных этажах. Помещение для двигатель-генераторов оборудуется распределительным щитом с рубильниками, предохранителями, пусковыми и регулировочными приспособлениями (реостатами) и измерительными приборами для контроля за режимом работы.
Схемы и эксплуатация двигатель-генераторов. Наиболее простой двигатель-генератор состоит из трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и из шунтового генератора постоянного тока (рис. 441). Асинхронный двигатель подключается к сети переменного тока через предохранители и трехфазный рубильник. В цепь обмотки возбуждения шунтового генератора включается регулировочный реостат. Для контроля напряжения постоянного тока параллельно зажимам генератора включается вольтметр, а для контроля тока нагрузки последовательно в цепь включается амперметр. Приемники (дуговые лампы) подключаются к генератору через предохранители и двухполюсные рубильники, установленные на проекторах.
Перед пуском нужно убедиться, что щетки установлены по заводской отметке, и проверить правильность всех соединений. Нагрузка в цепи генератора должна быть отключена, так как иначе затрудняется самовозбуждение генератора. При пуске включают асинхронный двигатель. Затем включают нагрузку и, если необходимо, с помощью реостата возбуждения устанавливают номинальное напряжение па нагрузке.
Во время работы двигатель генератора нужно наблюдать за показаниями приборов; за коллектором и щетками (искрения при правильной установке щеток и пригонке их к коллектору не должно быть); за шумом установки (если шум становится ненормальным — гудение, стуки, вибрации и сильное дрожание машин, то установку следует отключить).
Отключение установки производится следующим образом: отключаются приемники в цепи постоянного тока, двигатель отключается от сети переменного тока. После остановки сразу же следует с помощью термометра проверить температуру отдельных частой установки (подшипников, коллектора, обмоток якоря и возбуждения). Температура не должна быть выше !)() -100°. После этого двигатель-генератор нужно подготовить к следующему пуску — проверить смазку подшипников, нажим mi'ioK, протереть коллектор чистой мягкой тряпкой.
Недостатком двигатель-генератора с короткозамкнутым асинхронным двигателем является большой пусковой ток дви-иггеля. Для уменьшения пускового тока короткозамкнутого двигателя последовательно в цепь статора включают пусковой реостат (рис. 442). При включении реостат имеет наибольшее сопротивление. В процессе пуска сопротивление постепенно выводится.
VII
433
Электротехника
ременной пер едачеи
Ч-аглЯг’
Иногда в двигатоль-генераторных установках применяют асинхронные двигатели с фазным ротором. Пусковой ток такого двигателя уменьшают включением пускового реостата последовательно с ротором, имеющим контактные кольца (рис. 443). Пусковой реостат полностью вводится в момент пуска, а затем его сопротивление уменьшают до нуля и контактные
кольца соединяют между собой с помощью специального приспособления.
Большим достоинством двигатель-генераторов является то, что напряжение постоянного тока практически не зависит от напряжения сети. Поэтому работа дуговых ламп, питаемых от двпгатель-генератора, не зависит от колебаний напряжения сети.
Когда необходимо, чтобы напряжение постоянного тока по яаписело также от количества подключенных приемников, вместо шунтового применяют компаундный генератор (рис. 443). Напряжение на защимах компаундного генератора почти не hi висит от нагрузки. Поэтому при питании дуговых ламп и компаундного генератора включение и выключение одной IVгн не изменяет режима работы другой дуги, и яркость экрана при переходе с одного проектора на другой не меняется.
28'
435
Потери и коэфициент полезного действия. В двигатель-гспорпторо происходит двойное преобразование энергии: спа-нала двигатель прообразует электрическую энергию переменного тока в механическую, а затем генератор, получивший механическую энергию, преобразует ее в электрическую энергию постоянного тока. Как в двигателе, так и в генераторе
Рис. 443. Двигатель-генератор с двигателем, имеющим фазный ротор, и генератором, имеющим компаундное возбуждение
происходят потери энергии на трение, на нагрев обмоток и потери в стали на перемагничивание и вихревые токи. Если принять энергию, получаемую двигателем от сети переменного тока, за 100%, то он передаст генератору только около 80% ее в виде механической энергии. В свою очередь в. генераторе потеряется еще около 20% полученной механической энергии. Поэтому энергия постоянного тока, передаваемая приемнику, будет составлять всего около 65% от затраченной электроэнергии переменного тока. Коэфициент полезного действия
436
ncoii установки вычисляется как произведение коэфициентов полезного действия двигателя и генератора:
Пример. Найти к. п. д. двигатель-гонератора, если к. и. д. двигателя 7^=0,85, а генератора т|г=0,75.
Решение.
Ъст = ^ = 0'85-°-75 = 0’637’ Т- е’ 63’7%'
Общий к. и. д. установки всегда ниже, чем к. и. д. двигателя или генератора, взятых отдельно.
Выбор мощности генератора и двигателя. Если двигатель-генератор предназначается для питания дуги постоянным током, то генератор должен иметь номинальное напряжение 100—110 в и номинальную мощность 5—7 кет. Номинальные скорости вращения двигателя и генератора должны быть одинаковы. Мощность двигателя следует выбирать по мощности генератора Рг и по его коэфициеиту полезного действия г1г. Мощность двигателя вычисляется по формуле
§ 4. ОДНОЯКОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Общие сведения. Одноякорпыо преобразователи также относятся к числу в р а щ а ю щ и х с я преобразователей энергии переменного тока и энергию постоянного
Рис 444. Схема одиоякорного преобразователя
|окп или наоборот. От двигатель-генератора одноякорный преобразователь отличается тем, что в нем двигатель и генератор объединяются в одно конструктивное целое.
В кинотехнике одноякорные преобразователи применяются дли преобразования постоянного тока в пере-м I' п и ы й и используются для питания передвижных кинопроекторов в местностях, где нет переменного тона, ЖО имрмгп ацентрическая энергия постоянного тока.
437
По устропстпу одноякорный преобразователь лостояиного тока и однофазный переменный ток подобен генераторам передвижных электростанций: якорь преобразователя имеет две самостоятельные обмотки - обмотку переменного тока, соединенную с контактными кольцами, и обмотку постоянного тока, соединенную с коллектором (рис. 444). Обмотки возбуждения и обмотка постоянного тока якоря через коллектор включаются параллельно сети постоянного тока, и по отношению к пей одноякорный преобразователь работает в качестве шунтового двигателя. Во время вращения якоря в обмотке
переменного тока индуктируется э. д. с., которая через контактные кольца подводится к приемникам переменного тока. Таким обра
Рис. 446. Преобразователь постоянного тока в трехфазпый переменный
Рпс. 445. Одпоякорпый преобразователь с общей обмоткой якоря
зом, по отношению к приемникам одноякорный преобразователь работает в качестве генератора переменного тока.
Иногда якорь имеет всего одну обмотку, которая одновременно соединяется с коллектором (т. е. служит обмоткой двигателя постоянного тока) и с контактными кольцами, являясь в этом случае обмоткой генератора переменного тока (рис. 445).
Применяются также и одноякорные преобразователи постоянного тока в трехфазный переменный ток. В этом случае обмотка переменного тока разбивается на три части, соединенные с тремя контактными кольцами (рис. 446). Э.д.с. переменного тока в отдельных частях обмотки сдвинуты по фазе на одну треть периода, так как обмотки проходят под
438
полюсами со сдвигом на одну треть оборота. Обмотка переменного тока (рис. 446) соединена треугольником. Такую схему имеет преобразователь постоянного тока в трехфазный переменный типа ИФ-1,8. Его основные данные: расход мощности постоянного тока 2,4 кет, напряжение 120 в, отдаваемая мощность переменного тока 1,8 кет при напряжении 220 в,-число оборотов в минуту 1500, вое 130 кг.
Преобразователь ПО-550М. Одноякорный преобразователь ПО-550М имеет компаундное возбуждение. Магнитная цепь двухполюсная; якорь имеет обмотки переменного и постоянного тока, которые соединены последовательно. От обмотки постоянного тока выводы присоединены к коллектору, а от обмотки переменного тока — к контактным кольцам. Схема соединения преобразователя показана на рис. 447. Постоян-
Рис. 447. Схема одноякорпого преобразователя ПО-550М:
I — якорь; 2 — коллектор; 3 — шунтован обмотка возбужден ил;
4—сериесная обмотка возбуждении; 0 — колыи и щетки переменного тока
пый ток подводится к зажимам «-f-я» и «—я» (якорь); с «4-я» гок поступает на положительную щетку коллектора, проходит во обмотке якоря к отрицательной щетке, затем проходит через сериесные обмотки возбуждения, которые соединены между собой параллельно, и возвращается к зажиму «—я». 'Гок в шунтовую обмотку возбуждения проходит от положительного зажима сети через реостат и возвращается к зажиму «—я». ПО-550М рассчитан на продолжительный режим работы.
Технические данные ПО-550М
Напряжение постоянного тока на входе.......... 100 е
Сила тока..................................... 10,2 а
Потребляемая йощность........................ 1020 вт
Напряжение переменного тока па выходе .... до 125 в
Частота........................................ СО atf
Мощность....................................... 550 вт
439
Вал вращается в двух шариковых цодишишпшх, щетки к коллектору графитные 'типа Г-(>(4 штуки) размерами <S х.S мм', давление щетки на коллектор должно быть 1(>(Ll15 щ щетки к контактным кольцам угольно-графитные тина Т-(> (4 штуки) размером 6,5 Хб,5 мм; давление щетки на контактные кольца до 200 г.
Уход за преобразователем ПО-550М заключается главным образом в наблюдении за коллектором, который не должен искрить во время работы. Причинами искрения могут быть: малое давление, нс соответствующее заводской регулировке, заедание щеток, перекручивание канатика, подводящего ток к щеткам, укорочение щеток за счет износа до длины меньше 14 мм. Каждый раз после остановки преобразователя необходимо выдувать графитную пыль и протирать коллекторные пластины чистой тряпкой, слегка смоченной в бензине.
Подшипники преобразователя раз в год следует промывать бензином и заново смазывать. Пуск преобразователя производится включением рубильника сети постоянного тока при отключенной нагрузке на стороне переменного тока. Для контроля напряжения и частоты переменного тока па выходе следует включать вольтметр переменного тока па 140 в и частотомер на 45—55 гц. Регулирование частоты производится реостатом в цепи обмотки возбуждения.
§ 5. УХОД ЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МАШИНАМИ И ИХ НЕИСПРАВНОСТИ
Общие правила. Надежная работа электрических машин возможна только при внимательном уходе за ними. Каждый раз перед пуском необходимо убедиться в том, что установка находится в исправном состоянии. Для этого нужно проверить:
1) состояние контактных поверхностей коллектора и колец (щетки должны иметь нормальный нажим и правильную поверхность соприкосновения с коллектором или кольцами, которые должны быть гладкими и чистыми);
2) состояние подшипников (чистоту, наличие смазки, легкость вращения и отсутствие люфта);
3) исправность пусковых и регулировочных реостатов (перед пуском их следует полностью ввести);
4) правильность электрических соединений с приемником или сетью; все зажимы должны быть плотно поджаты;
5) генератор, одноякорный преобразователь, двигатель-генератор должны использоваться по назначению и иметь рабочее напряжение, мощность и частоту, соответствующие данным приемника и сети; эти данные указываются в паспорте машины, укреплённом на ее корпусе в виде таблички.
Во время, работы машины нужно следить за показаниями
440
Колобка
Стеклянная бумага N-QO
измерительных приборов, споростью вращения, искрением щеток и нагревом корпуса машины и подшипников. Нагрев вращающихся частей (якоря и коллектора) следует проверять сразу же после остановки.
Допустимая температура нагрева всех деталей не более 90—100°С. Контроль нагрева следует производить термометром.
Электрические машины должны быть по возможности защищены от попадания на них влаги, пыли, грязи, кислот и щелочей.
Особое внимание должно быть уделено уходу за коллектором и контактными кольцами, щетками и подшипниками.
Уход за коллектором. Коллектор имеет строго цилиндрическую форму. Его поверхность шлифуется и не должна иметь
царапин и обгорелых мест. Рис- Шлифовка коллектора Слюдяные прокладки не должны выступать над поверхностью. Нагар, образующийся на поверхности коллектора, удаляется после остановкимашинычистой тряпкой, смоченной в бензине. Сильный нагар и царапины удаляются шлифовкой коллектора мелкой стеклянной бумагой, укрепленной на специальной деревянной колодке, кото-
Рис. 449. «Продоро-живание» коллектора
Рис. 450. Шлифовка щеток
рую поворачивают то в одну, то в другую сторону (рис. 448). По допускается применение наждачной бумаги. Если слюдяные прокладки выступают, то производится «продороживание» коллектора. Для этого специально заточенным ножовочным полотном слюду пропиливают на глубину около 0,5 мм (рис.449). Коллектор не требует смазки, но когда применяются очень твердые щетки, его можно слегка смазать чистым вазелином. Контактные кольца очищают от нагара и шлифуют тик же, как коллектор.
Уход за щетками. Правильно подобранные и установленные шетки работают бесшумно и под ними не возникает искрения ^применять следует щетки, которые рекомендуются в заводской’
444
инструкции). Щетки соприкасаются с коллектором всей рабочей поверхностью, которая шлифуется до блеска. Щетка должна свободно, но без качания из стороны в сторону перемещаться вдоль обоймы щеткодержателя. После остановки машины рабочую поверхность щеток следует осмотреть и, если нужно, протереть тряпкой, смоченной в бензине. Нажим щеток следует установить согласно рекомендации завода. Траверза щеткодержателя должна быть установлена по заводской отметке. Изношенные щетки должны заменяться новыми той же марки. Устанавливая новые щетки, необходимо тщательно пришлифовать их к коллектору с помощью мелкой стеклянной бумаги, огибающей коллектор (рис. 450). В конце шлифовки бумагу нужно передвигать в направлении нормального вращения машины, затем следует удалить с коллектора пыль и включить машину на работу вхолостую на полчаса-час, чтобы щетки «приработались».
Уход за подшипннками. Шариковые подшипники требуют промывки керосином примерно раз в год. После промывки их нужно протереть чистой сухой тряпкой и затем заполнить тавотом или солидолом. Смазку добавляют раз и два-три месяца, а через год заменяют полностью. Если машину часто перевозят по пыльным дорогам, промывка подшипников производится чаще.
Хранение. Электрические машины следует хранить в сухих отапливаемых помещениях, так как влага и резкие колебания температуры разрушают изоляцию. Для защиты неокрашенных частей машин от ржавчины перед хранением их следует смазывать тавотом; последний перед пуском в работу удаляется чистой тряпкой. На время хранения щетки нужно отвести от коллектора или вынуть.
Основные неисправности машин. Неисправности машин могут быть разнообразными по механическим или электрическим причинам. Рассмотрим часть из них.
Признаки неисправности Причины неисправности Меры устранения
I Перегрев подшипников 1- Загрязнение, плохая смазка 1. Промыть и заполнить свежей смазкой
II Машина дрожит, появляется стук 1. Несоответствующий фундамент 2. Слабое крепление к фундаменту 3. Разработаны подшипники 4. Плохая балансировка якоря 1. Усилить фундамент 2. Закрепить, болты 3. Проверить состояние подшипников, заменить вкладыши 4. Сдать в ремонт
442
П |1 О Д О Л Ж <' И И о
Признаки неисправности Причины неисправности Меры устранения
III 1 I । i 1 Нскрообразо-вание на коллекторе 1. Неправильно установлена траверза 2. Плохо пришлифованы щетки 3. Слабо прижаты щетки или неравномерный нажим 4. Щетки сильно изношены 5. Загрязнена поверхность коллектора 6. Шероховатая поверхность коллектора 1. Поставить по заводской отметке, следя за уменьшением искрения 2. Пришлифовать 3. Отрегулировать нажим щеток на коллектор 4. Заменить 5. Очистить нагар 6. Отшлифовать
7. Коллектор пе имеет’ цилиндрической формы, щетки «прыгают» 8. Выступают слюдяные прокладки 9. Повышенное число оборотов 10. Перегрузка 11. Поп) iiiiiuii.iioo поправление вращении 7. Сдать в ремонт для проточки коллектора 8. «Продорожить» 9. Уменьшить 10. Уменьшить нагрузку 11. Изменить направление притопни
IV Нагревание коллектора 1. Чрезмерно мягкие щетки 2. Загрязнение коллектора 3. Искрообразование на коллекторе 1. Проверни. марку щеток, ин мен ни, новыми 2. Прочистить 3. См. § 2 гл. XVII
V Нагрев якоря 1. Перегрузка машины 2. Замыкание между пластинами коллектора 3, Короткое замыкание в обмотке якоря 1. Уменьшить нагрузку 2. Проверить и, если есть замыкание, сдать в ремонт 3. Сдать в ремонт
VI Нагрев полюсов (обмоток возбуждения) 1. Неправильное соединение катушек (параллельное вместо после дова тельного) 2. Отсутствие регулировочного реостата в цепи возбуждения 3, Короткое замыкание в витках катушки возбуждения 1. Проверить соединение катушек и, если нужно, пересоединить ’ 2. Установить нормальное сопротивление реостата 3. Сдать в ремонт
443
П р О Д I) л Ж О II II О
- - “ — - - — - - _ — — - —
Призицки пейс-привнести 1 1 Р11Ч И111.1 неисправности Меры устранении
VII Генератор не дает напряжения, не возбуждается 1. Обрыв обмотки якоря пли обмотки возбуждения 2. Неправильное соединение катугиек возбуждения навстречу друг другу (магнитный поток равен пулю) 3. Потеря остаточного магнетизма 4. Короткое замыкание во внешней цепи якоря 1. Проверить исправность обмотки контрольной лампой, сдать и ремонт 2. Проверить соединение катушек 3. Намагнитить полюсы от постороннего источника постоянного тока 4. Устранить
VIII IX Пониженное напряжение Одпоякор-иый преобразователь имеет ненормальное число оборотов 1. Мал топ возбуждения или мало число оборотов 1. Неправильно отрегулирован ток возбуждения 2. Ненормальное напряжение сети 3. Чрезмерная нагрузка, число оборотов мало 1. Увеличить 1. Отрегулировать при помощи реостата 2. Если напряжение повышенное, ввести пусковой реостат 3. Уменьшить нагрузку
КОНТРОЛЬНЫЕ IfOHPOOM К ГЛАНЕ xvrri
1. Как устроен однофазный генератор переменного тока?
2. От чего зависит частота тока?
,3 . Какое число оборотов должны иметь двухполюсный и четырех-полюсный генераторы, чтобы частота была равна 50 гц?
4. Как поддерживать номинальное напряжение генератора при изменении тока нагрузки?
5. Для каких целей в кинотехнике применяют однофазные генераторы переменного тока?
6. Какие вам известны типы передвижных электростанций и применяющихся в них генераторов?
7. Как устроен генератор 9М-1?
8. Для чего применяется балластное сопротивление БС-1?
9. Какие устройства называют двигатель-генераторами? Каково их назначение в кинотехнике?
10. Как производится пуск и остановка двигатель-генераторов?
И. Как контролируется режим работы двигатель-генераторов?
444
12. Чем отличается одноякорный преобразопатоль от дппгатсль-генератора?
13. Для чего применяют одноякорные преобразователи в кинотехнике?
14. Какое устройство имеет преобразователь ПО-550М?
15. Что представляет собой одпоякорный преобразователь по отношению к сети постоянного тока и но отношению к нагрузке?
16. Какими регулировочными приспособлениями и измерительными приборами должны быть снабжены установки с одноякорными преобразователями и двигатель-генераторами?
17. В чем заключаются правила осмотра машин перед пуском?
18. Какие существуют правила ухода за коллектором и щетками электрических машин?
19. Какие причины вызывают искрение щеток?
20. Какие причины вызывают перегрев обмоток якоря и обмоток возбуждения?
Глава XIX ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
§ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Приборы, проводящие ток только в одном направлении, называются элсктричоскпми вентилями.
Устройства, служащие для преобразования переменного тока в постоянный при помощи вентилей, называются в ы и р fl-ми т с л я м и.
В технике применяются различные виды вентилей — вакуумные электронные лампы (кенотроны), ионные приборы (газотроны и ртутные выпрямители), полупроводниковые вентили (меднозакисные и селеновые).
Кенотрон. Наиболее простым вентилем является кенотрон, представляющий собой запаянную стеклянную колбу, внутри которой находятся металлическая нить и отдельно — металлическая пли графитовая пластинка (рис. 451). Из стеклянной колбы выкачивается воздух. Металлическая нить накаляется электрическим током. При высокой температуре скорость теплового движения свободных электронов, имеющихся в проводнике, становится настолько большой, что они могут отрываться от нити и вылетать в окружающее пространство. Но вновь вылетевшие электроны отталкиваются к нити ранее вылетевшими электронами. Вокруг нити образуется как бы облачко электронов, часть из которых возвращается к нити. Нем выше температура нити, тем больше электронов содержится в пространстве вокруг нее. Явление испускания электронов накаленной нитью называется термоэлектронной эмиссией. Источник электронов — нить — называется катодом. Если, кроме цепи накала, составить еще одну цепь с источником постоянного тока, присоединенным отрицательным зажимом к катоду, а положительным зажимом через миллиамперметр к пластинке, называемой анодом (рис. 452,а), то миллиамперметр отклонится, показывая, что в цепи анода проходит ток. Наличие тока в цепи анода объясняется тем, что испускаемые катодом электроны притягиваются анодом, имеющим положительный потенциал относительно катод а. Если переменить зажимы источника тока в пени анода, присоединив катод к положительному зажиму источ-446
ника, а анод — к отрицательному, то стрелка амперметра не отклонится, показывая, что тока в цепи нет (рис. 452, б). Это объясняется тем, что анод имеет отрицательный
потенциал и не может притягивать к
себе электроны. Таким образом, кенотрон обладает свойством проводить ток лишь
одном на
Рис. 451. Кенотрон
правлении — от анода к катоду. (Напомним, что направление тока противоположно направлению движения электронов.)
Рис. 452. Ток через кенотрон проходит только от анода к катоду
Однополупериодный выпрямитель. С помощью кенотрона можно осуществить выпрямление переменного тока.
Простейший выпрямитель состоит из трансформатора и кенотрона (рис. 453). Первичная обмотка трансформатора подключается к сети переменного тока. Вторичных обмоток у трансформатора две: одна обмотка (wH) служит для питания нити накала кенотрона (обычно для нити накала требуется напряжение 4 или 5 в); другая обмотка (wa) необходима, чтобы создать на выходе выпрямителя напряжение требуемой величины и электрически разделить сеть и цепь выпрямленного тока.
Рассмотрим действие схемы. Между точками а и б обмотки, трансформатора (wa) приложено синусоидальное напряжение И аб. В первую половину периода точка а имеет положительный потенциал по отношению к точке б, поэтому ток может проходить от анода к катоду и через приемник в направлении, казанном стрелкой. Во вторую половину периода переменное
447
отрицатсльпым. 1ок в приомпике
Рис. 453. Однополупериодный выпрямитель
емнике будет проходить при обоих
напряженно V „г, трансформатора изменит знак, и точка а будет иметь отрицательный потенциал по отношению is точке 6. Ток в цепи должен был бы также изменить свое направлению, однако кенотрон пе пропускает тока от катода к аноду. Цепь для отрицательного полупериода оказывается разомкну той, и поэтому ток и напряжение на приемнике будут равиъ: пулю. После отрицательного полупериода снова наступает положительный, л кенотрон шюпь пропускает ток. Таким образом, в цепи приемника ток проходит только в одном направлении. Точка К (катод) является положительным зажимом источника выпрямленного тока, а точка б (обмотки трансформатора) — проходит только одну половину периода, п поэтому такой выпрямитель называется о д н о п о л у периодным в ы п р я-м и т е л е м. Выпрямленный ток не меняет направления, но меняет величину и называется пуль с и-р у ю m им током (график рис. 453).
Двухпблупериодное выпрямление (двухфазная схема предложена русским ученым академиком В. Ф. Мпткевичом). Можно устроить выпрямитель, с помощью которого ТОК В цри-полупериодах переменного
тока. Такой выпрямитель называется двухполупериод-н ы м. Двухполупериодный выпрямитель (рис. 454,а) представляет собой два однополуперподных выпрямителя, работающих па общею сопротивление приемника. Каждый из выпрямителей работает точно так же, как мы рассмотрели выше, но один из них выпрямляет ток за одну половину периода, а другой — за вторую половину периода. Повышающая обмотка трансформатора имеет вывод от средней точки (точка О). Катоды обоих кенотронов соединены между собой (точка К). Действие выпрямителя происходит следующим образом: предположим, что точка а обмотки трансформатора имеет положительный потенциал, а точка б — отрицательный. Средняя точка О по отношению к точке а будет иметь отрицательный потенциал, а по отношению к точке б — положительный. Поэтому в первую половину периода проводить ток сможет лишь кенотрон 1, анод которого имеет положительный потенциал. Ток, показанный сплошными стрелками, пройдет через кенотрон 1 и сопротивление приемника и возвратится к точке О обмотки трансфор-
448
матора. Через кенотрон 2 ток не пройдет, так как анод этого кенотрона имеет отрицательный потенциал. Во вторую половину периода знак напряжения обмотки трансформатора изменится: потенциал точки б будет положительным по отношению к точке 0, а потенциал а — отрицательным. Теперь ток будет проводить кенотрон 2, причем через приемник этот ток, показан-
ff
Рис. 454. Двухполупериодное выпрямление
пый пунктирными стрелками, пойдет в том же направлении, что и раньше, а кенотрон 1 проводить ток не сможет, так как ого анод будет иметь отрицательный потенциал. График тока, протекающего через приемник, показан на рис. 454,а.
Вместо двух кенотронов для двухполупериодного выпрямления обычно применяют один кенотрон с двумя анодами и общим катодом (рис. 454,6). Это можно сделать, так как катоды кенотронов на рис. 454,а соединены между собой. В двуханод-пом кенотроне поочередно работают аноды 1 и 2.
Понятие о фильтре. Пульсирующий ток, получаемый после выпрямления, можно рассматривать как результат сложения двух токов — постоянного и переменного. Например, если в цепи последовательно включить источник постоянного и
50
Электротехника
449
источник переменного тока, то ток в нагрузке будет пульсировать (рис. 655) так же, как после выпрямления.
Пульсирующее напряжение на приемнике «„ в любой момент равно сумме постоянной составляющей напряжения /70 и переменной составляющей (рис. 456). Точно так же пульсирующий ток через приемник /„ имеет постоянную /0 и переменную составляющие. Польшей частью в приемнике постоянного тока может быть использована только постоянная составляющая выпрямленного тока. Переменная составляющая (т. е. п у л ь с а п и п) при этом ухудшает работу приемника. Например, в усилительных устройствах, питаемых выпрямленным током,, переменная составляющая создает «фоно переменного тока, который прослушивается при воспроизведении звука, как гудение.
Для того чтобы в приемник не проходила переменная составляющая выпрямленного тока, применяются электрические фильтры.
Выпрямитель с индуктивным фильтром. Простейшим фильтром является катушка самоиндукции с железным сердечником — д р о с. с. е л ь, включенная последовательно с приемником (рис. 457).
Как мы знаем, для постоянной составляющей .тока дроссель обладает малым сопротивлением, поэтому на нем будет теряться лишь небольшая доля постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Переменная составляющая тока будет вызывать изменения магнитного потока в сердечнике дросселя. Но при изменениях магнитного потока в обмотке дросселя будет индуктироваться э. д. с. самоиндукции, которая по правилу Ленца препятствует причине, ее вызвавшей. Если ток через дроссель увеличивается, то возникнет э. д. с. самоиндукции е l отрицательного знака и, вычитаясь из напряжения выпрямителя, будет препятствовать увеличению тока. Когда ток начнет уменьши тын, возникнет э. д. с. положительного знака. Эта э. д. с., добавляясь к напряжению выпрямителя, будет препятствовать уменьшению тока до нуля. В результате пульсации выпрямленного тока станут меньше. Поэтому для переменных составляющих дроссель обладает большим сопротивлением и сглаживает пульсации.
Улучшить сглаживание можно, включив после дросселя конденсатор параллельно зажимам приемника (рис. 458). Напряжение на обкладках конденсатора будет равно напряжению приемника. Постоянная составляющая тока через конденсатор проходить не может и будет проходить только через приемник. Переменная составляющая тока должна вызывать изменение напряжения на обкладках конденсатора.
В момент увеличения пульсирующего тока к обкладкам конденсатора притекает дополнительное количество электричества (рис. 459,а).
450
Рис. 455, Пульсирующий ток
MhLt
Рис. 456. Постоянная н переменная cocthh.'ihio-щие выпрямл euHoi’o тока
IMIW
I ut
"'ИММ!М\
Рис. 457. Включение сглаживающего дросселя
Рис. 458. Фильтр с дросселем и конденсатором
29!
45J
Одпако конденсатор большой емкости может дополнительно принять довольно большое количество электричества без заметного изменения напряжения на обкладках. Поэтому п па приемнике напряжение изменится мало. В момент уменьшения пульсирующего тока конденсатор будет разряжаться и сможет отдать довольно большое количество электричества, как бы добавить ток в приемник, без заметного снижения напряжения на обкладках (рис. 459,6). Таким образом, конденсатор
Рис. 459. Действие конденсатора фильтра
препятствует изменениям напряжения па приемнике, вызванным переменной составляющей тока. Чем больше индуктивность дросселя и емкость конденсатора, тем лучше действие фильтра, т. е. сглаживание пульсаций.
Рис. 460. Пынрямнтсль с емкостным фильтром
Выпрямитель с емкостным фильтром. Для сглаживания пульсаций очень часто применяется фильтр, начинающийся с емкости (рис. 460). Действие входной емкости фильтра Со поясняется графиком выпрямленного напряжения на конденсаторе Со. От момента времени tx до ?2 происходит заряд конденсатора через кенотрон под действием напряжения их, которое больше, чем напряжение на конденсаторе. В это время через первый авод кенотрона проходит ток iai, часть которого заряжает конденсатор Со, а другая часть проходит через дроссель в нагрузку и в конденсатор С,. В момент времени Za ток через кенотрон и заряд конденсатора прекращается, так как напряжение иг становится меньше, чем напряжение нсо на конденсаторе.
452
В течение промежутка времени Z2—t3 конденсатор Со разряжается через дроссель Lr на нагрузку, и напряжение на нем постепенно уменьшается (разрядный ток конденсатора не может проходить через кенотрон, так как кенотрон не проводит ток в направлении от катода к аноду). При достаточно большой емкости конденсатор Со не успевает полностью разрядиться к моменту времени /3, когда напряжение н2 становится положительным и большим, чем напряжение на конденсаторе.
С момента времени t3 до z4 конденсатор снова заряжается под действием напряжения и2 и через второй анод кенотрона проходит ток ZOa, состоящий из зарядного тока конденсатора и тока нагрузки. Затем снова повторяется процесс разряда конденсатора и т. д.
Таким образом, на конденсаторе Со получается пульсирующее напряжение с небольшой переменной составляющей. Чем больше емкость Со, тем медленнее происходит заряд и разряд конденсатора и поэтому оказывается меньшей величина пульсаций.
Включенное после конденсатора Со звено фильтра, состоящее из индуктивности и емкости дополнительно сглаживает пульсации, и переменная составляющая напряжения на нагрузке составляет не более 2-=-5%.
Особенностью схемы с емкостным фильтром является то, что через каждый из анодов кенотрона проходит ток в течение промежутка времени, значительно меньшого половины периода (это явление называется отсечкой тока).
Выпрямители с одним кенотроном позволяют получить выпрямленный ток всего лишь 0,1—0,2 а.
в 2. РТУТНАЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНАЯ КОЛПА
Чтобы получить выпрямленный ток силой в десятки и сотни ампер, используют ртутные выпрямители. Рассмотрим стеклянные ртутные выпрямители, которые применяются в кинопроекционной технике.
Устройство ртутной колбы. Ртутный выпрямитель представляет собой запаянную стеклянную колбу, внутри которой воздух заменен парами ртути (рис. 461). К основному баллону приварены стеклянные отростки («рога»), внутрь которых введены электроды — графитовые аноды цилиндрической формы. Выводы от анодов наружу делаются-с помощью металлических (молибденовых) стержней, впаянных в стекло. Ртуть, заполняющая дно колбы, является катодом. Выводом от катода также является молибденовый стержень, погруженный в ртуть и проходящий сквозь дно колбы. Сбоку баллона, около катода, приварен небольшой пусковой от р о-< то к, заполненный ртутью. От него также сделан вывод через стекло наружу.
4Ы
м и, а находя щ неся в м а дежурными анода м и, и л и и с и м о г о возбуждения.
Рис. 461. Однофазный ртутный выпрямитель
А и о д ы, и а ходя щ и с с я я б о л ъ ш и х о т р о-с т к а х, я а а ы в а ю т с я г л а в н ы м и, и л и р а б о ч и-ы х я т р о с т к ах — i анодами нс а а-Маломощные ртутные колбы иногда делают без отдельных анодов возбуждения. Два главных анода и катод включены в схему двухполу-периодного выпрямления, показанную жирными линиями. Приемник последовательно со сглаживающим дросселем включен между катодом и средней точкой вторичной обмотки главного трансформатора. Два анода возбуждения и катод включены во вторую, вспомогательную схему двухполупе-риодного выпрямителя, показанную тонкими линиями. К анодам возбуждения напряжение от вторичной обмотки вспомогательного трансформатора подведено через дроссели. Один из анодов возбуждения через токоограничиваю-1псе сопротивление и кнопку 1{ может быть соединен с пусковым отростком.
Пуск выпрямителя. Для пуска ртутного выпрямителя нужно:
1) подключить к сети главный трансформатор и трансформатор вспомогательной цепи (рубильники Рг и Рг). При этом на аподы возбуждения подается напряжение;
2) нажать пусковую кнопку К и осторожно покачивать колбу из стороны в сторону, чтобы ртуть переливалась из, катода в пусковой отросток и обратно. При соединении ртути цепь замыкается, а при разъединении — разрывается. В момент разрыва между катодом и пусковым отростком проска
454
Ф -Положительно заряженные ионы
Рис. 462. Процессы у катода
кивает искра, между вспомогательными анодами и ртутью зажигается дуга, и на поверхности катода появляется яркое светящееся пятно. Это говорит о том, что колба «зажглась»;
3) после зажигания покачивание колбы прекратить и отпустить кнопку Е‘;
4) включить приемник рубильником Р3. В цепи приемника появится ток в направлении от катода ртутной колбы к средней точке главного трансформатора. Когда зажигаются дуги между анодами и катодом, ртутные пары в колбе начинают светиться голубовато-фиолетовым светом.
Физические процессы в ртутном выпрямителе. В ртутном выпрямителе источником электронов является светящееся пятно на поверхности ртути. Вылетевшие из пятна электроны притягиваются к тому из анодов, который в данный момент имеет наибольший положительный потенциал. При движении к анолу электроны сталкиваются с молекулами паров ртути. Если скорость электрона достаточно велика, то он ионизирует молекулу,-, т. е.
выбивает из нее электрон. Молекула, потерявшая электрон, становится положительно заряженным ионом и движется к катоду, а электроны движутся к аноду. Благодаря ионизации паров ртути пространство внутри колбы заполнено положительными ионами п электронами и хорошо проводит электрический ток. Положительные ионы, попадая на катод, отдают ему свою энергию движения в виде тепла; в результате температура светового пятна ртути повышается до нескольких сот градусов. Такая температура достаточна для испарения ртути, но недостаточна для заметной термоэлектронной эмиссии. Возникает ноирос, чем же объясняется испускание электронов ртутью. Оказывается, что вблизи поверхности ртути скапливается бол юное количество положительных ионов, однако в слое толщиной около одной десятитысячной миллиметра, непосредственно прилегающем к ртути, положительных ионов очень немного (рис. 462). Существование этого слоя объясняется тем, что электроны, вылетевшие из ртути, должны набрать достаточную скорость, чтобы ионизировать нейтральные молекулы. Когда скорость электрона (который движется с ускорением) станет достаточной для ионизации, он уже успеааиг пролететь расстояние, равное толщине слоя.
В промежутке между скоплением положительно заряженных ионои и поверхностью ртути создается сильное электрическое поле. Напряженность этого поля, т. е. сила, действующая на единицу заряда, настолько велика, что свободные электроны вырываются из ртути за счет притяжения к положительным ионам. Такие же явления мы наблюдаем, например, когда проскакивает искра между двумя близко расположенными проводниками, имеющими разность потенциалов.
Испускание электронов ртутью или иным металлом под действием сильного электрического поля называется автоэлектронной эмиссией. Для того чтобы существовало сильное электрическое поле, необходимо, чтобы количество ионов, находящихся над ртутью, было достаточно большим. Поэтому через ртутный выпрямитель обязательно должен проходить ток не меньше 3—5 а. Если ток станет меньше, то ионизация уменьшится и поле не сможет вырывать электроны из ртути, в результате чего колба погаснет. Аноды независимого возбуждения служат для поддержания наименьшего тока устойчивого горения независимо от того, включен или выключен приемник. Колбу, не имеющую анодов возбуждения, приходится зажигать вновь после каждого выключения приемника.
Ртутная колба обладает односторонней проводимостью. Ток внутри колбы может проходить только от анодов к катоду, так как источником электронов является ртуть. Аноды не испускают электронов, и поэтому в обратном направлении ток проходить не может.
Во время работы колбы ртуть испаряется с поверхности катода. Верхняя расширяющаяся часть баллона служит для охлаждения паров ртути. Сконденсировавшаяся ртуть стекает капельками по стенкам баллона вниз, пополняя запас ртути в катоде.
Технические свойства ртутных выпрямителей. Технические свойства ртутных выпрямителей характеризуются несколькими величинами: внутренним падением напряжения, допустимой температурой, допустимым током нагрузки, электрической прочностью, сроком службы.
Напряжение между работающими анодом и катодом называется внутренним падением напряжения. Величина его у ртутных выпрямителей составляет около 20 в. Особенностью ртутного выпрямителя является то, что внутреннее падение напряжения практически н е зависит о т с и л ы тока. Поэтому выпрямленное напряжение на приемнике мало изменяется при увеличении тока нагрузки.
Практически наблюдаемое небольшое (на 5—6%) снижение выпрямленного напряжения при увеличении тока от нуля до номинального происходит из-за падения напряжения на сопро-456
тивлении обмоток трансформатора и на омическом сопротивлении обмоток дросселя фильтра.
При работе внутри колбы теряется мощность на нагрев, равная произведению выпрямленного тока на внутреннее падение напряжения.
Температура колбы во время работы повышается тем больше, чем больше потери мощности. Нагрев колбы выше определенной температуры (более 110—120°) может привести к растрескиванию стекла в местах вводов (где молибденовые стержни впаяны в стекло), и колба выйдет из строя, так как в нее проникнет воздух. Чтобы нагрев не превосходил нормы, ограничивают силу тока, которую можно получить от выпрямителя. Завод-изготовитель указывает для каждого типа колб длительно допустимый ток нагрузки. Для охлаждения мощных выпрямительных колб применяют искусственную вентиляцию (под колбой помещают вентилятор, создающий • поток охлаждающего воздуха снизу вверх). Колба допускает кратковременную перегрузку током. При перегрузке не более 20 сек. можно получить двойной ток; при перегрузке до 5—10 мин. можно получить ток Всего на 10% больше номинального. Коэфициент полезного действия ртутной колбы тем больше', чем больше выпрямленное напряжение по сравнению с внутренним падением напряжения. Если от выпрямителя получают напряжение 100 в, то коэфициент полезного действия будет равен примерно 80%. Если же выпрямленное напряжение 20 в, т. о. столько же, сколько теряется внутри колбы, то коэфициент полезного действия равен всего 50%.
В сличила в ы п р я м л о и н о г о и а и р я ж е-н и я определяется электрической пр о ч-п о с т ь ю ныпрлм и т о л я. При выпрямленном напряжении, большем номинального, указанного заводом, может произойти так называемое обратное зажигание. Обратное зажигание заключается в том, что ток начинает проходить от положительного анода к тому аноду, который имеет в данный момент отрицательный потенциал. Возможность такого явления объясняется том, что к аноду с большим отри-цптелы1ым потенциалом устремляются положительные ионы с. большой скоростью и при ударе об анод выбивают из него электроны, а кроме того, сильно нагревают его, так что с поверх пости анода появляется термоэлектронная эмиссия (т. е. испускание электронов под действием высокой температуры), Обратное зажигание — недопустимое явление, так как обмотка трансформатора оказывается замкнутой накоротко и иноды колбы разрушаются. В ртутных выпрямителях киноустановок обратных зажиганий никогда не про исходит, так как выпрямленное напряжение обычно по больше НИ) в, а электрическая прочность ртутных колб обычно пыше
41>7
1(ХИ) в. Средний срок службы ртугпых стеклянных выпрямителей, гарантируемый заводом, 2000 час. Однако при нормальной эксплуатации, когда колба не перегружается и выпрямленное напряжение не превышает 100—120 в, ртутные колбы служат до 10 000 час. В некоторых установках, при впиматель-ном уходе, колбы работают 10—12 лет, не выходя из строя.
§ 3. ТРЕХФАЗНЫЕ РТУТНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Для питания дуговых ламп постоянным током применяются выпрямители с трехфазными ртутными колбами типа ЗВН-100 и ЗВН-60 (первая цифра 3 указывает число главных анодов, буква В означает выпрямитель, буква Н — наличие анодов независимого возбуждения, последние цифры — допустимый выпрямленный ток в амперах). Ртутные колбы ЗВН-100 и
Рис. 463. Условное обозначение трехфазной ртутной колбы:
1 — главные аноды; 2 — аноды возбужде- . ния; 3 - катод; 4 — пусковой отросток
ЗВН-60 требуют охлаждения с помощью вентилятора. Условное обозначение их на схемах показано на рис. 463.
Схема выпрямителя. Схема трехфазного ртутного выпрямителя показана на рис. 464. Цепь главного тока (жирные линии) состоит из трехфазного трансформатора, ртутного выпрямителя с тремя главными анодами и сглаживающего дросселя. Для контроля сивы тока и напряжения на выходе включается амперметр и вольтметр. Вторичная обмотка трехфазного трансформатора соединена звездой. Вывод от нулевой точки является минусом выпрямленного напряжения. Первичная обмотка может быть соединена или звездой, или треугольником в зависимости от напряжения сети.
Во вспомогательной цепи имеются: трансформатор для питания анодов возбуждения ТВ, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки; дроссели La, включенные последовательно с анодами возбуждения; пусковая кнопка К с сопротивлением в цепи пускового отростка; асинхронный двигатель вентилятора, чаще всего типа И-10/4. Первичная обмотка трансформатора возбуждения обычно состоит из двух одинаковых половин, включаемых последовательно или параллельно с помощью перемычек в зависимости от напряжения питающей сети.
458
От коротких замыкании псе цепи защищаются предохранителями.
Пуск. Зажигание трехфазного выпрямителя производится в таком же порядке, как и однофазного. Включив напряжение
Рис. 464. Трехфазный ртутный выпрямитель
сети, следует убедиться, что вентилятор вращается в нужную сторону (так, чтобы поток воздуха был направлен снизу вверх> к колбе). Если вентилятор работает, можно зажигать колбу. Для этого следует нажать на пусковую кнопку К и с помощью специального штурвала слегка покачивать ртутную колбу.
4Ю
Поело зажигания кнопку нужно отпустить и прекратить покачивание. Для правильной работы анодов возбуждения большое значение имеют анодные дроссели La (обычно они выполняются в виде одного дросселя с двумя обмотками).
Назначение анодных дросселей состоит в том, чтобы ток,
проходящий через катод, даже па короткий промежуток вре-
Рис. 465. Анодные дроссели затягивают прохождение тока через аноды
мепи не становился равным нулю и колба пе могла погаснуть. При двух-полупериодном выпрямлении по обычной схеме ток может быть на мгновение равен нулю (когда напряжение на обмотке трансформатора проходит через нулевое значение). Если включены анодные дрос-
сели, этого пе происходит. Предположим, что работает анод а. Когда мгновенное значение напряжения на аноде, а значит,
и ток, начинает снижаться, и самоиндукции, препятствующая
дросселе возникает э. д. с. уменьшению тока. Поэтому
Рис. 466. Трехфазное выпрямление
ток ие успевает уменьшиться до нуля к тому моменту, когда на втором аноде б появится положительный потенциал (рис. 465). Точно так же во вторую половину периода дроссель задерживает уменьшение тока второго анода б. Изменяя зазор в магнитной цепи дросселей, регулируют их индуктивность так, чтобы колба работала устойчиво.
Трехфазное выпрямление. Рассмотрим работу главных анодов трехфазного ртутного выпрямителя. При включении приемника начинает проходить ток в
цепях главных анодов, на-
пряжения на которых равны друг другу по величине, но сдвинуты по фазе на одну треть периода (рис. 466,я). В промежутке времени от до t2 наибольшее положительное напряжение приложено к первому аноду, поэтому через него проходит ток г\. В промежутке времени от t2 до t3 наибольшее положительное напряжение приложено ко второму аноду, и ток г, будет
460
проходить через второй анод. В промежутке времени от t3 до Z4 будет работать третий анод. Затем процесс повторяется. Таким образом, в трехфазном выпрямителе аноды работают поочередно, каждый, в течение 1/а периода.
Ток в нагрузке j'o равен току работающего анода и проходит в течение периода непрерывно (рис. 466,3). Как мы видим из графика тока z'o, при трехфазном выпрямлении пульсации невелики. Если учесть действие сглаживающего дросселя L& (см. рис. 464), то график тока следует изобразить так, как показано пунктиром. Напряжение на приемнике также будет пульсировать сравнительно мало (рис. 466,е).
Выпрямитель УРВ-24. Рассмотрим схему промышленного ртутного выпрямителя типа УРВ-24, который часто используется в киноустановках для питания дуг (рис. 467).
Выпрямитель предназначен для питания от сети переменного тока 220 или 380 в. Через рубильник 1 и предохранители 2 напряжение подводится к главному трехфазному автотрансформатору 3. Автотрансформатор соединен звездой. Нулевая точка является минусом выпрямленного тока. Обмотки автотрансформатора имеют отводы, которые позволяют подключать его к сети 380 в (включается вся обмотка) или к сети 220 в (включается часть обмотки). Переключение производится с помощью перемычек. От главного автотрансформатора напряжение подается через трехфазный анодный дроссель 4 (или непосредственно) к главным анодам ртутной колбы ЗВН-60. Катод ртутной колбы является положительным зажимом выпрямленного тока.
Постоянный ток подводится от катода колбы через предохранитель и от нулевой точки автотрансформатора через амперметр к рубильнику 6, который служит для включения приемников энергии.
13о вспомогательной цепи имеется вентилятор; к двигателю вентилятора напряжение подводится от зажимов «220 в» автотрансформатора через плавкие предохранители. К трансформатору возбуждения 7 напряжение подводится от сети через предохранители и однополюсный выключатель 8. Трансформатор анодов возбуждения имеет две первичные обмотки, включаемые с помощью перемычек последовательно (при напряжении сети 380 е) или параллельно (при напряжении сети 220 в). В цени анодов возбуждения включен анодный дроссель 9\ кроме того, между катодом ртутной колбы и средней точкой трансформатора возбуждения включен катодный дроссель 10. Он имеет назначение сглаживать пульсации тока возбуждения. Дли пуска колбы имеется кнопка 11, с помощью которой на пусковой отросток подается напряжение от одного из анодов возбуждения. Для контроля напряжения на выходе включен вольтметр постоянного тока.
.01
Рис. 467. Выпрямитель УРВ-24:
1 — рубильник входа; 2 — предохранители; 3 — главный автотрансформатор; 4 — анодный дроссель; 5 - ртутная колба; 6 — рубильник выхода; 1 — трансформатор возбуждения; 8 — выключатель возбуждения; 9 - анодный др оссель возбуждения; 10 — катодный дроссель возбуждения; 11 - кнопка пуска; 12 — вентилятор
462
При использовании выпрямителя УРВ-24 для питания дуг анодный дроссель 4 отключается (он применяется, когда выпрямитель служит для зарядки аккумуляторов; благодаря анодному дросселю напряжение на выходе сильно уменьшается при увеличении тока, что необходимо при зарядке аккумуляторов). Кроме выключения анодного дросселя, уменьшают напряжение, подводимое к главным анодам. Для этого аноды соединяются с зажимами автотрансформатора, имеющими обозначение 220 в. После переключения напряжение на выходе выпрямителя около 120 в. При выпрямленном токе 60 а ток сети равен приблизительно 35 а при напряжении сети 220 в и 20 я при напряжении сети 380 в. Дуги кинопроектора подключаются к выпрямителю через балластные реостаты.
Подобная же схема и у выпрямителя УРВ-23 с колбой ЗВН-60; после отключения дросселя в цепи главных анодов он имеет напряжение па выходе 70 б и ток до 60. я.
Кроме выпрямителей УРВ-24 и УРВ-23, применяется такой же по устройству трехфазный выпрямитель УРВ-28 с колбой ЗВН-100, рассчитанной на ток нагрузки 100 я при напряжении 120б. Коэфициент полезного действия выпрямителей составляет около 70%. За счет потерь мощности в балластных реостатах коэфициент полезного действия устройства для питания дуг уменьшается до 30—35%.
§ 4. ПРАВИЛА ОБРАЩЕНИЯ С РТУТНЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ
Хранение и установка колбы и выпрямитель. Ртутные колбы перевозятся и хранятся в специальной упаковке па пружинных подвесах баллоном вниз. Хранить колбу нужно только в заводской упаковке, оберегая от толчков и ударов, вынимать со из упаковки нужно очень осторожно. Ни в коем случае нельзя брать колбу за анодные отростки («рога») и выводные контакты во избежание ее поломки. Колбу следует брать левой рукой за нижнюю часть баллона, а правой поддерживать верхнюю часть (рис. 468,я) и медленно переворачивать так, чтобы ртуть постепенно переливалась в чашу катода. После этого колба катодом устанавливается в нижнее кольцо держателя (рис. 468,6) и пружиной закрепляется в верхнем полукольце. Пружина должна охватывать баллон плотно, но по сдавливать его. При установке необходимо следить, чтобы колба пе ударилась о выступающие металлические части и при покачивании за них не задевала. После этого с помощью хомутиков на выводах осторожно закрепляются токоподводящие провода. Затем необходимо проверить правильность всех соединений, исправность вентилятора и направление его вращения.
Эксплуатация. Ртутные выпрямители должны быть установлены в сухом отапливаемом помещении с температурой окружающего воздуха не ниже + 10° и не выше -|-35о.
463
Пуск выпрямителя производится, как указывалось рапыло.
По время пуска приемники должны быть отключены. Пуск | можно производить, только убедившись в том, что вентилятор вращается в нужную сторону. Если колба по каким-либо при- j чинам сразу не зажигается, следует отпустить кнопку, а затем • : повторить пуск. Длительно кнопку зажигания нажимать нельзя.
Во время работы дворцы и стенки шкафа должны быть закрыты, чтобы защитить колбу от попадания капель масла, влаги и т. д. Нельзя касаться колбы руками. Наблюдение следует производить через смотровое окно с красным стеклом
а б
Рис. 468. Установка колбы
(фиолетовое свечение колбы вредно действует на зрение). Вентилятор должен работать. Если вентилятор остановился, выпрямитель немедленно следует отключить (в случае крайней необходимости продолжать работу нужно обязательно снизить ток нагрузки до 40% номинального, т. е. в два с половиной раза). Необходимо также наблюдать за показаниями вольтметра и амперметра, по допуская перегрузки колбы. Длительная перегрузка ва 20—30% резко сокращает срок службы, а большая перегрузка (на 50—60%) выводит колбу из строя.
Уход за ртутным выпрямителем состоит в следующем:
1) наблюдении за исправностью вентилятора и за смазкой двигателя;
2) поддержании чистоты (не реже одного раза в месяц мехом выдувается пыль);
3) наблюдении за надежностью всех контактов (подтягивание гаек зажимов по мере их ослабления);
4) плавкие вставки должны быть установлены точно по заводской инструкции;
5) замену колбы, чистку устройства и проверку контактов - i можно производить только после отключения выпрямителя _• со стороны постоянного и переменного тока; (
6) корпус выпрямителя должен быть надежно заземлен, j
464
Возможные неисправности и меры их устранения
Признаки неисправности Причины неисправности Меры устранения
I При покачивании колбы не воз- никает искра 1. Нет напряжения на трансформаторе возбуждения 2. Нет контакта в цепи пусковой кнопки или в катодном дросселе возбуждения 1. Проверить предохранители, зажимы, проводники 2. Проверить пусковую кнопку и зажимы
II Не зажигается дуга в колбе; дуга горит неустойчиво (гаснет) 1. Неправильно стоят перемычки трансформатора возбуждения 2. Низкая температура помещения 3. Колба потеряла вакуум (проник воздух) 4. Мал ток возбуждения 5. Мало напряжение сети 1. Проверить положение перемычки в соответствии со схемой 2. Обогреть помещение 3. Сменить колбу
4. Увеличить ток возбуждения до 5—7 а. Для этого увеличить зазор в сердечнике анодного дросселя 5. Проверить напряжение сети. Если возможно, повысить напряжение трансформатора возбуждения
III Устройство пониженное пряжение дает па- 1. Работают пе все главные аноды 2. Неправильно стоят перемычки главного трансформатора или автотрансформатора. Мало напряжение сети 1. Проверить предохранители в цени главного тока 2. Проверить положение перемычек в соответствии со схемой
IV Вентилятор не вращается, но двигатель при включении гудит 1. Перегорел предохранитель в одной из фаз 1. Сменить предохранитель
V Двигатель не включается при исправных предохранителях 1. Обрыв обмоток статора 2. Плохой контакт на щитке двигателя 1. Сдать двигатель в ремонт, заменить новым 2. Проверить, плотно поджать проводники
VI Вентилятор вращается в обратную сторону 1. Перепутаны местами две фазы 1. Поменять местами две фазы на панели устройства
Л(> Электротехника
И»
Если при поломке колбы разольется ртуть, необходимо тщательно собрать н удалить все ее капли, так как пары ртути ядовиты.
§ 5. УСТРОЙСТВО СЕЛЕНОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Селеновые выпрямители появились в технике сравнительно недавно, но полупили широкое распространение благодаря своей простоте, долговечности, надежности в работе.
Устройство селеновой выпрямительной шайбы. Селеновые выпрямители собираются из отдельных выпрямительных шайб по различным схемам. Выпрямительная шайба представляет
Рис. 469. Устройство селеновой выпрямительной шайбы: 1 — железная шайба; 2 - слой селена; 3 — запирающий слой;
4 - катодный сплав
Обратное направление тока Железо
Катодный сплав —
Пряное направление тока
Рис. 470. Прямое и обратное направления тока
собой железный никелированный или алюминиевый диск, с одной стороны которого нанесен слой химического элемента — селена, а поверх селена тонкий слой специального легкоплавкого сплава (висмут, кадмий и олово). Внешний вид и поперечный разрез выпрямительной шайбы показаны на рис. 469. Железный диск является основой, и перед приготовлением выпрямителя его поверхность тщательно очищается от окислов. Иногда вместо железа в качестве основы применяется алюминий. С о л си н о < в о и м ;-> л е к т р и ч о с к и м свойствам является полупроводником, т. е. занимает промежуточное место между проводниками и непроводниками. При изготовлении выпрямителя селен, нанесенный на железную основу, подвергается нагреву под давлением. Сплав олова, висмута и кадмия называется катодным сплавом (он имеет серебристый цвет).
Выпрямительная шайба обладает свойством хорошо проводить ток в направлении от железа к катодному сплаву (прямое направление тока) и плохо — в направлении от катодного сплава к желозу (рис. 470). Например, 1 см2 активной поверхности выпрямителя * для прямого направления тока имеет
* Активной поверхностью выпрямительной шайбы принято считать поверхность катодного сплава, нанесенного на слой селена (в квадратных сантиметрах).
466
сопротивление около 25 ом, а для обратного направления — около 10 000 ом, т. е. в 400 раз больше. Это объясняется особыми свойствами тончайшего слоя между катодным сплавом и селеном, который называется запирающим слоем. Причины образования запирающего слоя мы рассматривать не будем, так как они объясняются очень сложными физическими процессами.
Если активную поверхность выпрямительной шайбы увеличить, то ее прямое и обратное сопротивления станут меньше, но обратное сопротивление попрежнему будет в 400—500 раз больше прямого. Приближенно можно считать, что селено вый выпрямитель проводит ток только
Рис. 471. Прямое — а и обратное — б напряжения и ток
от Делеза к катодному сплаву. На схемах селеновые выпрямители обозначают треугольником с чертой; основание треугольника соответствует железу, черта — катодному сплаву (см. рис. 470). Острие треугольника указывает прямое направление тока.
Технические свойства селеновых выпрямителей. Селеновые выпрямительные шайбы могут нормально работать только при определенных условиях. Допустимый ток, проходящий через шайбу, определяется ее нагревом. Селеновые выпрямители длительно сохраняют свои свойства при условии, что температура их нагрева не превышает 70°.
При естественном охлаждении для выпрямительных шайб среднего качества температуре 70° соответствует плотность тока в прямом направлении 0,04 а па 1 смг активной поверхности (или 40 ма/смг). Поэтому допустимый ток в прямом направлении для шайбы, имеющей активную поверхность в S см1, равен:
Inp = 0,0i Sa.
Падение напряжения на шайбе при нормальной для нее величине тока в прямом направлении составляет Unp~i-i-i,5 в и называется прямым падением напряжения (рис. 471 щ).
Величина напряжения, которое можно подвести м шайбе в обратном направлении (от катодного сплав* И NtMMy) Лоз ухудшения выпрямительных свойств, нааыааитои д о и у с т и
30*
4в?
м ы м обрати ы м и а и р я ж о и и о м. Для селеновых выпрямителей допустимое обратное напряженно U п6 —20н-22 в (рис. 471,6). Так Kai; к выпрямителю подводится переменное напряжение, то необходимо, чтобы его амплитуда была по больше допустимого обратного напряжения» Действующее значение переменного напряжения па шайбу должно быть меньше в 1,41 раза, т. о. около 14—5—15 в. Величина напряжения, подводимого к выпрямителю, зависит пе только от свойств селоновых выпрямительных шайб, но и от схемы выпрямления.
Ток, проходящий через выпрямительную шайбу в направлении от катодного сплава к железу, называется о б р а т-н ы м ток о м. Обычно обратный ток, проходящий через шайбу, составляет 2-5-4 % от прямого тока при условии, что напряжение в обратном направлении равно допустимому. При увеличении обратного напряжения выше допустимого обратный ток начинает резко увеличиваться; выпрямительные свойства шайбы при этом теряются, и может насту п и т ь е е л р о б о й л л и р а с п л а-в л е н и е ее к а т о д и о г о < п л а в а; в том и другом случаях шайба бывает испорчена. Селеновые выпрямительные шайбы при изготовлении получаются неодинаковыми по качеству, т. о. имеют разные величины прямого падения напряжения и обратного тока. Отклонения могут быть на 20 % (и больше).
Коэфициент полезного действия селеновых выпрямителей колеблется в пределах 50—80% в зависимости от качества выпрямительных шайб и схемы выпрямления.
Срок службы селеновых выпрямителей очень велик. Если выпрямитель не подвергается перегрузке и к нему не подводится напряжение выше допустимого, то он может работать до 40 000 часов п более;. Па сроке службы селеновых выпрямителей вредно отражается влажность. Для защиты от влажности селеновые шайбы покрываются слоем краски или лака. Но и с таким влагозащитным покрытием селеновые выпрямители в сырых помещениях устанавливать не рекомендуется (относительная влажность воздуха в помещении должна быть не более 70%).
Достоинствами селеновых выпрямителей являются: большой срок службы, простота в эксплуатации, механическая прочность. У селеновых выпрямителей нет хрупких частей (нет стекла), как у ртутных выпрямителей и кенотронов; они не требуют отдельных источников тока для накала, как кенотроны; всегда готовы к действию, не требуют специальных пусковых операций, как ртутные выпрямители.
Недостатками селеновых выпрямителей являются старение и расформовка. С течением времени за 5000-5-10 000 час.
468
работы напряжение на выходе селенового выпрямителя снижается на 8-1-10%. Снижение напряжения происходит вследствие постепенного увеличения внутреннего сопротивления селеновых шайб. Этот процесс называется старением селенового выпрямителя. Чтобы учесть старение, выпрямители обычно рассчитывают с запасом по току и учитывается возможность компенсации падения напряжения на выходе увеличением напряжения на входе выпрямителя.
Ра с формовкой называется уменьшение сопротивления обратному току, приводящее к частичной или полной
Рис. 472. Однофазная мостовая схема
потере выпрямительных свойств. Расформовка наблюдается при длительном (несколько месяцев) бездействии выпрямителя. Большей частью расформовавшийся выпрямитель восстанавливается. Чтобы восстановить (отформовать) выпрямитель, его после хранения включают на пониженное (до г/4 номинального) напряжение и выдерживают несколько часов, постепенно повышая напряжение на входе до номинального. После хранения выпрямитель нельзя сразу в к л ю ч а т ь на полно о п а п р я ж о и и е.
Однофазная мостовая схема. Селеновые выпрямительные шайбы чаще всего собирают по мостовым схемам (рис. 472). 'Гикая схема состоит из четырех плеч с выпрямительными шайбами. Два плеча соединены катодными сплавами, а два— со стороны железа. Когда точка а обмотки трансформатора имеет положительный потенциал, а точка б.— отрицательный^ ток проходит из точки а через шайбу 1, затем в приемник и возвращается к точке б обмотки через шайбу 3. Таким обравом, в первую половину периода работают шайбы 1 и 3. Дпо другие шайбы не работают, так как не могут проводить том от катодного сплава к железу. Во вторую половину периода положи»
тельный потенциал имеет топка 6. Ток будет проходить через шайбу 2 п приемник (через шайбу 3 он но может проходить и обратном направлении), затем через шайбу 4 к точке <т, имеющей отрицательный потенциал. Значит, во вторую половину периода работают шайбы 2 и 4. Ток и приемнике в течение обоих полупериодов проходит в одном направлении. Такая схема дает двухполупериодное выпрямление. Точка соединения катодных сплавов двух шайб является положительным зажимом выпрямленного напряжения. Обратное напряжение на неработающей в данный момент шайбе равно напряжению на обмотке транс-
форматора минус прямое падение напряжения на одной из работающих шайб. Например, когда
Рис. 473. Последовательное и параллельное соединение шайб в плече'
точка а имеет положительный потенциал (работают шайбы 1 и 3), на неработающей шайбе 4 обратное напряжение равно напряжению обмотки трансформатора за вычетом прямого напряжения на шайбо 3. Так как прямое напряжение обычно не более 1,2 1 ,Г> то можно считать, что обратное напряжение приблизительно равно напряжению обмотки трансформатора. Если в каждом плече имеется по одной шайбе, то напряже-
ние обмотки трансформатора должно быть не более 14-г-15 в.
Выпрямленное напряжение, из-
меренное вольтметром постоянного тока, меньше подведенного, так как этот прибор измеряет только постоянную составляющую. Кроме того, прямое падение напряжения на двух работающих в данный момент шайбах снижает напряжение выхода. Обычно выпрямленное напряженно в мостовой однофазной схеме равно 70% подведенного. 'Гак как величина выпрямленного тока определяется активной поверхностью шайбы (из расчета, что плотность тока равна 0,04 а/см2), то при активной поверхности, равной 100 см2, ст моста (рис. 472) можно получить выпрямленный ток 0,04-100=4 а. Чтобы получить большую величину выпрямленного тока, плечо выпрямителя собирают из нескольких шайб, соединенных параллельно.
Чтобы получить большую величину выпрямленного напряжения, применяют последовательное соединение нескольких шайб в плече. Например, включив в плечо по три шайбы последовательно и по две шайбы с площадью 100 см2 параллельно, можно получить выпрямленный ток 8 а и напряжение ЗО-ь-ЗЗ в (рис. 473). Соответственно должны быть увеличены напряжение и ток на входе выпрямителя (ток на входе примерно на 15 % больше тока на выходе). Для последователь-
470
лого и параллельного соединения должны быть подобраны выпрямительные шайбы приблизительно одинакового качества. Если шайбы в плече отличаются по качеству, то отдельные шайбы могут оказаться сильно перегруженными и выйдут из строя.
Схема Ларионова. Для выпрямления трехфазного тока селеновые выпрямители чаще всего включаются по трехфаз-ной мостовой схеме (рис. 474), которую предложил профессор
Рис. 474. Трехфазная мостовая схема — схема Ларионова
Рис. 475. Схема Ларионова дает шостифазпое выпрямление
Московского Энергетического института Ларионов. От вторичной обмотки трансформатора к выпрямителю подводятся напряжения, равные по величине и сдвинутые по фазе на г/3 периода (рис. 475,а). Ток, проходящий через выпрямитель, будет проходить от точки с наибольшим положительным потенциалом к точке с наибольшим отрицательным потенциалом. Рассмотрим, как это происходит. В момент наибольшее положительное напряжение будет в первой фазе, а наибольшее отрицательное — во второй фазе. Поэтому ток будет проходить от первой фазы через плечо выпрямителя 1 в приемник, а затем через плечо 5 во вторую фазу. В момент Ц наибольшее положительное напряжение имеет попрежнему фаза 7, а наибольшее отрицательное напряжение — фаза <3. Поэтому ток пройдет из первой фазы и плечо 1 в приемник, а затем через плечо 6 в третью фазу. В момент t3 наибольшее положительное напряжение имеет фаза 2, а наибольшее отрицательное напряжение — фаза 3. Поэтому ток будет проходить через плечо 2 в приемник, а затем через плечо б в фазу 3. Рассматривая действие схемы в любой другой момент, можно убедиться,
471
что всегда попарно работают два плеча выпрямителя. Н а-и р я ?к о я и с и а пр и е м и и ко б у д от равно в любой момент п а п р я ж с и и ю между двумя фазами, имею щ ими п а и б о л ь ш у ю разность потенциалов (см. рис. 475,а).
Можно построить график выпрямленного напряжения, показанный на рис. 475,6. За один период переменного тока выпрям-
ленное напряжение имеет шесть пульсаций. Поэтому схема Ларионова даст шее тифа зное выпрямление. Величина пульсаций при этом настолько мала (около 6% от постоянной составляющей), что для большинства приемников не требуется сглаживающих фильтров. В этой схеме селеновые выпрями-
Рис. 476. Выпрямительный столб
тели имеют наивысший коэфициент полезного действия (до 80%). При одной шайбе в плече линейное действующее значение напряжения на входе выпрямителя должно быть не более 14—15 в. При этом па приемнике напряжение также будет равно около 14 —15 в. Если шайбы имеют активную поверхность 100 см2 каждая, то выпрямленный ток может достигать 7 а. Для увеличения напряжения и тока в каждом плече включают по нескольку шайб, соединенных последовательно и
Рис. 477. Конструкция селенового выпрямителя.
1 — шпилька; 2 — изоляция шпильки; 3 — селеновая выпрямительная шайба; 4 — дистанционная изоляционная шайба; 5 — металлическая шайба; 6— контактная пружинная шайба; 7 — вывод; 8 — изоляционная шайба;
9 — гайка
параллельно. Например, включив по 4 шайбы последовательно и по 10 параллельно в каждом плече, т. е. 6-4-10=240 шайб, можно получить от выпрямителя напряжение в 4 раза большее, т. е. 56 в, и ток в 10 раз больший, т. е. 70 а. Селеновые выпрямители по схеме Ларионова применяются для питания дуг кинопроекторов постоянным током. Иногда, кроме мостовых схем, применяются также простые двухполупериодные и трехфазные схемы селеновых выпрямителей.
472
Конструкция селеновых выпрямительных столбов. Селеновые шайбы, составляющие выпрямитель, собираются в виде так называемых выпрямительных столбов (рис. 476). Селеновые шайбы (рис. 477) собираются на изолированную металлическую шпильку. С катодного сплава ток снимается с помощью контактной шайбы. Чтобы давление контактной шайбы на катодный сплав было определенным и для предотвращения короткого замыкания селеновой шайбы с центром контактной шайбы, между ней и катодным сплавом прокладывается дистанционная шайба из изоляционного материала. Между селеновыми шайбами диаметром 100 мм делаются вентиляционные каналы шириной 8—10 мм. Для включения в схему предназначены токоотводящие шинки. Число дисков, собираемых на шпильку, зависит от диаметра шайб и от схемы выпрямителя. На рис. 477 показан однофазный выпрямитель по мостовой схеме, имеющий по одной шайбе в плече. Если выпрямитель состоит из большого количества шайб, то шайбы собирают на нескольких шпильках. После сборки столбы покрывают краской или лаком.
В табл. 14 приведены длительно допустимые величины выпрямленного напряжения и тока, которые можно получить в различных схемах при условии, что в каждом плече выпрямителя находится одна шайба среднего качества диаметром 45 л ЮО мм.
Таблица 14
Режим работы селеновых выпрямительных шайб в различных схемах выпрямлении
Схема выпрямителя Диаметр шайбы (в миллиметрах) . Ток фазы трансформатора (в амперах) Напряжение на фазе; трансформатора | (в вольтах) 1 Выпрямленный .ток | нагрузки (в амперах). Выпрямленное на- f пряжение на нагрузке (в вольтах) Частота пульсаций I при частоте сети 50 гц (в герцах) | Величина пульсаций (в процентах)
Двухполупериодная (двухфазная) 45 100 0,95 4,8 9 9 0,6 3,0 6,0 6,0 100 67
Трехфазная 45 100 0,55 2,7 10 10 0,9 4,5 8,5 8,5 150 25
Однофазная мостовая 45 100 0,7 3,5 18 18 0,6 3,0 12 12 100 67
Трехфазная мостовая — схема Ларионова 45 100 0,45 2,2 15 15 0,9 4,5 15 15 300 5,7
0
Лч
2
ВС-45-81 1 W 2 СП о ВС-45-08 ВС-45-66 ВС-45-59 W Ci со ВС-47
До 1,2 1 о о 9*0 00 9*0 | со "ел со
*•* to СО Ф ОТ со о СО ф • со ф
1-к 1\Э
Однофазная мостовая схема
ЬР со — И*.
и* со -1 СО ф сс
8 0 45 12 0 45 56 0 45 24 0 45 4 1 1 0 45 24 0 100 12 0 1001 1
Усилители типа ПУ-50 и4КУ-12. Темнитель света ТС-5 Питающее устройство противопожарных заслонок типа ЭПУ-1 Мост управления в ВУ-55 Темнитель света ТС-5 Темнитель света ТС-5 Темнитель света ТС-5 Усилительное устройство типа УСУ-51
Всего элементов и их диаметр (в миллиметрах)
ВС-67 12 10 1 4 1 16 Мост управления
0 100 в ВС-65 и
ВС-60-А
Ток нагрузки (в амперах) Ломи дапнь выпк
а
Напряжение на g е -
нагрузке (в воль- х ®
тах)
Число столбов в выпрямителе
Схема моста
Параллельных ветвей В одном пле че
Последовательных элементов в ветви
а CD 2 CD д
§ в. ДРОССЕ ЛИ НАСЫЩЕНИЯ
Для регулирования переменных и выпрямленных напряжений и токов в настоящее время широко применяются дроссели насыщения. В кинотехнике дроссели насыщения применяются в устройствах для регулирования питания дуг и напряжения на лампах зрительного зала.
Принцип действия. Катушка самоиндукции с железным сердечником, подмагничиваемым постоянным током, называется дросселем насыщения. Дроссель насыщения имеет обмотку переменного тока и обмотку подмагничивания, по которой проходит постоянный ток. Изменяя величину тока в обмотке под-
Рис. 478. Однофазный дроссель насыщения
магннчивания, можно изменять индуктивное сопротивление обмотки переменного тока. Схема и внешний вид однофазного дросселя насыщения показаны на рис. 47К. Сердечник дросселя замкнутый, без воздушных зазоров, Ш-образной формы. Обмотка переменного тока состоит из двух одинаковых половин wa и Wo , которые помещаются на крайних стержнях и соединяются друг с другом последовательно или параллельно. Обе части обмотки переменного тока включаются так, чтобы созданные ими переменные потоки Фп и в среднем стержне были направлены навстречу друг другу, т. е. взаимно уничтожались. Благодаря этому переменный магнитный поток в среднем стержне равен пулю и протекает только по крайним стержням и по ирмам. Это необходимо для того, чтобы в обмотке подмагничивания wn не индуктировалась э. д. с.
Обмотка wn подключается к источнику постоянного тока небольшой мощности через реостат, с помощью которого можно изменять силу тока подмагничивания 1Я.
Свойства дросселя основаны и а явлении насыщения железа. Ток подмагничивания
475
создаст постоянный магнитный поток, который насыщает сердечник. Как мы анаом, при насыщении увеличивается магнитное сопротивление железа. Благодаря этому уменьшается переменный магнитный поток, созданный обмотками перемен-
ного тока, и в них наводится меньшая э. д. с. самоиндукции. Следовательно, при увеличении тока подмагничивания уменьшается индуктивное сопротивление дросселя. Величина переменного тока увеличивается для сохранения прежней величины
Рис. 479. Схема применения дросселя насыщения
э. д. с. и переменного магнитного потока. Чем больше ток подмагничивания, тем больший ток проходит через обмотки переменного тока или тем меньшее напряжение будет приложено к обмотке переменного тока при неизменном по величине переменном токе.
Технические свойства дросселей насыщения. (3 помощью дросселя насыщения можно регу-
лировать режим работы приемников. Для этого обмотка переменного тока включается в сеть
последовательно с приемником (рис. 479). Если i-ок подмагни-
чивания равен пулю, то через приемник проходит очень небольшой ток. Увеличивая ток подмагничивания до сильного
насыщения сердечника, можно увеличить ток в приемнике в 5—10 раз. Кроме того, с помощью дросселя насыщения можно поддерживать на приемнике постоянное ио величине напряжение, несмотря на изменения напряжения сети.
Регулировать величину индуктивного сопротивления дросселя можно и иначе, например вдвигая или выдвигая железный сердечник в катушку или изменяя воздушный зазор в магнитопроводе, так как при этом также изменяется сопротивление магнитному потоку. Для регулирования переменного тока можно применить и обычный реостат вместо дросселя насыщения.
В чем же преимущества дросселя насыщения?
1. Сопротивление дросселя насыщения можно плавно изменять, причем в цепи переменного тока нет искрящих контактов, так как дроссель не имеет движущихся деталей.
2. Мощность, расходуемая на нагрев обмотки подмагничивания, составляет всего 2-4-5% от мощности приемника переменного тока.
3. Потери активной мощности в дросселе невелики, поскольку потери в железе незначительны, а активное сопротивление обмоток во много раз меньше индуктивного.
4. Дроссель насыщения не имеет сильно нагревающихся частей и безопасен в пожарном отношении.
Особенно важным является малую мощность на можно регулировать ных приемников вне
то, что, затрачивая подмагничивание, режим работы м о щ-р г и и. Поэтому дроссели
Рис. 480. Трохфазный дроссель насыщения:
1 — фазные обмотки; г — обмотки подмагничивания;
3 — короткозамкнутая обмотка
и v w
Рис. 481. Регулирование работы выпрямителя с по- • мощью дросселя насыщения
насыщения иногда называют магнитными усилителями. Часто удается осуществить автоматическое изменение тока подмагничивания, и тогда дроссель насыщения автоматически регулирует режим работы приемника.
Удобством дросселя насыщения является и то, что при необходимости небольшой по размерам реостат в цепи обмотки подмагничивания можно поместить вдали от дросселя и приемника энергии и управлять режимом работы на расстоянии.
Недостатками дросселя насыщения являются: искажение формы кривой переменного тока (т. е. ток приемника перестает быть синусоидальным). Кроме того, являясь индуктивным сопротивлением, дроссель насыщения создает сдвиг по фазе между напряжением и током и тем самым уменьшает коэфициент мощности (сов <р) установки, в которой он применяется. Большей частью эти недостатки пе имеют существенного значения.
Трехфазный дроссель насыщения. Трехфазный дроссель насыщения (рис. 480) состоит из трех сердечников 111-опрн:ц|ой формы. На каждом сердечнике (на среднем стержне) пнмотина
обмотка переменного тока. Поверх обмоток переменного тока намотана общая обмотка подмагничивания, охватывающая сразу все три стержня. Такая конструкция делается для того, чтобы ток подмагничивания насыщал одновременно все три сердечника и чтобы в обмотке подмагничивания по индуктировалась э. д. с. Обмотку подмагничивания пронизывают одновременно три переменных магнитных потока, которые сдвинуты по фазе па угол 120°. При изучении трехфазпого тока мы убедились в том, что сумма трех синусоидальных величин, сдвинутых по фазе на угол 120° и равных по величине, равна нулю. Поэтому переменные магнитные потоки, пронизывающие обмотку подмагничивания одновременно, не наводят в ней э. д. с. Небольшая э. д. с., наводящаяся из-за несимметрии и искажения формы кривой потоков, подавляется замыканием небольшой части витков обмотки подмагничивания накоротко.
Так же, как и у однофазного, у трехфазного дросселя при увеличении тока подмагничивания увеличивается ток, проходящий через обмотки переменного тока. Трехфазный дроссель можно применять только при равномерной нагрузке фаз. При неравномерной нагрузке необходимо применять три отдельных однофазных дросселя.
С помощью дросселей насыщения можно регулировать напряжение и ток выхода выпрямителей. Для этого дроссель насыщения включается на входе выпрямителя в его цепи переменного тока (рис. 481). Ток подмагничивания можно получать от регулируемого выпрямителя через реостат. Такая схема позволяет защитить выпрямитель от коротких замыканий на зажимах приемника: при коротком замыкании напряжение на приемнике равно нулю, поэтому равен нулю ток в обмотке подмагничивания, включенный параллельно. Сопротивление дросселя становится большим и ограничивает ток.
§ 7. СЕЛЕНОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЛИТАНИЯ КИНОПРОЕКЦИОННЫХ ДУГ
Селеновые выпрямительные устройства в настоящее время широко применяются для питания дуговых кинопроекционных ламп. Взамен выпускавшихся ранее выпрямительных устройств ВУ-55, рассчитанных на ток дуги 55 .а, и ВС-65 — на ток 65 а, с 1952 г. выпускается стабилизированный селеновый выпрямитель типа ВС-60-А, рассчитанный на ток дуги 60 а. Все эти устройства имеют одинаковый принцип действия и лишь незначительно отличаются по конструкции. Кроме того, в киносети широко используются нестабилизированные селеновые выпрямители типа ТКД-45/55 (на ток 55 а) и выпрямители ТКД-45/65 (на ток 65 а).
Назначение и схема выпрямительного устройства ВС-60-А. Выпрямительное устройство ВС-60-А предназначено для пита-473
ния дуги стационарного кинопроектора КПТ-1 или СКП-26 постоянным стабилизированным током до 60 а. Устройство Йсечитано па подключение к трехфазной сети с напряжением 3 в или 380 в и частотой 50 гц. Схема ВС-60-А показана на рис. 482. Устройство содержит следующие основные детали:
Рис. 482. Принципиальная схема стабилизированного селенового выпрямителя ВС-60-А
СС-1—г лавный селеновый выпрямитель, собранный но мостовой трехфазной схеме Ларионова. Выпрямитель рассчитан на ток 60 а при напряжении 45 в и собран из селеновых шайб диаметром 100 мм. В каждом плече выпрямителя имеется 12 параллельных ветвей с четырьмя последовательными селеновыми шайбами (рис. 483).
Тр — трехфазный главный трансформатор, используемый для понижения напряжения на входе
479
селенового выпрямителя. Вторичная обмотка трансформатора соединена звездой.
ДМ — трехфазный дроссель насыщения, являющийся автоматически регулируемым реактивным балластным сопротивлением. Дроссель насыщения имеет три обмотки переменного тока, включенные последовательно с первичными обмотками трансформатора. G помощью перемычек
па входных зажимах первичную цепь можно соединить звездой при работе от сети с номинальным напряжением 380 в или треугольником при напряжении сети 220 в. Индуктивное
сопротивление дросселя насыщения меняется при изменении
тока в обмотках подмагничивания таким образом, что ток дуги поддерживается неизменным при* колебаниях напряжения сети и изменениях расстояния между углями.
Дроссель насыщения имеет две обмотки подмагничивания: регулирующую MN и вспомогательную тп.
Для автоматического регулирования тока подмагничивания
служат следующие элементы:
ДС — сериесный дроссель, который выполняет роль трансформатора тока. Через первичные обмотки сериесного дросселя проходит переменный ток, выпрямляемый затем главным селеновым выпрямителем. Во вторичных обмотках
сериесного дросселя индуктируется переменное напряжение, величина которого пропорциональна току на входе селенового выпрямителя (а следовательно, и току -дуги).
При изменениях тока дуги соответственно меняется напряжение па вторичных обмотках герпесного дросселя. Вторичные обмотки ДС соединены в лепра пильный открытый треугольник, благодаря чему их результирующее напряжение зависит от суммы токов всех трех фаз и поэтому пропорционально току дуги.
Напряжение вторичных обмоток сериесного дросселя подводится через сопротивление R к феррорезонансной цепи, состоящей из конденсатора С и дросселя с насыщенным сердечником ДФ. Параллельно конденсаторам и дросселю ДФ включена первичная обмотка вспомогательного трансформатора ВТ. Вторичная обмотка трансформатора ВТ имеет регулировочные отводы. От нее напряжение подводится к вспомогательному выпрямителю СС-2, который служит для питания регулирующей обмотки подмагничивания трехфазного дросселя насыщения ДН.
Кроме основной и управляющей цепей, устройство снабжено контрольной лампой Л и амперметром А (типа ПМ-70 о шунтом) для измерения тока дуги.
480
Особенности цепи управления. Для того чтобы получить высокое качество кинопроекции, ток дуги должен сохраняться постоянным, несмотря на колебания напряжения сети и изменения расстояния между углями. Ток дуги можно поддерживать постоянным, если соответственно автоматически изменять индуктивное сопротивление дросселя насыщения. Наяример, когда ток дуги начнет увеличиваться, следует увеличить индуктивное сопротивление дросселя насыщения; это позволит сохранить прежний ток дуги. Чтобы увеличить сопротивление дросселя насыщения, нужно уменьшить ток подмагничивания. Если, наоборот, ток дуги начнет уменьшаться, то нужно увеличить ток подмагничивания. Автоматическое изменение тока подмагничивания осуществляется фе р ро резонансной цепью. Эта цепь называется Tait потому, что вместо обычного дросселя последовательно с конденсатором включен дроссель с нас ы щ о и и ы м се р д е ч н и к о м. Индуктивное сопротивление ДФ зависит от силы протекающего по его обмотке переменного тока. При увеличении тока сопротивление его становится меньше и поэтому напряжение на дросселе ДФ почти не изменяется при изменениях тока. Напряжение на конденсаторе С по фазе противоположно напряжению на дросселе и по величине прямо пропорционально току через феррорезонансную цепь. Общее напряжение на феррорезонанс-ной цепи равно разности напряжений на дросселе и на конденсаторе.
Индуктивное сопротивление дросселя ДФ в устройстве ВС-60-А выбрано больше сопротивления конденсатора, т. о. резонанса не наступает. При изменениях тока, поступающего от вторичных обмоток сериесного дросселя ДС через сопротивление В, феррорезонанснан цепь ведет себя следующим образом: увеличение тока вызывает увеличение напряжения на конденсаторе и почти не изменяет напряжение на насыщенном дросселе ДФ. Поэтому общее напряжение на ферро-резонансной цепи, а значит й на первичной обмотке трансформатора ВТ, уменьшается (так как из прежнего по величине напряжения на дросселе ДФ вычитается возросшее напряжение на конденсаторе С). При уменьшении тока, поступающего от сериесного дросселя ДС, напряжение на феррорезонансной цепи, наоборот, возрастает.
Действие стабилизатора тока дуги. Зная особенности цепи управления, рассмотрим, как происходит стабилизация тока дуги. Предположим, что ток дуги немного увеличился, например, потому, что уменьшилось сопротивление дуги. При этом увеличился ток на входе главного селенового выпрямителя, а поэтому увеличилось напряжение во вторичных обмотках сериесного дросселя ДС. Это вызвало увеличение тока через сопротивление В и через феррорезонансную цепь. При увеличении тока индуктивное сопротивление насыщенного дрос-
31 Электротехника Щ
селя ДФ уменьшилось, приблизившись по величине к сопротивлению конденсатора С. Соответственно напряжения ва дросселе и конденсаторе по величине также станут близки друг к другу; так как по фазе они взаимно противоположны, то общее напряжение U уменьшится. Поэтому уменьшится напряжение на трансформаторе ВТ, а следовательно, уменьшится ток подмагничивания в обмотке MN дросселя насыщения. Индуктивное сопротивление дросселя насыщения ДН увеличится, что воспрепятствует дальнейшему увеличению тока в главной цепи.
Теперь предположим, что ток дуги начал уменьшаться. Тогда уменьшится напряжение вторичных обмоток сериесного дросселя, уменьшится и ток через феррорезонансную пень. Сопротивление насыщенного дросселя стало больше сопротивления конденсатора. Поэтому увеличилась разница между напряжениями на конденсаторе С и на насыщенном дросселе ДФ. Соответственно увеличилось напряжение U на трансформаторе вспомогательного выпрямителя и увеличился ток подмагничивания обмотки Л/А' дросселя насыщения. При этом сопротивление дросселя перемен ному току уменьшилось, что воспрепятствовало дальнейшему уменьшению тока главного выпрямителя.
Таким образом, управляющая цепь всегда срабатывает так, что изменение индуктивного сопротивления дросселя насыщения препятствует отклонению тока дуги от установленного значения.
Величину тока дуги, при которой начинает работать фер-рорезонансная цепь, можно регулировать с помощью отводов обмотки дросселя ДФ и переключателя П, одновременно изменяющего величину сопротивления R.
Т <> х и и ч о с к и с д я и и ы о В С-60-А
Напряжение шиающей сети..................... 220/380в
Ток сети.................................... 20/12 а
Наибольшая мощность, потребляемая от сети ... 5 кет
Коэфициепт полезного действия............... 55%
Коэфициент мощности (cos tp) . ............. 0,55
Номинальное напряжение на выходе............ 40 в
Номинальный ток на выходе................... 60 а
На. рис. 484 слева показаны внешние характеристики ВС-60-А для стабилизированных токов 55 а (9-я ступень), 60 а (11-я ступень) и 65 а (13-я ступень), из которых видно, что при изменении длины дуги от 4 до 10 мм ток дуги меняется на z±:2-:-3%. На рис. 484 справа даны характеристики стабилизации тока на разных ступенях при изменениях напряжения сети от —20% до +10% от номинального значения.
Величину стабилизированного тока можно установить но -желанию в пределах от 40 до 65 а с интервалом в 2—3 а. Есе .482
устройства около 400 кг. Размеры: высота 1470 мм, ширина 740 мм и глубина 440 мм (рис. 485).
Применение ВС-60-А обеспечивает хорошее постоянство-освещенности экрана в кинотеатре, уменьшает расход электроэнергии (так как к. п. д. ВС-60-А равен 55 %, а при использовании ртутных выпрямителей с балластным реостатом к. п. д. равен 30%). Ток в момент зажигания углей увеличивается незначительно (до 75 й). ВС-60-А в обслуживании проще ртутных выпрямителей и двигатель-генераторов.
Рис. 484. Внешние характеристики ВС.-1Ю-А
Включение и обслуживание устройств ВС-60-А. 11 рп эксплуатации селеновых выпрямителей необходимо соблюдать следующие правила: правильно ставить перемычки для подключения к сети (в соответствии с заводской инструкцией); после транспортировки и монтажа устройство нельзя включать вхолостую на полное напряжение сети, так как селеновые выпрямители, бывшие в бездействии, могут расформоваться.
Первое включение производится в следующем порядке:
1) переключатель тока устанавливается в крайнее левое положение — на ток 40 а;
2) к выходным зажимам присоединяется дуга, и угли замыкаются накоротко (следует помнить, что выпрямители ВС-60-А не боятся короткого замыкания);
3) параллельно углям включается вольтметр на 100—120 е;
4) выпрямитель подключается к сети;
5) после включения угли слегка разводятся так, чтобы напряжение на выходе было 20—25 в. В таком режиме выпрямитель должен проработать 30—60 мин., при этом формуются выпрямительные шайбы. Затем угли разводятся так, чтобы напряжение повысилось до 30 в, через 5 мин. До 35, 40, 45 и 50 в. После этого формовка заканчивается, и устройсию гоюво
31 * 4Н.Ч
I-
Рис. 485. Внешний вид устройства ВС-60-А
к работе. Формовка производится только после длительного бездействия.
Выпрямитель должен быть установлен так, чтобы снизу к нему был свободный доступ охлаждающего воздуха, а вблизи и сверху ие было других устройств, нагревающихся или затрудняющих выход нагретого воздуха. Повышение температуры выпрямительных столбов выше 70° резко сокращает срок службы селеновых выпрямителей. Дверцы шкафа во время работы должны быть закрыты, так как это создает хорошую тягу охлаждающего воздуха снизу, где расположены выпрямительные шайбы.
Измерение температуры шайб можно производить термометром, который вводится нижним концом между двумя дисками и должен слегка прижиматься к испытуемому диску на половине высоты от шпильки. Если температура окружающего воздуха (в летнее время) выше+35°С, следует применить искусственную вентиляцию помещения аппаратной. Выпрямитель не следует оставлять длительно включенным в режиме холостого хода.
Один раз в месяц нужно сухой чистой тряпкой вычищать пыль из выпрямителя или выдувать ее мехом и подтягивать все зажимы на щитках трансформатора.
По конструкции и схеме устройство ВС-60-А точно такое же, как и ВС-65, и отличается от него лишь меньшим номинальным током (60 а вместо 65 а) и тем, что стабилизация тока дуги не зависит от порядка включения фаз на входных зажимах (благодаря изменению данных вторичных обмоток сериес-дросселя ДС).
Выпрямительное устройство типа ТКД-45/65. Выпрямительное устройство ТКД-45/65 предназначено для питания дуговой лампы кинопроекторов СКП-26 и КПТ-1' выпрямленным током до 65 а при напряжении 35—45 в. Устройство рассчитано на подключение к сети трехфазного тока с номинальным напряжением 220 в или 380 в и частотой 50 гц. Принципиальная схема ТКД-45/65 показана на рис. 486.
Включение устройства осуществляется рубильником 1. Первичная обмотка трехфазного трансформатора 10 включается 484
380 в
220 0
Рпе, 486, Схема устройства ТКД-45/65:
1 — рубильник; 2 — предохранитель;
3 — зажимы первичных обмоток; 4 — сигнальная лампа; 5 — ступенчатый регулятор напряжения; 6 - вольтметр;
1 - балластный дроссель; 8 — селеновый выпрямитель; »—амперметр;
10 — трехфавиый трансформатор
звездой (при питании от сети с номинальным напряжением .380 в) или треугольником (при питании от сети с номинальным напряжением 220 е). Обмотка снабжена выводами для работы при повышенном или пониженном напряжении сети в пределах от+10 до—15% (в первом случае напряжение подается на большее число витков, а во втором— на меньшее число витков). Вторичная обмотка включена треугольником и имеет одиннадцать регулировочных отводов; с помощью ступенчатого регулятора 5 можно регулировать напряжение, подводимое к селеновому выпрямителю, и тем самым регулировать ток дуги. Переменный ток подастся к селеновому выпрямителю через балластный дроссель 7, который необходим для устойчивого горения дуги.
Селеновый выпрямитель 8 собран по схеме Ларионова из выпрямительных пластин квадратной формы размером 300 X хЗООлг.и. Каждое плечо состоит из пяти последовательно соединенных пластин.
Для контроля режима работы в цепи дуги включен амперметр 9. Напряжение вторичной обмотки измеряется вольтметром 6. При работе с устройством нужно следить за тем, чтобы напряжение, измеряемое вольтметром 6, не превышало 90 в, так как при более высоком напряжении и отключен
ной дуге (на холостом ходу) может произойти пробой селенового выпрямителя.
Конструктивно устройство выполнено в виде шкафа (рис. 487) с наклонной верхней панелью, на которой расположены вольтметр, амперметр, сигнальная лампа и предохранители.
На передней панели находятся рукоятки: рубильника (справа) и ступенчатого регулятора напряжения (в середине). Регулятор напряжения устроен так, что один оборот рукоятки соответствует одной ступени изменения напряжения, например
.'2 Электротехника
c 5-й па 6-ю, с 6-й па 7-ю и т. д. Над рукояткой расположена шкала и поворотный указатель ступени регулировки.
Коэфициент полезного действия устройства в среднем равен 0,6, коэфициент мощности (),(>-:-0,7. По сравнению с выпрямителем ВС-60-А устройство ТКД-45/65 дает менее стабильный ток
Рис. 487. Устройство ТКД-45/65:
1 — панель подключения; 2- ступенчатый регулятор; з — вольтметр; 4 — амперметр; 5 •— сигнальная лампа;
6 — балластный дроссель; 7 — понижающий трансформатор;
8 — селеновые выпрямительные пластины
дуги при колебаниях расстояния между углями и не стабилизирует ток при колебаниях напряжения сети.
Устройство ТКД-45/55 имеет точно такую же схему и конструкцию и отличается меньшим номинальным током дуги (55 я) и размером пластин, из которых собран выпрямитель.
§ 8. МЕДНОЗАКИСНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Устройство. Кроме селеновых, существует другой вид полупроводниковых выпрямителей— меднозакисные. Отдельный элемент меднозакисного выпрямителя устроен следующим образом (рис. 488): на одной из поверхностей шайбы из красной меди при высокой температуре образуется слой закиси меди. С слоем закиси меди контактирует свинцовая шайба. С помощью изолированного болта и изоляционных шайб выпрямительный элемент крепко сжимается. Запирающий слой находится между медью и закисью меди (закись меди является полупроводником).
Меднозакисный элемент обладает свойством хорошо проводить ток в направлении от закиси меди к меди и плохо — в обратном направлении. Меднозакисные выпрямители соби
486
раются из нескольких отдельных элементов по тем же схемам, как и селеновые выпрямители.
Технические свойства. Меднозакисные выпрямители но своим техническим показателям уступают селеновым. Допустимая температура нагрева для меднозакисных выпрямителей
Рис. 488. Устройство меднозакисного выпрямителя:
1 — медь; 2 — запись меди;
3 — свинцовая шайба; 4—токоотводящая металлическая пластина; Я — изоляционная шайба; в — болт;
7 — изоляция болта
Обратное направление тока
равна всего 45°. Поэтому допустимая плотность тока в прямом направлении для них равна примерно 0,025 а/сл8, т. е. в два раза меньше, чем для селеновых. Обратное напряжение на элемент допускается около 6—8 в (т. е. приблизительно в 2 раза ниже, чем у селеновых); срок службы — до 25 (XX) час. и больше.
Рис. 489. Конструкция меднозакисного выпрямителя:
I — выпрямительная шайба; 8 — свинцовая шайба; .7 — металлическая шайба; 4 — раднатерные пластины; 3 — изоляционная шайба
Меднозакисные выпрямители не расформовываются. Коэфициент полезного действия может быть от 50 до 70%. Основным недостатком меднозакисных выпрямителей является низкая допустимая рабочая температура. Если температура окружающего воздуха равна 30-4-35°, то перегрев может быть не более 15-5-10°.
Для улучшения условий охлаждения меднозакисные выпрямители при сборке снабжаются радиаторными пластинами с большой поверхностью (рис, 489), По весу и размерам медыоза
32* 487
писиые выпрямители больше селеновых при одинаковой мощности. Чаще всего меднозакисные выпрямители собираются по однофазной мостовой схеме. Их применяют для зарядки аккумуляторов, в измерительных приборах, в устройствах железнодорожной сигнализации обычно там, где требуются низковольтные выпрямители небольшой мощности. Для питания дуги кинопроекторов меднозакисные выпрямители применяются редко.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ XIX
1. Какое назначение' имеют выпрямители?
2. Какие приборы называются электрическими вентилями?
3. Объясните действие одпополупериодного выпрямителя с кенотроном.
4. Нарисуйте схему и объясните действие двухполупериодного выпрямителя.
5. Для чего применяются фильтры? Объясните сглаживающее действие дросселя.
6. Как устроена однофазная ртутная выпрямительная колба?
7. Как осуществляется зажигание ртутной колбы?
8. Какое явление называют автоэлектронной эмиссией?
9. Объясните назначение цепи независимого возбуждения.
10. Каковы технические свойства ртутных выпрямителей?
11. Как устроена трехфазная ртутная колба?
12. Объясните назначение анодных дросселей и дросселей в цени катода.
13. Как происходит трехфазное выпрямление?
14. Расскажите правила обращения с ртутными выпрямителями.
15. Как устроена селеновая выпрямительная шайба?
16. Какими техническими свойствами обладают селеновые выпрямители?
17. Почему нельзя перегружать селеновые выпрямители? Какую рабочую температуру они допускают?
18. Объясните действие однофазной мостовой схемы выпрямителя.
19. Начертите схему Ларионова. В чем ее достоинства?
20. Как устроен выпрямительный столб с селеновыми шайбами?
21. Как устроен дроссель насыщения?
22. Какими свойствами обладает дроссель насыщения?
23. Дли каких целей применяют дроссели насыщения?
24. Для чего применяется выпрямительное устройство ВС-60-А?
25. Расскажите, какое назначение имеют отдельные элементы схемы ВС-60-А.
26. Как происходит стабилизация тока дуги?
27. Какие технические данные имеет устройство ВС-60-А?
28. Объясните устройство и принцип действия ТКД-45/65.
29. Как устроен меднозакисный выпрямитель?
30. Какими техническими свойствами обладают меднозакисные выпрямители? Сравните их с селеновыми выпрямителями.
Г.1 tt в <t л л
ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ КИНОТЕАТРОВ
§ 1. ТЕМПИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Назначение темнителей света. При резких изменениях освещенности глаз человека не сразу приспосабливается к новым условиям. Если перед началом демонстрации кинофильма зрительный зал сразу полностью затемнить, то начало фильма будет плохо различимо, так как глаза зрителей смогут приспо- обиться к новым условиям освещения лишь через’ 30—40 сек. Включение полного света в зале после окончания демонстрации фильма также недопустимо, так как вызывает неприятное, даже болезненное ощущение в глазах. Поэтому в кинотеатрах применяют устройства, позволяющие постепенно изменять освещение зрительного зала перед началом киносеанса и после его окончания. Эти устройства называются темнителями с пета. С помощью темнителей спета напряжение, подводимое к осветительным лампам, может быть в течение 20—ЗОсек. постепенно увеличено от 10-ь 15% до 100% или уменьшено от 100% до 10-ь15%. Для этой цели обычно последовательно с лампами включается сопротивление, величину которого можно регулировать в достаточно широких пределах.
Реостатный темнитель света. Основными элементами реостатного темнителя света (рис. 490) являются трехфазный реостат, включаемый последовательно с лампамп зрительного зала, и механизм для постепенного автоматического изменения величины его сопротивления. При вращении червячного винта 7 гайка М вместе с тройным движком Д перемещается из положения «Светло» в положение <<Темпо» При этом величины сопротивлений, включенных последовательно с лампами зрительного зала, изменяются таким образом, что напряжение па лампах регулируется от 100% до 0-ь15% напряжения сети.
Червячный винт приводится во вращение электродвигателем с помощью редуктора из шестерен Ш. Движок реостата перемещается из одного крайнего положения в другое за 25-ь30 сек.
Для управления темнителем служит перекидной рубильник ПР-1. Конечные выключатели КВ-1 и КВ-2 отключают двигатель в крайних положениях гайки М. Контакты каждого из конечных выключателей включены последовательно в два
489
провода, идущих к двигателю. Когда ганка М доходит до крайнего положения, упоры У нажимают на кнопки копенных выключателей, и их контакты размыкаются.
Переключателем ПР-2 можно переключать питание ламп зрительного зала через темнитель пли непосредственно от
Рис. 490. Реостатный темнитель света:
1 — электродвигатель; 2 — лампы зрительного зала; 3 — пружины конечных выключателей
сети. Рассмотрим действие темнителя. Пусть сначала переключатель ПР-1 находится в положении «Светло», а переключатель ПР-2 — в положении «От темнителя». При этом гайка М находится в крайнем положении «Светло», упоры У нажимают на конечный выключатель КВ-1, цепь двигателя разомкнута, и он не вращается. Сопротивление реостата равно нулю, лампы зрительного зала имеют полный накал. Перед началом кино-
490
Рис. 491. Иаменонио накала ламп с помощью дросселя насыщения
проекции переключатель ПР-1 переводится в положение «Темно». К электродвигателю через конечные выключатели КВ-2 подводится ток, и движок реостата постепенно начинает перемещаться в положение «Темно». Сопротивление реостата увеличивается, что вызывает уменьшение накала ламп зрительного зала. Когда гайка М достигает положения «Темно», движок полностью разрывает цепи питания ламп, упоры У нажимают на кнопки конечного выключателя КВ-2, цепи питания электродвигателя разрываются, и он останавливается.
По окончании киносеанса переключатель ПР-1 переводится в положение «Светло». При этом к двигателю подводится ток через замкнутые контакты КВ-1. Вращение двигателя происходит в обратном направлении, так как меняются местами два провода, по которым ток поступает в двигатель. Гайка М теперь движется в положение «Светло», сопротивление реостата уменьшается, а накал ламп зрительного зала постепенно увеличивается.
Когда гайка М достигает положения «Светло», упоры нажимают на кнопки конечного выключателя КВ-1, и двигатель вновь отключается.
Реостатные темнители имеют ряд недостатков: 1) искрение и обгорание контактов; 2) необходимость в постоянном уходе (смазка передачи двигателя, чистка и
при звуковоспроизведении (искрение); 4) шум во время работы.
Использование дросселей насыщения. Для постепенного изменения напряжения на лампах зрительного зала можно применить дроссели насыщения. Обмотки переменного тока дросселя насыщения включаются последовательно с лампами зрительного зала, а управление дросселем осуществляется изменением его тока подмагничивания, проходящего до обмотке постоянного тока (рис. 491). Если ток в обмотке подмагничивания велик, то сердечник дросселя сильно насыщен, и индуктивное сопротивление дросселя переменному току невелико. Поэтому напряжение на лампах будет мало отличаться от напряжения сети. При постепенном уменьшении тока подмагничивания сопротивление дросселя переменному току будет
замена контактов): 3) помехи
увеличиваться, а напряженно ла лампах зрительного зала будет снижаться. Когда ток подмагничивания станет равным нулю, то индуктивное сопротивление дросселя окажется настолько большим, что накал нитей ламп зрительного зала будет совершенно не виден. При постепенном увеличения тока
Лампы зрительного зала
НО в Сеть 1278 1206 Сет 2208
Рис. 492. Схема темнителя' ТС-5
подмагничивания напряжение на лампах зрительного зала начнет увеличиваться, т. е. процесс произойдет в обратном направлении.
Применение дросселя насыщения выгодное применения реостатных темнителей, так как в цепи ламп нет подвижных искрящих и обгорающих контактов. Цепь управления постоянным током подмагничивания мала по мощности, и поэтому автоматическое управление подмагничиванием можно осуществить простыми и удобными в эксплуатации методами.
Темнитель света ТС-5. Темнитель ТС-5 (рис. 492) предназначен для плавного регулирования освещения зрительного
492
зала кинотеатров. Он рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока с номинальным напряжением 127 в или 220 в с нулем. Суммарная мощность подключаемых к темнителю ламп от 2 до 5 кет. Время затемнения составляет около 35 сек., а время зажигания света 15 сек. Основные элементы темнителя:
1) главный трехфазный дроссель нас ы-щ е н и я ДН-3;
2) два магнитных усилителя: первый магнитный усилитель состоит из однофазного дросселя насыщения ДН-5 и селенового выпрямителя СС-181; второй — из однофазного дросселя насыщения ДН-4, селенового выпрямителя СС-179 и конденсатора С;
3) управляющая система, которая называется тепл о-вым мостом;
4) вспомогательный выпрямитель СС-180 и сопротивление для питания обмотки размагничивания тп.
Обмотки переменного тока дросселя насыщения ДН-3 включаются последовательно в цепь ламп зрительного зала. ДН-3 имеет две обмотки подмагничивания — управляющую обмотку MN и вспомогательную тп. Вспомогательная обмотка тп включена встречно управляющей обмотке и служит для того, чтобы скомпенсировать начальный ток, проходящий в управляющей обмотке. Регулирование напряжения на лампах происходит при изменении тока в обмотке подмагничивания MN. Ток поступает от селенового выпрямителя СС-179. Выпрямитель СС-179 питается от зажимов /—2 трансформатора ТР-219 через обмотку переменного тока однофазного дросселя насыщения ДН-4. Подмагничивание дросселя ДН-4 осуществляется от селенового выпрямителя СС-181, на вход которого переменное напряжение подводится от зажимов 4—6 вторичной обмотки трансформатора ТР-219 через обмотку переменного тока дросселя насыщения ДН-5. Дроссели насыщения ДН-5 и ДН-4 совместно с выпрямителями СС-179 и СС-181 являются двумя каскадами магнитного усиления управля ю-щ е г о сигнала, поступающего в обмотку подмагничивания дросселя ДН-5. При увеличении тока подмагничивания дросселя ДН-5 увеличивается ток, проходящий через обмотку переменного тока, поэтому больший ток проходит и через селеновый выпрямитель СС-181. Это вызывает увеличение тока подмагничивания дросселя ДН-4, следовательно, увеличивается ток, проходящий через выпрямитель СС-179, и сильнее подмагничивается трехфазный дроссель насыщения ДН-3, что право* дит к увеличению напряжения на лампах зрительного зала.
Обмотка подмагничивания дросселя ДН-3 потребляет мощность около 90 вт, тогда как обмотка подмагничивания Дросселя ДН-4—2,5 вт. Мощность, потребляемая обмоткой ПОДОМ
1
гипчивания дросселя ДН-5, еще мешано — около 0,3 вт. . В обмотку подмагничивания ДП-5 управляющий сигнал поступает от теплового моста. Тепловой мост состоит из сопротивлений /ij и Л2, к которым подается напряжение постоянного тока от выпрямителя СС-178; другими плечами моста являются две половины вторичной обмотки трансформатора ТР-219. Между средней точкой обмотки ТР-219 и сопротивлением R± включена обмотка подмагничивания дросселя ДН-5. Сопротивлении Rt , и Т?2 изготовлены из хромированной железной проволоки, навитой в виде четырех спиралей, равных друг другу по размерам и сопротивлениям. Через сопротивление 7?а, кроме постоянного тока, может протекать переменный ток от обмотки
Рис. 493. Упрощенная схема теплового моста
J
автотрансформатора АТ-2, если его включить с помощью выклю- i чатоля Я. При этом сопротивление R2 будет постепенно уве- \ личиваться, так как железная проволока имеет сравнительно большой коэфициент теплового изменения сопротивления.
Действие теплового моста можно объяснял I. с помощью упрощенной схемы (рис. 493). Предположим, что мгновенное значение напряжения обмотки ТР-219 таково, что точка 6 имеет положительный потенциал, а точка 4 —отрицательный. Тогда будут работать плечи 1 и 2 выпрямителя СС-178. Если сопротивления Rr и ft, равны друг другу, то напряжение на них разделится поровну (сопротивлением обмотки автотрансформатора постоянному току можно пренебречь). Поэтому потенциал точки б будет равен потенциалу средней точки б трансформатора, и постоянный ток через обмотку подмагничивания MN не потечет — регулирующий сигнал будет равен нулю. Следовательно, у дросселей насыщения ДН-5, ДН-4 и ДН-3 ток подмагничивания будет минимальным. Сопротивление дросселя ДН-3 будет велико, и нити ламп зрительного зала будут иметь минимальный накал.
494
Если включить выключатель К, то с постепенным увеличением сопротивления /?2 напряжение постоянного тока между точками бв будет постепенно увеличиваться. Появится и будет постепенно увеличиваться разность потенциалов па зажимах обмотки MN подмагничивания дросселя ДН-5, а поэтому начнут постепенно увеличиваться и токи подмагничивания дросселей ДП-4 и ДН-3. Процесс увеличения токов подмагничивания будет происходить до тех пор, пока не установится тепловой режим сопротивления Т?2> т- в. около 40-г-60 сек. Вместе с увеличением тока подмагничивании ДН-3 начнет
станет светло. Если выключатель К разомкнуть, то начнет постепенно остывать, а величины
Рис. 494. Внешний вид темнителя
увеличиваться накал ламп зрительного зала и в зале постепенно сопротивление Т?2
сопротивлений Rt н — выравниваться по величине. При этом ток в обмотке подмагничивания ДН-5 начнет уменьшаться. Это вызовет уменьшение токов подмагничивания остальных дросселей насыщения, и поэтому накал ламп зрительного зала также будет уменьшаться, и в зале постепенно станет темно.
Управление темнителем
чрезвычайно простое и сводится к включению или выключению выключателя К. Темнитель не имеет изнашивающихся деталей, не создает шума при работе и пе нуждается в смазке.
При эксплуатации т е м пи г е л я следует н а г рузки р а с п р е д о л и т ь равномерно на фазы дросселя п а с ы щ о и и я ДН-3. Особенно это важно при работе темнителя от сети с нулевым проводом и соединении ламп звездой. Общий вид темнителя ТС-5 показан на рис. 494. Вес темнителя 150 кг; размеры: длина 760 мм, высота 400 мм, глубина 430 мм.
§ 2. ЛЕБЕДКА ЗАНАВЕСА ЭКРАНА
Для защиты киноэкрана от пыли применяются зппапесы, которые открываются только на время сеанса. Занавес открывают и закрывают с помощью электрической лебедки, расположенной у экрана и управляемой из кинопроекционной.
Основными частями лебедки являются: барабан, который приводится во вращение с помощью электрического диигателя через редуктор, состоящий из нескольких шестерен (рис. 495); система пуска и выключения двигателя лебедки (рис. 496).
495
Вал барабана снизан с червячным винтом, ндо/л. которого может перемещаться гайка с, укрепленными на ней упорами У, служащими для размыкания контактов конечных выключателей КВ-1 и КВ-2. (3 помощью конечных выключателей, так же как в реостатном темнителе, осуществляется автоматпче-
Рпс. 495. Устройство лебедки занавеса
Рис. 496. Схема управления двигателем лебедки
ское отключение электродвигателя лебедки. Барабан лебедки
охватывается несколько раз тросом, связанным с занавесом. Полотнища занавеса в точках а и б прикреплены к тросу, а в точках виз закреплены неподвижно. Занавес подвешивается
на кольцах, свободно скользящих по направляющему тросу тр.
При вращении лебедки трос тянет занавес,
и точки а и б либо
движутся друг от друга (открытие занавеса), либо друг к другу
496
(закрытие занавеса) в зависимости от направления вращения двигателя. Трехфазный асинхронный двигатель подключается к cent с помощью перекидного рубильника или специального кнопочного пускателя, находящегося в кинопроекционной. Один провод подключается непосредственно к двигателю, а два других провода подключаются через контакты конечных выключателей КВ-1 и КВ-2. Диаметр барабана, редуктор и шаг червячной передачи подобраны так, чтобы перемещение гайки от одного крайнего положения до другого происходило за
Щели для выхода троса
Картер Электродвигатель
Рис. 497. Внешний вид лебедки занавеса экрана типа ЛПЗ-1
такое число оборотов барабана, которое необходимо, чтобы занавес открылся или закрылся. Установка момента срабатывания конечных выключателей осуществляется перемещенном положений конечных выключателей или изменением длины упоров У. Иногда двигатель лебедки включается одновременно с темнителем, и открытие занавеса происходит одновременно с затемнением света. Специальные электрические лебедки применяют также для подъема и опускания экрана в тех случаях, когда вместо киносеанса проводятся другие мероприятия и необходимо освободить сцену. По такой принципиальной схеме выполнена лебедка занавеса экрана типа ЛПЗ-1, выпускаемая кинопромышленностью. Внешний пид этой лебедки показан на рис. 497.
§ В. ЭЛЕКТРОСИЛОВЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ. УСТРОЙСТВА
Назначение распределительных устройств. Распределительные устройства предназначаются для включения и защиты линий питания кинопроекционной и звуковоспроизводящей аппаратуры и вспомогательного электрооборудования, упра вляемого из кинопроекционной. Распределительные устрой ства содержат рубильники, выключатели, предохранители и измерительные приборы и выполняются в виде щита или спи-
407
циального шкафа. С помощью распределительных устройств производится переключение при авариях, когда необходимо быстро заменить вышедшую из строя аппаратуру (например, проектор) запасной, резервной.
Распределительное устройство РУ-65-А. В комплект электросилового оборудования кинопроекционной входят:
1) одно распределительное устройство РУ-65-А;
2) два (или три) стабилизированных выпрямительных устройства для питания дуги кинопроектора типа ВС-60-А или ВС-65. Если комплект содержит три выпрямительных устройства ВС-60-А, то два из них — рабочие, а третье — резервное;
3) один темнитель света тина ТС-5.
Распределительное устройство РУ-65-А рассчитано на подключение к трехфазной сети переменного тока с поминальным напряжением 220 в или 380 в с нулевым проводом. Схема его показана на рис. 498, а внешний вид вместе с установленным сверху темнителем ТС-5 — на рис. 499.
В устройстве имеются:
1) трехфазный перекидной рубильник П-1, с помощью которого можно осуществить витание от силового ввода электроэнергии при нормальной работе или от осветительного ввода при аварии силового ввода;
2) трехфазный перекидной переключатель П-2, служащий для включения или выключения линий освещения зрительного зала. При работе с темнителем света переключатель П-2 устанавливается в нижнее положение, а включение или выключение темнителя производится трехфазным рубильником, имеющимся в ТС-5. Трехфазный дроссель насыщения можно подключать только одновременно ко всем трем фазам;
3) перекидные переключатели П-3, П-4, П-5, П-6 и П-7, позволяющие производить быстрые переключения любого из двух или трех выпрямителей ВС-60-Л па любой из проекторов;
4) три трехфазных контактора К-1, К-2 и К-3 для дистанционного включения выпрямителей (контактором называется устройство для включения или выключения цепи с помощью электромагнита). Управление контакторами производится с помощью выключателей В-1, В-2 и В-3, установленных на проекторах. Этими выключателями можно включать или выключать ток в обмотках электромагнитов контакторов. При включении тока якорь электромагнита притягивается и контакты (на схеме они обозначены двумя жирными черточками в каждой фазе) замыкаются;
5) вольтметр для контроля напряжения;
6) предохранители (трубчатые), защищающие все цепи ввода и цепи питания приемников кинопроекционной.
К устройству РУ-65 подключаются: три выпрямителя ВС-60-А; дуговые лампы и электродвигатели трех стационар-
498
» . - .. е Осветительный Силобои Обод gi„j
| I | ♦ Г ^Корпус
ши Сеть 3*220В с нулем,НагрузкаЗЗЗ О На нуль
№ Выход темнителя
Сима Включения на 220 0 без пум
Симбой Мод Осветительный Мод
Сеть 3*220 0 дез пум Сеть 3*330 S с нулем, Нагрузка 220а
Нагрузка 220 0 < " —-----------------------
0 э| . „ —Ж g гПп-2 *
вылрагштеяя
19 'gl
• Моторы проектора!
НТ] ifH-b.i 1-Ш]
t i Hi Hi
H-1 H-2 N-3
ю гз' >,} го
Н it i i
N-2 N-l Усилители
» t
tf-/ N-2 N-3
Моторы
H клеммам моторов 0 калон-trai, проекторов
х На Сход темнителя
п-г
йамулъ\
Схема включения на 380 6 CHjPl&f Силовой ввод Осветительный Ш)
Чг з|»sb
Рис. 498. Схема распределительного устройства РУ-65-А
R0§
’бы гЯгг
пых проекторов; два усилительных устройства; лампы освещении зрительного зала непосредственно или через темнитель енота; электродвигатель лебедки занавеса; лампы дежурного освещения; противопожарные автозаслонки.
Внутреннее размещение предохранителей, контакторов и перекидных рубильников можно видеть на рис. 499, где РУ-65-А представлен с открытыми передними дверцами.
Устройство контакторов. Контактор (рис. 500) состоит из электромагнита и системы подвижных и неподвижных контактов, которые закрыты специальными искрогасительными
j
4
1’пс. 'jDO. Распределительное устройство РУ-65-А
Л — панель уiipaujieiiин; -— руi .-<>>i гн.-i iiepeii.iiiu'iuTcjin П-1; 3 — ру-ноятпа переключателя 11-2; 4 — рукоятка переключатели Н-.Ч; я — рукоятка переключателя П-4; 6 — панель с переключателями 11-5, 11-я, П-7; 7 — контакторы К-1, К-2 К-3; 8 — панель с предохранителями;
9 — панель запасных частей
камерами. Вся система крепится на панели из изоляционного материала. Электромагнит (рис. 501) представляет собой сердечник Ш-образной формы, на среднем стержне которого |
помещается обмотка. Сердечник состоит из двух частей — J неподвижной и подвижной (якоря). Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник собирается из отдельных тонких листов трансформаторной стали. Якорь укреплен на рычаге и при наличии тока в катушке притягивается к сердечнику, поворачивая при этом вал с укрепленными на нем подвижными контактами.
Для того чтобы в притянутом положении якорь не вибрировал, часть поперечного сечения сердечника охвачена коротко- :
500
замкнутым витком. Магнитный поток, проходящий через сечение сердечника, делится на две части, которые не одновременно проходят через нулевое значение, так как они сдвинуты по фазе благодаря короткозамкнутому витку. Действие короткозамкнутого витка объясняется тем, что в нем индукти-
Рис. 501. Электромагнит контактора:
1 - обмотка; 2 — подвижный сердечник (якорь); 3 — рычаг; 4 — вал;
S — неподвижный сердечник;
6 — короткозамкнутый виток
Рис. 500. Устройство контактора:
1 — неподвижный контакт;
2 — подвижный контакт;
3 — искрогасительные камеры;
4 — вал; 5 — токоподводящий гибкий проводник
Рис. 502. Устройство контактов:
J — неподвижный контакт;
2 — подвижный контакт;
3 — пружина; 4 — вал;
з — токоподводящий гибкий проводник
руется ток, который создает свое магнитное поле, накладывающееся на основное магнитное поле в части сердечника, охваченной витком. Устройство контактов показано на рис. 502. Когда вал поворачивается, то подвижные контакты приходят в соприкосновение с неподвижными. При этом пружины сжимаются и сильно прижимают подвижные контакты к неподвижным.
Широко применяются также контакторы о нортикнл!.-ным перемощением якоря. П атом случае шесть нонодкшк-ных контактен (три С0Т01И.1Х я три пагруиочию) непарно нори-
33 Электротехника
мыкаются тремя подвижными контактными мостиками, связанными. с якорем. Принцип работы магнитной системы таких контакторов не отличается от принципа работы магнитно/i системы контактора, показанного на рис. 500.
§ 4. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ ЗАСЛОНКИ
Автоматические противопожарные заслонки проекционных и смотровых окон типа АЗС применяются для падежной противопожарной изоляции зрительного зала от киноаппаратной при воспламенении фильма или авариях. Главной частью противопожарной заслонки (рис. 503, а) является плоская металлическая шторка 1, плотно перекрывающая при падении смотровое, или проекционное, окно 2. В обычном положении во время демонстрации фильма шторка удерживается от падения затцелкой 3, связанной с якорем 4 электромагнита 5. Электромагнит срабатывает, т. е. освобождает шторку, когда киномеханик нажимает кнопочный выключатель, находящийся в цепи электромагнита, или когда срабатывает специальное реле воспламенения фильма. Автозаслопка снабжается специальным автоматическим переключателем 6', который в момент падения шторки включает аварийное освещение в зрительном зале.
В кинотеатрах применяются автозаслонки типа АЗС-З-4 и АЗС-5-6, снабженные электромагнитами переменного тока, а в последние годы — наиболее совершенные автозаслонки АЗС-9-10 с электромагнитами постоянного тока. Принципиальная электрическая схема питания электромагнитов автозаслонок АЗС-З приведена на рис. 503, б. Включение электромагнитов Э производится нажимом на кнопки К, установленные около кинопроекторов, или осуществляется автоматически при сгорании полоски киноленты реле воспламенения фильма. Кнопка Я,, также служит для спуска автозаслонок и устанавливается у выхода нз киноаппаратной.
Недостатком автозаслоиок типа АЗС-З-4 является то, что они не срабатывают, если при аварии одновременно прекращается подача питающего тока. Этот недостаток устранен в автозаслонках АЗС-5-6, обмотки электромагнитов которых при нормальной работе находятся под током и шторка опускается при прекращении подачи тока.
Автозаслонки АЗС-9-10. На рис. 504 показан общий вид и электрическая схема включения автозаслонок АЗС-9 и АЗС-10, обмотки электромагнитов которых питаются постоянным током от электропитающего устройства ЭПУ-1 с селеновым выпрямителем. При питании обмоток электромагнитов постоянным током удается избежать гудения сердечников.
В комплект входят реле воспламенения фильма типа АВЗ-2.
Сеть переменного тока подается к входным зажимам ЭПУ-1 через автоматический переключатель Р на первичную обмотку
502
Рис. 503. Автозаслонка АЗС-З— а и электрическая схема включения обмоток электромагнитов — б
Рис. 504. Автозаслонки АЗС-9 и АЗС-10 и схема их включения:
1— корпус; г — зеркальное стекло; 9 — шторка; 4 — электромагнитная защелка; s — электромагнит; е — якорь; 7 — защелкивающийся выступ;
s — стержень; » — скоба; ю — козырек; и —кнопка; 14— рмиионый амортизатор
33*
трансформатора, от. вторичной обмотки которого питается соленовыii выпрямитель. Все катушки электромагнитных заслонок, а также кнопки и реле АВЗ-2 соединены между собой последовательно. Нажим на любую из кнопок ЛЗС-10 или перегорание полосок пленки роле воспламенения фильма ЛВЗ-2 разрывает цепь питания электромагнитов заслонок и ЭПУ-1. При этом шторки заслонок надают, ЭПУ-1 отключается от сети, и одновременно переключателем Р включается аварийное освещение зрительного зала.
Преимуществом автозаслонок АЗС-9 и АЗС-10 является также ежедневная автоматическая проверка работы автозаслонок. Устройство ЭПУ-1 включается поднятием рукоятки переключателя Р; заслонки открываются киномехаником от руки.
Все заслонки должны закрываться при выключении общего рубильника питания киноаппаратной.
§ 5. АККУМУЛЯТОРЫ
Общие сведения. Химические источники гона, которые сначала запасают электрическую энергию, превращая ее в химическую, а затем химическую энергию вновь превращают в электрическую, называются аккумуляторами.
Чтобы аккумулятор стал источником тока, его сначала нужно «зарядить», пропуская через него ток от какого-нибудь источника постоянного тока. После окончания процесса зарядки аккумулятор отключают. Заряженный аккумулятор является источником электроэнергии. Процесс отдачи электроэнергии аккумулятором называется разрядом аккумулятора. Количество энергии, которое может отдать аккумулятор, определяется его емкостью. После разряда аккумулятор нужно вновь зарядить. Поэтому аккумуляторы называют вторичными источниками постоянного тока. В кинотехнике аккумуляторы применяются для ннтания аварийного освещения в кинотеатрах. Существуют два вида аккумуляторов— кислотные и щелочные.
Устройство кислотных аккумуляторов. Кислотный аккумулятор представляет собой стеклянный или эбонитовый сосуд (рис. 505), наполненный 25 %-ным раствором серной кислоты, в который опущены две группы свинцовых пластин: группа положительных пластин и группа отрицательных пластин. Положительные пластины расположены между отрицательными, поэтому отрицательных пластин всегда на одну больше, чем положительных. Чтобы пластины не соприкасались, между ними проложены изоляционные дощечки, которые называются сепараторами. Пластины аккумулятора представляют собой решетки из свинца (рис. 506); ячейки решеток заполняются активной массой. У заряженного аккумулятора активной массой положительной пластины является перекись
504
свинца, а у отрицательной пластины активная масса представляет собой чистый губчатый свинец.
При разряде аккумулятора перекись свинца положительной пластины вступает в реакцию с серной кислотой и превращается в сернокислый свинец; кроме того,
а б
Рис. 505. Кислотный аккумулятор:
а — внешний вид кислотного аккумулятора; б — устройство кислотного аккумулятора
образуются молекулы воды. Губчатый свинец отрицательных пластин также превращается в сернокислый свинец. Таким образом, в конце разряда положительные и отрицательные
а б
Рис. 506. Пластины кислотного аккумулятора: а - положительная; б — отрицатвльми'!
пластины становятся близкими по химическому составу активной массы, и поэтому аккумулятор нарастит далее отдавать электрическую энергию. При заряда a N к у м у л я тора происходят обратимо реакции; сориоИНолый сиииец положительных пластин превращается вновь в царакись свинца, а сернокислый свинец отрицательных илаотрн прекращается в губчатый свинец. Аккумуляторные вламеиты для умаливания напряжения соединяются последовательно, g для унелнчаиХП отдаваемого тока — параллельно.
Технические свойства кислотных ХММуМулЯГНр(И1> ТЫНИЧО ские свойства аккумуляторов харахтарниуютий МйНрнннщиам,
емкостью, внутренним сопротивлением, коэфицяоятом отдачи и коэфициентом полезного действия.
Количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде в течение 10 час. при номинальной силе 'тока, называется емкостью аккуму л я т о р а. Емкость Q измеряется в ампер-часах, т. о. произведением силы тока Iраз в амперах на время разряда t. в часах:
Q ^па.г’
Отношение количества электричества, отданного при разряде, к количеству электричества, затраченному при заряде, называется коэфициентом отдачи аккумулятора.
Отношение электрической энергии, отданной при разряде, к энергии, затраченной при заряде, называется к о э ф и-
Рис. 507. Схема и кривая разряда аккумулятора
циентом полезного действия аккумулятора.
. Напряжение кислотного аккумулятора в среднем равно 2 в. Свежезаряженный аккумулятор имеет напряжение 2,2 в, по мере разряда оно уменьшается сначала довольно быстро до 2 в и затем медленно до 1,8 <>. На рис. .507 показаны схема разряда и кривая разряда аккумулятора, показывающая величину напряжения в зависимости от времени разряда. Аккумулятор можно разряжать до тех пор, пока его напряжение не уменьшится до 1,8 в. Разряжать аккумулятор до напряжения ниже 1,8 в нельзя, так как после этого его трудно, а иногда и невозможно зарядить. При заряде аккумулятора (рис. 508) напряжение на нем сначала быстро увеличивается с 1,8 до 2,2 в, затем медленно доходит до 2,3 е и в конце заряда напряжение довольно быстро повышается до 2,5—2,7 в. В конце заряда аккумулятора происходит бурное «кипение» (выделение пузырьков газов). Чтобы газы могли свободно выходить, пробки, которыми закрываются отверстия в крышках баков, должны быть при заряде вынуты.
506
Емкость аккумулятора зависит от нескольких величии:
прежде всего она зависит от числа пластин, их размеров и толщины слоя активной массы. На один квадратный дециметр рабочей поверхности приходится емкость около 6 а-ч при десятичасовом разряде нормальным током (около 0,6 а на каждый квадратный дециметр).
Емкость зависит от силы разрядного тока. При токе десятичасового разряда емкость принимается за 100%. Если ток в два раза больше номинального, то емкость аккумулятора снижается до 80%, а если в пять раз, то емкость уменьшается До 60%.
Емкость зависит от температуры электролита. Номинальную емкость аккумулятор имеет ври температуре +25°. При понижении температуры па 1" емкость уменьшается примерно на 1,1",,. Повышение температуры сверх -| 40" недопустимо. Нижний
Рис. 508. Схема и кривая заряда аккумулятора
предел температуры для кислотных аккумуляторов равен —20°. Емкость зависит от состава электролита, т. о. от качества и плотности раствора серной кислоты. Не допускается большое (более чем на 5 %) повышение и понижение процентного содержания серной кислоты. Посторонние примеси сильно снижают емкость. Поэтому для приготовления раствора и доливки допускается применение только дистиллированной воды. Бездействующий а к к у м у л я т о р и о с т е-пенно подвергается саморазряду, теряя в сутки около 2 % емкости. Поэтому даже б е з д е й с т в у тощий аккумулятор необходимо заряжать не реже одного раза в месяц. Саморазряд усиливается, если аккумулятор загрязнен. Поэтому аккумулятор следует содержать в чистоте.
Коэфициент отдачи кислотных аккумуляторов составляет около 85—90%, а коэфициент полезного действия 70%.
Внутреннее сопротивление кислотных аккумуляторов мало и измеряется сотыми долями ома.
507
Iвнутреннее сопротивление увеличивается при загрязнении аккумулятора и при так называемой с у л ь ф а т а ц и и, которая является одной из основных неисправностей кислотных аккумуляторов. Сульфатация заключается в тцм, что активная масс,а, главным образом отрицательных пластин, переходит в крупнозернистый серпокислый свинец. Причины, ускоряющие процесс сульфатации: короткие замыкания; разряды в саморазряды до напряжения ниже 1,8 в; содержание при температуре вышо40°ипри недостаточном уровне электролита. При сульфатации отрицательные пластины покрываются характерным белым налетом, а положительные вместо темно-коричневых становятся светлокоричневыми или желтоватыми. В результате сильной сульфатации аккумулятор приходит в полную негодность. Малую сульфатацию устраняют соскабливанием верхнего слоя сернокислого свинца и зарядкой аккумулятора малым током, причем аккумулятор должен быть залит слабым раствором серной кислоты.
Основные правила обращения с кислотными аккумуляторами следующие: аккумуляторы следует содержать в чистоте; капли электролита пли кислоты на наружной поверхности необходимо насухо вытирать чистой тряпкой; контакты + и — должны быть всегда слегка смазаны чистым вазелином, а металлические окпелы на них необходимо' немедленно удалять.
Необходимо следить за уровнем электролита и не допускать чрезмерного разряда или саморазряда аккумулятора во избежание сульфатации.
Аккумулятор нужно держать в заряженном состоянии. Заряд производится сначала током, численно равным емкости аккумулятора, деленной на время Z = 10 час. В конце заряда ток должен быть снижен на 25—30%. Аккумулятор необходимо заряжать полностью, признаком чего является сильное кипение и повышение напряжения до 2,(>—2,7 в на каждом из последовательно соединенных элементов.
Пробка во время заряда и в течение 3—4 час. после него должна быть открыта.
Приготовляя раствор серной кислоты, следует вливать кислоту в воду, но не наоборот. При попадании серной кислоты (электролита) на тело или одежду необходима немедленная промывка 3 %-н ы м раствором соды во избежание ожогов.
Аккумуляторы должны находиться в специальном, хорошо вентилирующемся помещении (аккумуляторной), в котором нельзя пользоваться огнем (спичками, зажженными папиросами и т. д.), так как это может привести к взрыву гремучего газа, выделяемого аккумуляторами. На зажимы аккумуляторов не должны попадать металлические предметы, так как
508
это может вызвать короткое замыкание, и аккумулятор выйдет из строя.
Щелочные аккумуляторы. Щелочной аккумулятор представляет собой сварной никелированный стальной сосуд прямоугольной формы (рис. 509), в который опущены положительные и отрицательные пластины. Электролитом является 21%-нып раствор едкого кали. Пластины выполняются в виде железных решеток с ячейками, заполненными активной массой (рис. 510). Активная масса положительных пластин заряженного аккумулятора состоит из гидрата окиси никеля, а у отрицательных пластин — из губчатого кадмия и железа.
Рис. 509. Щелочной аккумулятор
Гис. 510. Пластины щелочного аккумулятора
При разряде аккумулятора происходит частичное раскисление гидрата окиси никеля на положительной пластине и окисление железа и кадмия на отрицательной пластине.
При заряде аккумулятора происходят обратные реакции.
Щелочные аккумуляторы при разряде имеют напряжение в среднем 1,1 в. В начале разряда напряжение равно 1,3 в, затем оно быстро падает до 1,2 в и медленно доходит до 1 в. Аккумулятор можно разряжать до напряжения но ниже 1 в. При заряде аккумулятора напряжение сначала устанавливается в 1,6 в и постепенно повышается, достигая к концу заряда величины 1,8н-1,85 в.
Щелочные аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед кислотными: они не чувствительны к механическим толчкам и сотрясениям; при той же емкости они имеют меньший вес, чем кислотные, требуют меньшего ухода, саморазряд происходит очень медленно и не приводит к разрушению, как у кислот-иых. Недостатками щелочных аккумуляторов являются: большое внутреннее сопротивление (они поэтому менее чувствительны к коротким замыканиям, чем кислотные), малый
коэфициент полезного действия, который составляет всего 50— 55%, и вдвое большая их стоимость. Коэфициент отдачи щелочных аккумуляторов в среднем равен 0,7.
Емкость щелочных аккумуляторов, как и кислотных, зависит от размеров пластин, силы разрядного тока, от Качества (чистоты) электролита и от температуры.
При повышении температуры до 45° емкость аккумулятора уменьшается до 50%; при понижении температуры до —10-г-—20° емкость аккумулятора уменьшается до 65-н70%.
Ток заряда щелочных аккумуляторов должен быть численно равен его емкости, деленной на 4:
I =-? зар 4
Заряд нормально производится 6—7 час.
Номинальный ток разряда численно равен емкости аккумулятора, деленной на 8:
/ =Х
Р«з 8 '
При обслуживании щелочных аккумуляторов необходимо соблюдать такие же правила, как и при обслуживании кислотных аккумуляторов. Уровень электролита должен быть на 5—10 мм выше уровня пластин. Аккумуляторы можно доливать только питьевой или лучше дистиллированной водой.
Электролит составляется в пропорции 250 г едкого кали на 1 л воды. Приготовление электролита (растворение щелочи) можно производить только в железной, стеклянной или керамиковой посуде. При этом надо надевать резиновые перчатки и защитные очки.
Воспрещается пользоваться луженой, медной, свинцовой посудой, а также посудой, в которой разводилась серная кислота. В аккумулятор можно наливай» только остывший электролит с температурой не выше 25°. Если щелочь попадет на руки или одежду, необходимо ее смыть 2%-ным раствором борной кислоты.
§ 6. ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ
Газосветные лампы высокого напряжения. Газосветными лампами называются электрические источники света, в которых используется свечение газов при прохождении через них электрического тока. Они используются для рекламного освещения.
Газосветная лампа (рис. 511,о) представляет собой стеклянную трубку диаметром около 20 мм, из которой откачан воздух. Трубка заполнена разреженным инертным газом. В концах трубки расположены электроды в виде пустотелых желез-510
hi,i.\ цн.'11111,1| ' и, i:i.ino,ii.i nr I.hiojn.ix пропущен)..pi'.। । ici.'.io.
Свечение трубки зависит от заполняющего ее газа: при заполнении неоном получается красный свет, при заполнении аргоном — голубой (синий), при заполнении криптоном получается зеленое свечение. Такая трубка вклю-
Рис. 511. Газосветная лампа высокого напряжения: а — газосветная лампа; б — газосветная лампа в виде надписи
чается в цепь переменного тока последовательно с добавочным сопротивлением или дросселем, которые необходимы для ограничения силы тока и устойчивого горения лампы.
Газосветные лампы потребляют очень небольшую мощность, но для зажигания их требуется высокое напряжение — около
1000 в на 1 м длины трубки. Поэтому лампы подключаются к сети переменного тока через повышающий трансформатор. Трубка может быть изогнута в форме надписи (рис. 511,6).
Люминесцентные лампы. Другим видом газосветных ламп являются люминесцентные (иначе флуоресцентные) лампы, работающие при сравнительно низком напряжении. Они отличаются тем, что с внутренней поверхности сто- ( кляннаятрубка покрываот-сяслоемособых светящихся
ис. М2. Схема нключепия люми-иоепгпнюй лампы:
— лампа; t*-» вольфрамовая пить дли пуска; 3 — балластный дроссель;
4 — пусковая цепь
веществ (химические соединения кальция, бериллия и других веществ), которые называются люминофорами.
В люминесцентных лампвх происходит двойное преобразо-
вание энергии: сначала электрическая энергия превращается в энергию ультрафиолетоного (невидимого) излучения паров
511
{п ути, затем ультра фиолетовое пзлучепио преобразуется в видимое снечеиие люминофоров. Внутрь трубки вводится аргон и небольшое количество ртути. Проволочные вольфрамовые электроды служат для пуска лампы (рис. 512). Для' включения лампы выключатель 5 автоматически замыкается, и ток проходит через вольфрамовые нити. Нити накаливаются, и с, них за счет нагрева испаряется ртуть. После этого пусковая цепь прерывается (размыканием выключателя S). ("качала начинается разряд через аргон, а затем в разряде участвуют пары ртути, вызывающие свечение люминофоров. Люминофоры можно подобрать так, чтобы их свечение было белым, по цвету близким к дневному или солнечному свету. Такие лампы называются лампами дневного света и применяются для освещения помещений. Люминесцентные лампы в 3—4 раза экономичнее ламп накаливания и изготовляются на мощность от 15 до 100 cm и на напряжение до 500 в.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ к ГЛАВЕ XX
1. Для чего применяются темнители света?
2. Как устроен реостатный темнитель с пета?
3. Как действуют конечные выключатели?
4. Как используются дроссели насыщения в темнителях света?
5. Как устроен темнитель света ТС-5? Для чего служат трехфазные и однофазные дроссели насыщения темнителя?
6. Для чего служит тепловой мостик темнителя ТС-5?
7. Как устроена электрическая лебедка занавеса экрана?
8. Для чего применяются распределительные устройства?
9. Что собой представляет устройство РУ-65-А?
10. Как устроен контактор?
11. Для чего применяются автозаслонки?
12. Объясните принцип действия автозаслонок.
13. Какие источники тока называются аккумуляторами?
14. Расскажите об устройстве и технических свойствах кислотных аккумуляторов.
15. Как следует обращаться с. аккумулятор:.мп?
16. Как устроен щелочной аккумулятор?
17. Сравните технические свойства щелочного и кислотного аккумуляторов.
18. Как устроены газосветные лампы высокого напряжения? Для чего они применяются?
19. Как устроены люминесцентные лампы?
20. Как происходит пуск люминесцентных ламп?
СОДЕРЖАНИЕ
От автор а.................................................... 3
Введение...................................................... 4
Г л а в я I Основные физические понятия
§ 1. Строение вещества............................. • . . . 7
§ 2. Электрическое поле.......................................10
§ 3. Электрический ток и замкнутая электрическая цепь. ... 16
§ 4. Внешние проявления электрического тока...................21
§ 5. Понятие о химических источниках тока.....................24
Глава II Основные законы электрического тока
§ 1. Сила тока................................................27
§ 2. Электрическое сопротивление..............................30
§ 3. Напряжение...............................................35
§ 4. Закон Ома для участка цепи...............................36
§ 5. Закон Ома для всей цепи..................................38
§ 6. Работа и мощность электрического тока....................41
§ 7. Закон Ленца и Джоуля.....................................46
Глава III Сложные цепи постоянного тока
§ 1. Сложные электрические цепи. . ...........................50
§ 2. Последовательное соединение............................. 51
§ 3. Параллельное соединение..................................56
§ 4, Смешанное соединение.....................................62
§ 5. Последовательное и параллельное соединение источников тока.......................................................64
Глава IV Электропроводка и монтаж
§ 1. Передача энергии по проводам.............................70
§ 2. Короткое вамыкание.......................................75
§ 3. Плавкие предохранители...................................78
§ 4. Электромонтажные материалы...............................81
§ 5. Прокладка проводов. . . 88
Глава V
Режимы работы генераторов и приемников
§ 1. Общие сведения......................................... 98
§ 2. Реостаты................................................ 98
§ 3. Делители напряжения.................................102
§ 4. Режимы работы генераторов. ............................108
§ 5. Внешняя характеристика генератора,...................114
М»
Глава VI
Конденсаторы
§ 1. Понятие о конденсаторе. Емкость конденсатора.............118
5 2. Заряд н разряд конденсатора..............................120
§ 3. Электрические свойства конденсаторов.....................125
§ 4. Соединение конденсаторов.................................127
§ 5. Устройство конденсаторов................................ 131
Г л а и а VII
Магнетизм и электромагнетизм
§ 1. Магнетизм................................................140
| 2. Магнитное поле тока. . *.................................148
§ 3. Действие магнитного поля на проводник с током. . ... 154
j 4. Магнитная пень...........................................156
tj 5. Ферромагнитные материалы................................160
Глава VIII
Электромагнитная индукция
§ 1. Явление электромагнитной индукции........................166
§ 2. Принцип действия генератора............................. 170
§ 3. Самоиндукция.............................................172
S 4. Взаимоиндукция...........................................176
$ 5. Вихревые токи............................................178
Г л а г. а IX
Электроизмерительные приборы и измерения
$ 1. Общие сведения...........................................182
§ 2. Приборы магнитоэлектрической системы.....................188
§ 3. Приборы электродинамической системы......................190
§ 4. Приборы электромагнитной системы........................ 192
j 5. Приборы тепловой системы.................................193
§ 6. Измерение тока и напряжения. . . . ;.....................194
§ 7. Измерение сопротивлений в цепях постоянного тока. . . . 202
Г л а в а X Однофазный переменный ток
§ 1. Понятие о переменном токе. ..............................206
§ 2. Основные величины, характеризующие переменный ток. , . 209
§ 3. Понятие об изображении синусоидальных токов с помощью векторов......................................................216
§ 4. Цепь переменного тока с активным сопротивлением..........220
§ 5. Индуктивная катушка в цепи переменного тока.............224
| 6. Конденсатор в цепи переменного тока......................232
Глава XI
Сложные цепи переменного тока
| 1. Основные положения.......................................242
| 2. Последовательное и параллельное соединение активного и индуктивного сопротивлений. Коэфициент мощности. . . 242
§ 3. Емкостное и активное сопротивления в цепи переменного тока......................................................... 248
§ 4. Последовательное соединение емкостного, индуктивного и активного сопротивлений................................... 253
514
§ 5. Рсзонапс напряжений.....................................260
§ 6. Параллельное соединенно активного, индуктивного и ем-
костного сопротивлений............................. .... 26э
1'7. Рсзонапс токов..........................................268
§ 8. Колебательный контур....................................270
Глава XII
Трехфазный ток
§ 1. Получение трехфазного тока..............................276
§ 2. Соединение обмоток трехфазного генератора звездой. . . . 278
§ 3. Соединение обмоток генератора треугольником.............280
§ 4. Включение приемников в сеть трехфазного тока............283
§ 5. Мощность трехфазного тока...............................289
§ 6. Расчет проводов однофазных и трехфазпых линий...........294
Глава XIII
Измерительные приборы и измерения в цепях пс|и‘мспиого тока
| 1. Измерение силы тока п напряжения........................297
§ 2. Измерительные приборы индукционной системы..............300
j 3. Измерение мощности и энергии переменного тока...........302
§ 4. Измерение коэфицпента мощности и сопротивлений..........307
§ 5. Частотомер..............................................311
Г л и в а XIV Электрические источники света
§ 1. Электрические лампы накаливания.........................314
§ 2. Лампы накаливания, применяемые в киноаппаратуре. . . 319
§ 3. Электрическая дуга......................................320
§ 4. Применение электрической дуги в кинотехнике.............328
Глава XV
Т рапсформаторы
§ 1. Принцип действия трансформатора..................... . 334
§ 2. Режим холостого хода трансформатора.....................335
§ 3. Работа трансформатора на нагрузку.......................339
§ 4. Устройство трансформаторов............................. 344
§ 5. Применение трансформаторов..............................348
§ 6. Автотрансформаторы................................. . . 352
§ 7. Дуговые автотрансформаторы и трансформаторы.............358
§ 8. Трехфазные трансформаторы...............................363
Глава XVI
Электрические двигатели переменного тока
§ 1. Получение вращающегося магнитного поля..................370
§ 2, Устройство и работа трехфазного асинхронного двигателя. . 374
§ 3. Конструкция асинхронпых двигателей. „...................378
§ 4. Включение и пуск трехфазных двигателей. ................380
§ 5. Трехфазный асинхронный двигатель типа И-10/4. .... 385
§ 6. Понятие о принципе действия однофазного асинхронного двигателя...................................................... 391
§ 7, Однофазные асинхронные двигатели передвижных кинопроекторов, ......................................................394
515
Глава XVII
Машины постоянного тока
§ 1. Принцип действия генератора постоянного тока.............401
§ 2. Устройство генераторов постоянного тока..................404
§ 3. Генератор с независимым возбуждением. ....... 411
§ 4. Генераторы с самовозбуждением....................... ... 414
§ 5. Обратимость электрических машин..........................417
Глава XVIII
Генераторы переменного тока и вращающиеся f преобразователи
§ 1. Устройство однофазного генератора....................... 422s
§ 2. Генераторы передвижных электростанций.....................425
§ 3. Двигатель-генераторы..................................... 432
§ 4. Одноякорные преобразователи...............................437
§ 5. Уход за электрическими машинами и их неисправности. . . 440
Глава XIX
Выпрямительные устройства
§ 1. Принцип действия выпрямителей............446
§ 2. Ртутная выпрямительная колба............453
§ 3. Трехфазные ртутные выпрямители........................458
§ 4. Правила обращения с ртутными выпрямителями............463
§ 5. Устройство селеновых выпрямителей. ... .... 466
§ 6. Дроссели насыщения.................................. 475
§ 7. Селеновые выпрямительные устройства для питания кинопроекционных дуг...........................................478
§ 8. Меднозакисные выпрямители..............................486
Глава XX
Вспомогательное электрооборудование кинотеатров
§ 1. Темвительные устройства..................................489
§ 2. Лебедка занавеса экрана................................. 495
§ 3. Электросиловые распределительные устройства..............497
’ § 4. Автоматические противопожарные заслонки.................502
§ 5. Аккумуляторы.............................................504
§ 6. Газосветные лампы........................................510
ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ
Страница Строка Напечатано Следует читать
354 427 8 сверху 23 снизу Переключатель Пр 14 кг Переключатель П 1 ,4 кг
П, Г. Федосеев. Электротехника.
Редактор И. Гимпелевич
Технический редактор 3. Матиееен
А02516. Подл, к печ. 25/IV 1953 г. формат бум. 60X92*4,. Бум.
листов 16*/,. Печ. листов 32*/, Уч.-ивд, листов, 29,63. Изд. № 467.
Тираж ВО ООО зкв. Заказ № 1764. Цена 9 р. 40 к.
3-я типография «Красный пролетарий» Союзполиграфпрома Главиздата Министерства культуры СССР. Москва, Краснопролетарсная, 16,